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1、第四章第四章 传热传热 ( Heat transfer )( Heat transfer )1、掌握内容 传热基本方式、工业换热方式及适用范围；传热基本方程式及 其相关参数的计算方法；傅立叶定律及其应用；传热系数计算 及测定方法，换热面积的确定方法；强化传热的方法与途径。 2、理解内容 热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热膜概念，有相变 传热过程的膜系数计算，列管换热器的选型方法。 3、了解内容工业换热器的类型、结构、操作原理。 本章学习要求：本章学习要求：第一节第一节 概述概述 传热是因温差导致的能量传递过程，又称热传递。由热力学第二定律可知 ，在有温度差存在时，热量会自发地从高温处传递
2、到低温处。因此，传热 是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化 工、冶金等工业部门，还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问 题。一、传热在化工生产中的应用 化学工业与传热的关系尤为密切。因为无论是生产中的化学反应过程，还是 物理过程（即化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。主要应用有以下方 面：1、为化学反应过程创造必要的条件； 众所周知，化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有一定的温度条件 且伴随着反应热。例如：氨合成反应的操作温度为470520；氨氧化法制 备硝酸过程的反应温度为800等等。为了达到要求的反应温度，必先对原 料进行加热；而这两个过程的反应又
3、都是可逆放热反应，为了保持最佳反应 温度、加快正反应速度，则必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应， 要保持反应温度，则需及时补充热量）。 以合成氨生产过程为例：2、为物理单元操作创造必要的条件； 对某些单元操作过程（如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等）往往需要输 入或输出热量，才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中，为使塔 釜内的液体不断气化，就需要向塔釜内的液体输入热量，同时，为 了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品，就需要从塔顶蒸气中 移出热量。 3、提高热能的综合利用和余热的回收； 仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温度很高，为将合 成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要
4、降温，为 提高热量的综合利用和回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等 。因此，传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况：一是强化传热，即加大传热过程速率的过程。如各种换热设备 中的传热，要求传热速率快，传热效果好。另一种是削弱传热 ，也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢，以减少热量或 冷量的损失。如设备和管道的保温过程。为此，必须掌握传热的共同规律。 化工传热过程可连续亦可间歇进行。对于前者，传热系统中不 积累热量，即输入系统的热量等于输出系统的热量，称为稳定 传热（又称定态传热）。稳定传热的特点是传热速率为常数， 并且系统中各点的温度仅随位置变化
5、而与时间无关。对于后者 ，传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化，称为 不稳定传热（又称非定态传热）。本章中除非另有说明，只讨 论稳定传热。 二、传热的基本方式 根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射根据机理的不同，传热有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射 。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。 （一）热传导 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热 运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移运动来传递热量的过程。当物质内
6、部在传热方向上无质点宏观迁移 的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅的前提下，只要存在温度差，就必然发生热传导。可见热传导不仅 发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。 在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的 传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热 过程也应属于导热的范畴。过程也应属于导热的范畴。所以说：固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直所以说：固体和静止流
7、体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直 于流动方向上的传热均属于导热。于流动方向上的传热均属于导热。很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的很显然，导热过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点块的 宏观迁移。宏观迁移。（二）热对流（二）热对流 热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过 程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不程，简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不 同，又可分为同，又可分为强制对流强制对流和和自然对流自然对流。若相对运动是由外力作用引起的，
8、则称为强制对流。如传热过程因泵若相对运动是由外力作用引起的，则称为强制对流。如传热过程因泵 、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使 流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉例如，我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的，这是因为靠近炉 子表面的空气被加热升温后，密度减小而上浮，离炉子表面较远的空子表面的
9、空气被加热升温后，密度减小而上浮，离炉子表面较远的空 气温度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的气温度相对较低，由于密度较大而下沉，冷、热气团形成自然对流的 结果。结果。流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程流体在发生强制对流时，往往伴随着自然对流，但一般强制对流过程 的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流的速率比自然对流的大得多，故在工业换热设备中，流体中的热对流 过程通常控制为强制对流方式。过程通常控制为强制对流方式。 （三）热辐射 热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说，物体先将热 能转变成辐射能，以电磁波的形式在空
10、中进行传送，当遇到另一个能 吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实 现传热。 根据赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本 身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物 体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。 因此，辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的 结果。辐射传热不仅是能量的传递，同时还伴有能量形 式的转换。热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真 空中传播。这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点 。应予指出，只有物体温度较高时，辐射传热才能成为 主要的传热方式（如化工生产现场的管式炉）。实际上，传热过程往往并非以某种传热方
11、式单独出现， 而是两种甚至是三种传热方式的组合。例如，热水瓶抽 真空的目的就是为了减少导热过程的损失；瓶口加塞就 是为了减少对流损失；内胆镀银是为减少辐射传热的损 失。再如，化工生产中普遍使用的间壁式换热器中的传 热，主要是以热对流和导热相结合的方式进行的。有关 内容将在后文中详细介绍。三、工业换热器1、混合式换热器主要特点：冷热两种流体间的热 交换，是依靠热流体和冷流体直 接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快、效率高，设 备简单，是工业换热器的首选类 型。典型设备：如凉水塔、喷洒式冷 却塔、混合式冷凝器适用范围：无价值的蒸气冷凝， 或其冷凝液不要求是纯粹的物料 等，允许冷热两流体直接接触
12、混 合的场合。 废蒸气冷水热水2、间壁式换热器主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过 程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷 流体。以达到换热的目的。优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回 收便利。缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。典型设备：列管式换热器、套管式换热器。适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。3、蓄热式换热器蓄热式换热器，简称蓄热器。是 借助蓄热体将热量由热流体传给 冷流体的。在此类换热器中，热 、冷流体交替进入，热流体将热 量储存在蓄热体中，然后由冷流 体取走，从而达到换热的目的。 此类换热器结构简单，可耐高温 ，缺点是设备体积庞大
13、，传热效 率低且两流体有部分混合。常用 于高温气体热量的回收或冷却。 如在煤气发生炉中，就是利用空 气煤气的生成热（即碳与氧气反 应释放的热量）来提高炉温并在 炉体中积蓄热量，为后续的水煤 气制气过程提供热量的（即碳与 水蒸气反应需吸收的热量）。 高温流体低温流体蓄热体4、中间载热体式换热器中间载热体式换热器，又称 热媒式换热器。其换热原理 是：将两个间壁式换热器由 在其中循环的载热体（称为 热媒）连接起来，载热体在 高温流体换热器中从热流体 吸收热量后，带至低温流体 换热器传给冷流体。如空调 的制冷循环、太阳能供热设 备、热管式换热器等均属此 类。此类换热过程广泛应用 于核能工业、冷冻技术及
14、工 厂余热利用中。换热器还可以按其他方式进行分类，有关其他分类方 法和换热器的结构、特点等内容，将在后文中详细介 绍。四、传热速率和热通量1 、传热速率Q（热流量） 指单位时间内通过传热面的热量。整个换热 器的传热速率表征了换热器的生产能力，单位为W；2 、热通量q 指单位时间内通过单位传热面积缩传递的热量。在一定的 传热速率下，q越大，所需的传热面积越小。因此，热通量是反映传热 强度的指标，又称为热流强度，单位为W/m2。第五节第五节 热传导热传导一、傅立叶定律（一）导热的分类由热传导引起的传热速率称为导热速率，其与导热体 内部的温度分布情况有关。导热体内部在空间和时间 上的温度分布称为温度
15、场。热传导又称导热，是物质借助分子和原子振动及自由电子运动进 行热量传递的过程。前已述及，导热在固体、液体、气体中均可 发生。但严格而言，只有固体中传热才是纯粹的热传导。而流体 体即使处于静止状态，也会有因温差而引起的自然对流。所以， 在流体中对流与传导是同时发生的。鉴此，本节只讨论固体中的 导热问题，并结合工程实际介绍导热过程的计算方法。 若温度场内各点的温度随时间变化，则称为不稳定温 度场。可用数学表达式表示为： t = f (x, y, z, )l式中 l t温度，；lx、y、z任一点的空间坐标；l时间，s。l显然，不稳定温度场中的导热为不稳定导 热（又称非定态导热）。l例如，从燃烧炉夹
16、出的煤块，内外温度随 时间变化，其导热速率也随时间变化。 若温度场内各点的温度不随时间改变，则 称为稳定温度场。稳定温度场中的导热即 为稳定导热（又称定态导热）。可用数学 表达式表示为：t = f (x, y, z) l稳定温度场中温度相同的点所组成的面称为等 温面。由于稳定温度场中任一点不可能有两个 温度，因此，温度不同的等温面不能相交。l当稳定温度场中的温度只沿空间某一方向变化 时，称为一维稳定温度场，此时的导热称为一 维稳定导热。可用数学表达式表示为：lt = f (x)l在化工生产过程中，一维稳定导热体的 等温面：l在直角坐标系中往往是垂直于温度变化 方向的平壁面；l在柱坐标系中往往是垂直于温度变化方 向的圆柱面；l在球坐标系中往往是垂直于温度变化方 向的球面。l对后两者可用数学表达式表示为：l t = f (r) 化工生产过程中所涉及的导热 问题多为一维稳定导热问题， 如方形燃烧炉的炉壁、蒸汽管 的管壁、列管或套管换热器的 管壁以及球形容器等。限于篇 幅和实用性，本节只讨论一维 稳定导热问题。（二）傅立叶
