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1、第三章 传热过程第一讲2023/4/121本讲稿第一页，共三十四页传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的目的不外乎是以下三种：1.加热或冷却2.换热3.保温可见，传热过程在化工过程中是普遍存在的。3-1 概概 述述一、传热过程一、传热过程2023/4/122本讲稿第二页，共三十四页二、二、传热的三种基本方式传热的三种基本方式一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传
2、热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。2023/4/123本讲稿第三页，共三十四页（一）（一）热传导（导热）热传导（导热）一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：固体金属：自由电子运动在晶格之间；液体和非金属固体：个别分子的动量传递；气体：分子的不规则运动。2023/4/124本讲稿第四页，共三十四页（二）（二）热对流热对流 热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热
3、对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。2023/4/125本讲稿第五页，共三十四页（三）热辐射（三）热辐射热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。2023/4/126本讲稿第六页，共三十四页 工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方工业上的传热过程
4、中，冷流体和热流体的接触有三种方式。式。直接接触式直接接触式 在某些传热过程中，热气体的在某些传热过程中，热气体的直接直接水冷水冷却及热水的却及热水的直接直接空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦空气冷却等。这种方式传热面积大，设备亦简单。简单。间壁式间壁式 冷、热流体用间壁冷、热流体用间壁隔开来隔开来，通过间壁进行换，通过间壁进行换热，其型式很多。热，其型式很多。蓄热式蓄热式 使热流体流过换热器，将器内固体填充使热流体流过换热器，将器内固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的流体加热的固体填充物固体填充物，如此周而
5、复始，达到冷、热流，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传热目的。体之间的传热目的。三、三、工业中的换热方法工业中的换热方法2023/4/127本讲稿第七页，共三十四页间壁式换热器间壁式换热器 间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：三个步骤：热流体将热量传到壁面一侧；热流体将热量传到壁面一侧；热量通过固体热量通过固体壁面的热传导；壁面的热传导；壁面的另一侧将热量传给冷流体。壁面的另一侧将热量传给冷流体。即即给热给热一导热一给热一导热一给热的串联过程。的串联过程。依传热面的结构可分为依传热面的结构可分为管式换热器管式换热器和和板式
6、换热器板式换热器。管式换热器管式换热器的传热面是由的传热面是由管子管子做成的，包括做成的，包括套管式、列管套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；等；板式换热器板式换热器的传热面的传热面是由是由板材板材做成的，包括做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。等。2023/4/128本讲稿第八页，共三十四页简单的套管换热器简单的套管换热器 把流体流经管束称为把流体流经管束称为管程管程，该流体称为，该流体称为管程流体管程流体；把；把流体流经管间环隙称为流体流经管间环隙称为壳程壳程，该流体称为，该流体称为壳程流体壳程流体。管程。管程流体在管束内
7、来回流过几次，就称为与次数相同程数的换流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。热器。2023/4/129本讲稿第九页，共三十四页单程列管式换热器1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板 2023/4/1210本讲稿第十页，共三十四页双程列管式换热器1壳体 2管束 3挡板 4隔板 2023/4/1211本讲稿第十一页，共三十四页热源（热源（P65）：电热 应用范围广，温度范围宽。饱和水蒸汽 最常用，不超过180（1MPa）烟道气 700 以上，传热慢，不易控制。高温载热体 矿物油，熔盐等，180-540 冷源冷源：水、空气、冷冻盐水等四、化工生产中常用的冷、热源四、化
8、工生产中常用的冷、热源2023/4/1212本讲稿第十二页，共三十四页五、总传热方程式五、总传热方程式在间壁式换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体热传递的快慢用传热速率来表示。传热速率是指单位时间内通过传热面传递的能量单位是/。换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差tm成正比:：传热速率,tm：两流体的平均温度差,K：比例系数，总传热系数，因次W/(m2K)。上式为总传热方程，是换热器传热计算的重要依据。包括传导传热和对流传热2023/4/1213本讲稿第十三页，共三十四页六、六、一些基本术语及概念一些基本术语及概念热量热量（heat）：热量是能量的一种形式。SI制 J，c
9、gs制 cal，kcal传热速率传热速率Q（heat transfer rate ）：单位时间通过传热面的热量，又称热流量。SI单位W。热通量热通量q（heat flux ）：单位时间，单位面积传递的热量，又称热流通量，单位W/m2。是换热设备的一个重要指标。稳态传热和不稳态传热稳态传热和不稳态传热：传热面各点的温度不随时间发生变化的传热过程称为稳定传热，否则是不稳定传热过程。稳稳态态传传热热时时，在在同同一一热热流流方方向向上上的的传传热速率为常数热速率为常数。生产上常见的是稳定传热过程。2023/4/1214本讲稿第十四页，共三十四页一、热传导基本方程一、热传导基本方程傅里叶定律傅里叶定律
10、如图所示，当均匀物体两侧有温如图所示，当均匀物体两侧有温度差度差(t1一一t2)时，热量以时，热量以传导传导的的方式方式,由高温向低温传递。单位由高温向低温传递。单位时间物体的导热速率时间物体的导热速率Q与导热面积与导热面积A和温度梯度和温度梯度dtd呈正比。写为呈正比。写为等式：等式：3-2 传导传热传导传热 Qb2023/4/1215本讲稿第十五页，共三十四页上式称为上式称为傅里叶（傅里叶（Fourier）定律）定律。dtd温度梯度，温度梯度，Km-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度程度；A导热面积，即垂直于热流方向的截面积，导热面积，即垂直
11、于热流方向的截面积，m2；比例系数，热导率，也称为导热系数，比例系数，热导率，也称为导热系数，Wm-1K-1。热导率热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，热导率越大，物质的导热能力越强物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。度、湿度、压强）等因素有关。金属的热导率大，非金属固体材料金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小，液体的热导率更小，气体的热导率最小的热导率小，液体的热导率更小，气体的热导率最小。0.2的物的物质可以作为绝热材料。质
12、可以作为绝热材料。2023/4/1216本讲稿第十六页，共三十四页二、传导传热计算二、传导传热计算 平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热方向导热面沿传热方向导热面积积A A不发生变化不发生变化。如图所示的单层平面壁，在稳态传如图所示的单层平面壁，在稳态传热条件下，其热条件下，其热导率不随时间发生热导率不随时间发生变化，传热面的温度沿垂直于壁变化，传热面的温度沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随面的热量传递方向变化、但不随时间变化。时间变化。1.单层平面壁的稳态热传导单层平面壁的稳态热传导Qb2023/4/1217本讲稿第十七页，共三十四页
13、式中式中R=b/A称为热阻，记作称为热阻，记作R,KW-1热流密度：热流密度：2023/4/1218本讲稿第十八页，共三十四页例题例题 厚度为215mm的耐火砖制成的炉壁，内壁温度为630oC，外壁温度为150oC，耐火砖的导热系数为0.9W/(m.K)，试求通过每平方米壁面的散热速率。解：散热速率为单位面积的散热速率为2023/4/1219本讲稿第十九页，共三十四页如图所示为三层不同材料组成的如图所示为三层不同材料组成的复合平面壁。稳态导热时各分层复合平面壁。稳态导热时各分层的传热速率分别为：的传热速率分别为：第一层第一层2.多层壁面的定态热传导多层壁面的定态热传导Qb1b2b3b2023/
14、4/1220本讲稿第二十页，共三十四页第二层第二层第三层第三层因因A1=A2=A3=A,稳态热传导时稳态热传导时,上三式加和后得上三式加和后得热流密度：热流密度：2023/4/1221本讲稿第二十一页，共三十四页 可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传热推动力和传热阻力具有推动力和传热阻力具有加和性加和性。由过程分析还可得到：由过程分析还可得到：多层壁面的稳态热传导，各分层温度降与该层的热多层壁面的稳态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。阻呈正
15、比。2023/4/1222本讲稿第二十二页，共三十四页例题例题 硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900，外壁面温度t5为80。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖，保温砖 石棉砖,钢壳 23cm23cm5cm10cmt1t2t3t4t52023/4/1223本讲稿第二十三页，共三十四页解解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：由题意根据多层平壁热流量公
16、式，得：耐火砖与保温砖的交界面温度耐火砖与保温砖的交界面温度t t2 2=806.8保温砖与石棉板的交界面温度保温砖与石棉板的交界面温度t t3 3 =317.5 石棉板与钢壳的交界面温度石棉板与钢壳的交界面温度t t4 4 2023/4/1224本讲稿第二十四页，共三十四页=81.1 计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉的炉计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉的炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。壁主要温度降在保温砖和石棉板层。2023/4/1225本讲稿第二十五页，共三十四页 圆筒壁面热传导的特点是传热面积圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，沿热量传
17、递方向而变化，即即传热面积传热面积A随圆筒的半径而变化随圆筒的半径而变化。3.单壁圆筒壁的稳态热传导单壁圆筒壁的稳态热传导如图所示，热量由管内壁面向管外壁面如图所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为定态传导，考察厚度为dr的薄层，由博的薄层，由博里叶定律得：里叶定律得：分离变量并积分：分离变量并积分：2023/4/1226本讲稿第二十六页，共三十四页热流密度：热流密度：单位圆筒壁长度的导热速率：单位圆筒壁长度的导热速率：工程上使用较多工程上使用较多2023/4/1227本讲稿第二十七页，共三十四页将导热速率公式改写成单层平壁类似的形式将导热速率公式改写成单层平壁类似的形式对数平均面
18、积对数平均面积 圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，可以用算术平圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，可以用算术平均值取代对数平均值计算圆筒壁的均值取代对数平均值计算圆筒壁的Am。2023/4/1228本讲稿第二十八页，共三十四页温度分布方程的推导温度分布方程的推导2023/4/1229本讲稿第二十九页，共三十四页例题例题 有一外径为426mm的水蒸汽管路，管外覆盖一层厚为400mm的保温层，保温材料的热导率随温度t的变化关系为=0.5+0.0009t W/(m.K)。水蒸汽管路外表面温度为150oC，保温层外表面温度为40oC。试求该管路每米长的散热量。解：管路每米长的散热量2023/4/1230
19、本讲稿第三十页，共三十四页4.多层圆筒壁的稳态热传导多层圆筒壁的稳态热传导 对多层壁面的稳态热传导，无论多层平壁还是多层圆筒壁，对多层壁面的稳态热传导，无论多层平壁还是多层圆筒壁，各层热各层热流量均相等且等于总过程的热流量流量均相等且等于总过程的热流量。但对多层平壁，。但对多层平壁，各层的单位面积各层的单位面积热流量相等热流量相等，而多层圆筒壁，而多层圆筒壁各层的单位面积热流量不相同各层的单位面积热流量不相同。以三层圆筒壁为例：以三层圆筒壁为例：类似于多层平壁推导类似于多层平壁推导2023/4/1231本讲稿第三十一页，共三十四页各层交界面上的温度求取：各层交界面上的温度求取：2023/4/1
20、232本讲稿第三十二页，共三十四页 例题例题 A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为的釜壁为5mm厚的不锈钢板厚的不锈钢板()，粘附内壁的污垢层厚，粘附内壁的污垢层厚lmm()，釜夹套中通入，釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气饱和水蒸气(t1105)进行加热，进行加热，釜垢层内壁面温度釜垢层内壁面温度t3为为90，试计算釜壁的面积热流量，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层并与无污垢层(设内壁面温度不变设内壁面温度不变)作比较。作比较。解解：=7579Wm-2 无污垢层时：无污垢层时：=48 000 Wm-2 计算结果表明，计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中大，热阻主要集中在污垢层中。2023/4/1233本讲稿第三十三页，共三十四页总传热方程总传热方程单层平壁单层平壁多层平壁多层平壁单层圆筒壁单层圆筒壁多层圆筒壁多层圆筒壁2023/4/1234本讲稿第三十四页，共三十四页