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1、化工原理第二章第一节讲稿2023/5/10第1页，本讲稿共27页传热过程传热过程2023/5/10第2页，本讲稿共27页本章主要内容：本章主要内容：1.主要讨论传导传热、对流给热的机理和传热方程式及其主要讨论传导传热、对流给热的机理和传热方程式及其应用；应用；2.冷热流体通过冷热流体通过 固体间壁进行换热的过程和计算；固体间壁进行换热的过程和计算；3.强化或削弱传热的途径；强化或削弱传热的途径；4.换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性能；换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性能；2023/5/10第3页，本讲稿共27页一、化工生产中的传热过程一、化工生产中的传热过程传热：就是由于
2、温差而引起的热量传递过程，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。1、化工与传热、化工与传热1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。2023/5/10第4页，本讲稿共27页2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。2、化工生产中传热过程的两种情况、化工生产中传热过程的两种情况 1）强化传热：）强化传热：各种换热设备中的传热。2）削弱
3、传热：）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失 2023/5/10第5页，本讲稿共27页传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用例如：例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等蒸发、蒸馏、干燥、结晶等传热过程的基本要求：传热过程的基本要求：1.强化传热；强化传热；2.避免传热避免传热热量传递方向：热量传递方向：高温传向低温高温传向低温传热过程的推动力：传热过程的推动力：温差温差2023/5/10第6页，本讲稿共27页二二.传热的三种基本方式传热的三种基本方式 1 1、传导传热、传导传热 热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为传导传热，又称导热
4、。特点特点：没有物质的宏观位移气体气体 分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体固体 导电体：自由电子在晶格间的运动 非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体液体 机理复杂2023/5/10第7页，本讲稿共27页 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。导热的实质：导热的实质：流体内分子的热运动或自由电子的运动。流体内分子的热运动或自由电子的运动。所有物体（固、液、气）均由分子组成，有温差、分子振动快慢有差异，振动速度快的分子将其本身动量传递给邻近振动速度较慢的分子，热量就这样从高温向低温的传递下去，导热就其本质上讲：分子振动传热。导热就其本质上讲：分子振动传热。2023/5
5、/10第8页，本讲稿共27页对流传热是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量传递，对流传热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。2、对流传热、对流传热2023/5/10第9页，本讲稿共27页强制对流 自然对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）或由于流体相对位差而迫使流体改变冷与热各部分的位置，使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热。对流传热与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的传导传热，工程上通常将
6、流体与固体之间的热交换称为对流给热，即包含了传导传热和对流传热。2023/5/10第10页，本讲稿共27页3、辐射传热、辐射传热 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。辐射传热是物体间相互辐射和吸收能量的结果。任任何何物物体体只只要要在在绝绝对对零零度度以以上上都都能能发发生生辐辐射射能能，但但是是只只有有物物体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方式。体的温度差别较大时，辐射传热才成为最主要的传热方
7、式。高温物体高温物体辐射能辐射能低温物体低温物体2023/5/10第11页，本讲稿共27页三、工业上的换热方法三、工业上的换热方法1、直接接触式传热、直接接触式传热 直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。前提是冷、热两种流体可直接混合，不发生化学反应或其他不良影响。化工厂常用的 凉水塔、喷洒式冷却塔、混合冷凝器等。2023/5/10第12页，本讲稿共27页2023/5/10第13页，本讲稿共27页 2、蓄热式换热、蓄热式换热(间歇操作）间歇操作）蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就
8、可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。2023/5/10第14页，本讲稿共27页2023/5/10第15页，本讲稿共27页2023/5/10第16页，本讲稿共27页3、间壁式换热、间壁式换热 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。传热过程可分为三步：热流体将热量传给固体壁面（对流传热）热量从壁的热侧传到冷侧（传导传热）热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热）壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。2023/5/10第17页，本讲稿共27页两流体通过间壁的换热过程两流体通过间壁的换热过程t2t1T1T2
9、对流对流导热冷流体Q热流体2023/5/10第18页，本讲稿共27页典型的间壁式换热器及其传热过程典型的间壁式换热器及其传热过程（1 1）、套管式换热器）、套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。2023/5/10第19页，本讲稿共27页2023/5/10第20页，本讲稿共27页2023/5/10第21页，本讲稿共27页一种流体由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间分配至各管内（称为管程）。通过管束后，从另一端封头的出口流出换热器。另一种流体则由壳体
10、的接管流入，在壳体与管束间的空隙流过（称为壳程），从壳体的另一端接管流出。壳体内往往安装若干块与管束相垂直的折流挡板。流体在管束内只通过一次，称为单程列管式换热器。若在换热器封头内设置隔板，将管束的全部管子平均分隔成若干组，流体每次只通过一组管子，然后折回进入另一组管子，如此往复多次，最后从封头接管流出换热器。这种换热器称为多管程列管式换热器多管程列管式换热器。（2）、列管式换热器）、列管式换热器 列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。2023/5/10第22页，本讲稿共27页2023/5/10第23页，本讲稿共27页列管式列管式2023/5/10第24页，本讲稿共27页夹套式夹套式
11、2023/5/10第25页，本讲稿共27页 稳态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变。特点：通过传热表面的传热速率（单位时间传递的热量）为常量，热通量不一定为常数。传热系统中不积累能量（即输入的能量等于输出的能量）。非稳态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳态传热，间歇操作多为不稳态传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳态传热。四、稳态传热与非稳态传热：四、稳态传热与非稳态传热：2023/5/10第26页，本讲稿共27页五、传热过程中的基本物理量五、传热过程中的基本物理量传热速率（热流量传热速率（热流量 ）=Q/单位时间内通过传热面的热量，单位为w。传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流传热速率指的是由于传热面与介质间有温度差而使热量由高温处向低温处流动的速率动的速率传热强度（又称为热流密度、热通量）传热强度（又称为热流密度、热通量）q=/A=Q/(A)单位传热面积的传热速率。单位为w/m2传热速率与热通量的关系为 传热温差以T表示，热阻通常以R或r表示 2023/5/10第27页，本讲稿共27页