化工单元操作传热

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上式可改写为：
Q 2 l (t1 t2 )(r2 r1 ) (t1 t2 )( A2 A1 ) (t1 t 2 ) t 推动力 r2 A2 b R 热阻 (r2 r1 ) ln b ln r1 A1 Am
其中Sm为对数平均面积
0），对大多数非金属材料为正值（a > 0）。
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（2）液体的导热系数 对于液体: t，
（水、甘油例外）
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（3）气体的热导率 对于气体: t，
1-水蒸气 2-氧 3-二氧化碳 4-空气 5-氮 6-氩
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二、平壁的稳定热传导
1.单层平壁的稳定热传导
假设：(1) 平壁内温度只沿 x方向变 化， y 和 z 方向上无温度变化，即这 是一维温度场。 (2) 各点的温度不随时间而变，
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三、圆筒壁的稳定热传导
1.单层圆筒壁的稳定热传导
对于单层圆筒壁的傅立叶定律改写 为： Q S dt ( 2rL) dt dr dr 边界条件为：r=r1,t=t1;r=r2,t=t2

r2
r1
Qdr 2 rLdt
t1
t2
Q
2 L( t1 t 2 ) 2 L( t1 t 2 ) r 1 r2 ln 2 ln r1 r1
气体
0 . 0 5 ～ 1 0.005～0.5
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（1）固体的热导率 对于固体: 金属 t , （高合金钢例外） 非金属 t , （冰例外） 多数匀质固体 和t有如下关系：
0 (1 at)
式中 ── t℃时的热导率，W/(m· ℃)或W/(m· K)； 0── 0℃时的导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)； a ── 温度系数，对大多数金属材料为负值（a <
稳定的温度场。
导热系数为常数，对于稳态的一 维平壁热传导，傅立叶定律可写为：
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dt Q A dx
边界条件为：当x=0时，t=t1；x=b时，t=t2。积分得：
t1 t2 Q A(t1 t2 ) b b A 过程传递速率=传热推动力/阻力
平壁内的温度分布：
Qdx
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2.温度梯度 沿等温面法线方 向的温度变化率称 为温度梯度。
t t gradt lim n0 n n
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3.傅立叶定律
傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量
和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即：
t dQ dA n
4.热导率 热导率定义由傅立叶定律给出：
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模块四
传热
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项目一 概述
一. 传热过程在化工生产中的应用 传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理 现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物 系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在 科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热 过程。 化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工 生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，
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五、稳定传热与不稳定传热 稳定传热：在传热系统中温度分布不随时间而改变的
传热过程称为稳定传热。
不稳定传热：在传热系统中温度分布随时间变化的传 热过程称为不稳定传热。 化工生产过程中的传热多为稳定传热。
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第二节 热 传 导
一、基本概念和傅立叶定律
从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固 体导热机理各有不同。 气体----温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使 温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热
量传递；
液体----液体中的分子比气体密集，分子间的作用力 较强，由分子振动的强弱导致热量传递；
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固体---- 相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传 递。这种碰撞和迁移，类似于分子运动。 在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用， 即良好的导电体也是良好的导热体。 导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没 有物质的宏观位移。 1.温度场和等温面
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2.对流传热： 对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另 一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体 与固体壁面直接接触时的热量传递。 由于引起质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对 流和强制对流。自然对流：流体原来是静止的，但内部由于 温度不同、密度不同，造成流体内部上升下降运动而发生对 流。强制对流：流体在某种外力的强制作用下运动而发生的
对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对
流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质 上对流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。
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流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引 起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度
梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为
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用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，
其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其压
强就可以控制加热温度，使用方便。其缺点是饱和水蒸 汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制。 （2）冷却剂 工业中常用的有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、
液氨（-33.4℃）等等。
水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应 用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却， 但空气传热速度慢。
对流。
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3.辐射传热：
又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间
的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传 播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。
热辐射不仅是能量的转移，而且伴有能量形式的转化。
此外，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介。
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三、典型的传热设备
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解：
q=1(t1-t2)/b1=1.05(1000-940)/0.23=273.9(W/m2)
q=2(t2-t3)/b2 b2=2(t2-t3)/q = 0.151(940-138)/273.4=0.442(m) 0.442/0.23=1.9 所以需要2块绝热砖
t4 = 34.9℃
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例1：某燃烧炉的平壁由下列三种砖依次砌成：耐火
砖 b1 = 230mm，λ1 = 1.05W/(m· ℃)；绝热砖 b2 = 230mm，λ2 = 0.151W/(m· ℃)；普通砖 b3 = 240mm， λ3 = 0.93W/(m· ℃)。若已知耐火砖内侧温度为1000℃， 耐火砖与绝热砖接触处的温度为940℃，而绝热砖与 普通砖接触处的温度不超过138℃，试问：（1）绝 热层需几块绝热砖？（2）普通砖外侧温度为若干。
热边界层或温度边界层。 湍流流动热边界层与流动边界层关系：
湍流区：质点相互混合交换热量，t 小。
缓冲层：质点混合，分子运动共同作用，温度变化平 缓。 层流内层：导热为主，热阻大，温差大。
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二. 传热的基本方式
根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、 对流和辐射。
1.热传导：
热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的 低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体 传热的过程。
特点：物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和 自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递。
0
b
t2

t1
Adt
Q t xc A
沿壁厚方向温度分布为一直线。
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二、多层平壁的稳定热传导
工业上常遇到由多层不同材 料组成的平壁,称为多层平壁,如 图所示.假设层与层之间接触良 好,即接触的两表面温度相同.由
于各等温面的温度保持恒定,仍
为一维稳态导热,通过各层的热 流量均等于Q,则:
q t / n
一般金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体的较
小，而气体的最小。
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物质热导率的大致范围
物质种类 纯金属 金属合金 液态金属 非金属固体 非金属液体
1 0
热导率
0 ～ 1 4 0 0
5 0 ～ 5 0 0
3 0 ～ 3 0 0
0 . 0 5 ～ 5 0
0
.
5
～
5
绝热材料
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为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移 出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理 使用以及废热的回收利用，换热网络的综合；蒸发、精馏、吸收、
萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。
化工生产过程中对传热的要求有两种情况： （1） 强化传热
（2） 削弱传热
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物体的温度分布是空间和时间的函数，即
t = f(x、y、z、 )
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温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布。 稳定温度场是指在温度场内各点的温度分布不
随时间而改变；不稳定温度场是指在温度场内各
点的温度分布随时间而改变。 等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的 面称为等温面。温度不同的等温面彼此不会相交。
LOGOt1 t 2Fra bibliotekt 2 t3 t3 t 4 Q b1 b2 b3 1 A 2 A 3 A
t t t t t Q b b R A A
i i 1 3 4 1 i i i 1 i 4 i
总推动力 总热阻
推广到至n层
t1 t n1 t1 t n1 Q＝ n ＝ n bi Ri i 1 i A i 1
A2 A1 Am ln A2 / A1
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2.多层圆筒壁的稳定热传导 对于多层圆筒壁：
t1 t n 1 t1 t n 1 2L(t1 t n 1 ) ＝ ＝ n n n bi 1 ri 1 Ri ln ri i 1 i Ami i 1 i 1 i
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解：设管外壁与保温层外表面的温度分别为t1 和t2 r1=0.025m，r2=0.05m， r3=0.075m
Q’/Q=1.44 因此将保温性好的材料，即导热系数小的材料放在
里层为好
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第三节
一、对流传热方程
对流传热分析
对流传热
根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为：（1）流体无 相变的对流传热：强制对流传热、自然对流传热；（2）流体 有相变的对流传热：蒸气冷凝、液体沸腾。
Q＝
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注意：Q恒定，但 q 是变化的，故有
例2：有一蒸汽管外径为50mm，管外包以两层保温材 料，每层厚度均为25mm，外层与内层保温材料的导 热系数之比为λ2/λ1 = 4，此时的热损失为Q。现将内、
外两层材料互换位置，且设管外壁与保温层外表面的
温度均不变，则热损失为Q’。求Q’/Q，并说明何种材 料放在里层为好。
3.蓄热式换热
这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时， 即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到 换热的目的。
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优点：结构较简单，可
耐高温，常用于气体的 余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄 热，所以设备的体积较
大，且两种流体交替时
难免会有一定程度的混 合。
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四、热载体及其选择
热载体：为了将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一
种流体供给或取走热量，此流体称为热载体。起加热作 用的热载体称为加热剂；而起冷却作用的热载体称为冷 却剂。 （1）加热剂
工业中常用的有热水（40～100℃）、饱和水蒸气
（100～180℃）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔 混合物（180～540℃）、烟道气（500～1000℃）等； 除此外还可用电来加热。
1.间壁式换热器 主要有套管式换热器和列管式换热器
热溶液进 冷溶液进 冷溶液出
热溶液出
套管式换热器
套管式换热器
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列管式换热器
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3 1 2 3 6 5 4
4 5 6 7
单程列管式换热器
双程列管式换热器
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间壁式换热器热交换计算方程式 Q = KAtm 式中： Q--冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；
K--传热系数， W/（m2. ℃)
A--传热面积， m2; tm--平均传热温差，℃。 上式称传热速率方程式或传热基本方程式。
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2.直接接触式传热
在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的
方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体 的水冷或热水的空气冷却。 缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。