化工原理(传热)

4.1 概述传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。

由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，热就必然从高温处传递到低温处，因此传热是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。

无论在能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑等工业部门，还是在农业、环境保护等其他部门中都涉及到许多有关传热的问题。

应予指出，热力学和传热学两门学科既有区别又有联系。

热力学不研究引起传热的机理和传热的快慢，它仅研究物质的平衡状态，确定系统由一种平衡状态变到另一种平衡状态所需的总能量；而传热学研究能量的传递速率，因此可以认为传热学是热力学的扩展。

热力学(能量守恒定律)和传热学(传热速宰方程)两者的结合，才可能解决传热问题：化学工业与传热的关系尤为密切；这是因为化工生产中的很多过程和单元操作，都需要进行加热和冷却。

例如：①化学反应通常要在一定的温度下进行，为了达到并保持一定的温度，就需要向反应器输入或从它输出热；②在蒸发、蒸馏、干燥等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热：③化工设备的保温，生产过程中热能的合理利用以及废热的回收等都涉及传热的问题。

由此可见，传热过程普遍地存在于化工生产中，且具有极其重要的作用。

化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况：①一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；②另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。

为此必须掌握传热的共同规律。

本章讨论的重点是传热的基本原理及其在化工中的应用4．1．1传热的基本方式根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：传导、对流和热辐射传热可以靠其中的一种方式或几种方式同时进行。

1．热传导(又称导热)若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称为热传导(又称导热)。

热传导的条件是系统两部分之间存在温度差，此时热量将从高温部分传向低温部分，或从高温物体传向与它接触的低温物体，直至整个物体的各部分温度相等为止。

热传导在固体、液体和气体中均可进行，但它的微观机理因物态而异。

固体中的热传导属于典型的导热方式。

在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动；在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的；在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。

对于纯热传导的过程，它仅是静止物质内的一种传热方式，也就是说没有物质的宏观位移。

2，热对流流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流(简称对流)。

热对流仅发生在流体中。

在流体中产生对流的原固有二：一是因流体中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移，这种对流称为自然对流；二是因泵(风机)或搅拌等外力所致的质点强制运动，这种对流称为强制对流。

流动的原因不同，对流传热的规律也不同。

应予指出，在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强制对流。

在化工传热过程中，常遇到的并非单纯对流方式，而是流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程，即是热由流体传到固体表面(或反之)的过程，通常将它称为对流传热(又称为给热)。

对流传热的特点是靠近壁面附近的流体层中依靠热传导方式传热，而在流体主体中则主要依靠对流方式传热。

由此可见，对流传热与流体流动状况密切相关。

虽然热对流是一种基本的传热方式，但是由于热对流总伴随着热传导，要将两者分开处理是困难的，因此一般并不讨论单纯的热对流，而是着重讨论具有实际意义的对流传热。

3．热辐射因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。

所有物体(包括固体、液体和气体)都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，也就是说它可以在真空中传播。

自然界中一切物体都在不停地向外发射辐射能，同时又不断地吸收来自其他物体的辐射能，并将其转变为热能。

物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。

由于高温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而使净热量从高温物体传向低温物体。

辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移，即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形式向空间传递；当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分地或全部地吸收而转变为热能。

应予指出，任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。

实际上，上述的三种基本传热方式，在传热过程中常常不是单独存在的，而是两种或三种传热方式的组合，称为复杂传热。

例如，在高温气体与固体壁面之间的换热就要同时考虑对流传热和辐射传热等。

4．1．2 传热过程中热、冷流体(接触)热交换的方式传热过程中热，冷流体热交换可分为三种方式，各种热交换方式所用换热设备的结构也各不相同，简述如下。

1．直接接触式换热和混合式换热器对某些传热过程，例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、冷流体直接混合进行热交换。

这种换热方式的优点是传热效果好，设备结构简单。

所采用的设备称为混合式换热器。

显然，仅对于工艺上允许两流体互相混合的情况，才能采用这种换热方式。

直接接触换热的机理比较复杂，它在进行传热的同时往往伴有传质过程。

图4—1所示为混合式冷凝器，其中图(b)较为常见，称为干式逆流高位冷凝器，被冷凝的蒸汽与冷却水在器内逆流流动，上升蒸汽与自上部喷淋下来的冷却水相接触而冷凝，冷凝液与冷却水沿气压管向下流动。

由于冷凝器通常与真空蒸发器相连，器内压强为10-20 kPa ，因此气压管必须有足够的高度，一般为10—11 m。

2．蓄热式换热和蓄热器蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种方式。

蓄热器内装有固体填充物（如耐火砖等），冷、热流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。

由于不能完全避免两种流体的混合，所以这类设备在化工生产中使用得不太多。

如图4-2.3．间壁式换热和间壁式换热器在化工生产中遇到的多是间壁两侧流体的热交换，即冷、热流体被固体壁面(传热面)所隔开，它们分别在壁面两侧流动。

固体壁面即构成间壁式换热器。

间壁式换热器的类型很多，它们都是典型的传热设备。

如图4-3所示，热、冷流体通过间壁两侧的传热过程三个基本步骤：①热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热)；②热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导)；③热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热)。

通常，将流体与固体壁画之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程间壁式换热是本章讨沦的重点。

4．1．3 典型的间壁式换热器换热器是实现传热过程的基本设备。

为便于讨沦传热的基本原理，先简单介绍典型间壁式换热器，其他类型的换热器将在4．7节中详细讨论。

图4-4为简单的套管式换热器。

它是由直径不同的两根管子同心套在一起构成的。

冷、热流体分别流经内管和环隙而进行热的交换。

图4—5为单程管壳式换热器。

一流体由左侧封头5的接管4进入换热器内，经封头与管板6间的空间(分配室)分配至各管内，流过管束2后，由另一端的接管流出。

另一流体由壳体右侧的接管3进人，壳体内装有数块挡板7，使流体在壳与管束间沿挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出。

通常，把流体流经管束称为流经管程，将该流体称为管程(或管方)流体；把流体流经管间环隙称为流经壳程。

将该流体称为壳程(或壳方)流体。

由于管程流体在管束内只流过一次，故称为单程管壳换热器。

图4-6为双程管壳式换热能，隔板4将分配室等分为二，管程流体只能先经一半管束，待流到另一端分配室折回再流经另一半管束，然后从接管流出换热器。

由于管程流体在管束内流经两次，故称为双程管壳式换热器。

若流体在管束内来回流过多次，称为多程(例如四程、六程等)换热器。

由于两流体间的传热是通过管壁进行的，故管壁表面积即为传热面积。

显然，传热面积愈大，传递的热量愈多。

对于特定的管壳式换热器，其传热面积可按下式计算，即()。

管长，—管径，—管数；—传热面积，—式中m L m d n m S dLn S ;;1-42π=应予指出，式中管径d 可分别用管内径di 、管外径d 。

或平均直径dm (即(di+d 。

)/2)来表示，则对应的传热面积分别为管内侧面积Si 、外侧面积 S 。

或平均面积Sm 。

对于一定的传热任务，确定换热器的传热面积是设计换 热器的主题，以后各节将要围绕此问题进行讨沦。

在换热器中两流体间传递的热，可能是伴随有流体相变化的潜热，例如冷凝 或沸腾；亦可能是流体无相变化、仅有温度变化的显热，例如加热或冷却。

换热器的热衡算是传热计算的基础之一。

4.1.4传热速率和热通量在换热器中传热的快慢用传热速率来表示，传热速率是传热过程的基本参数。

传热速率(又称热流量)是指在单位时间内通过传热面的热量，用Q 表示，单位为W 。

热通量(又称传热速度)是指单位传热面积的传热速率，用q 表示，单位为W ／m 2。

热通量和传热速率间的关系为dS dQq =由于换热器的传热面积可以用圆管的内表面积Si 、外表面积So 或平均表面积Sm 表示，因此相应的热通量的数值各不相同，计算时应标明选择的基准面积。

自然界中传递过程的普遍关系为：传递过程速率与过程的推动力成正比，与过程的阻力成反比。

()单位传热面积的热阻—整个传热面的热阻，—式中或或阻力，温度差传热阻力温度差传热推动力传热速率传热过程速率可表示为R R R t Q R t Q R R t ''∆=∆='∆=对不同的传热情况。

找出热阻的表达方式，即可求得传热速率。

为了提高传热速率或热通量，关键在于减小传热过程的热阻。

应予指出，传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标。

4．1．5 稳态传热和非稳态传热在传热系统(例如换热器)中不积累能量(即输入的能量等于输出的能量)的传热过程称为稳态传热。

稳态传热的特点是传热系统中温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。

连续生产过程中的传热多为稳态传热。

若传热系统中温度分布随时间而变化，则这种传热过程为非稳态传热。

工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的开工和停工阶段，都为非稳态传热过程。

化工过程中遇到的大多是稳态传热。

因此，本章重点讨论稳态传热。

4.1.6载热体及其选择在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，通常需要用另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或加热介质)；起冷却(或冷凝)作用的载热体称为冷却剂(或冷却介质)。

对一定的传热过程，待加热或冷却物料的初始及终了温度常由工艺条件决定，因此需要提供或取出的热量是一定的。

热量的多少决定了传热过程的操作费用。

但应指出，单位热量的价格因载热体而异。

例如，当加热时，温度要求愈高，价格愈贵；当冷却时，温度要求愈低，价格愈贵。