化工原理第三章传热

Q S
Kt m
t m
1/ K
(1-3)
传 热 速 率
传热温度差（推动力） 热阻（阻力）
式中：△tm──传热过程的推动力， ℃ 1/K ──传热总阻力（热阻），m2 ·℃/W
两点说明：
➢ 单位传热面积的传热速率(热通量)正比于推动力，反比于 热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推
动力和降低热阻。
三、 换热器类型
换热器：实现冷、热介质热量交换的设备
用于输送热量的介质—载热体。 加热介质（加热剂）：起加热作用的载热体。水蒸气、热水等。 冷却介质（冷却剂）：起冷却作用的载热体。冷水、空气制冷剂。
① 直接混合式 —— 将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。 ② 蓄热式 —— 热量 存储在热载体上 传递给冷流体。如
式中：d1为套管的内管直径，d2为套管的内管直径。
应用范围：
Re 1200 ~ 220000, d2 1.65 ~ 17 d1
特征尺寸： 流动当量直径de。
定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝 液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝 称为。在实际生产过程中，多为膜状冷凝过程。
➢ 一般金属（固体）的导热系数>非金属（固体）>液体>气体
➢ 多数固体λ与温度的关系
λ=k0+k×t
单位：W/(m •K)
k0 --0℃下的导热系数
k为经验常数。
对大多数金属材料，其k值为负值；对非金属材料则为正值。
➢ 对于金属 t ↑ λ↓(通过自由电子的运动) 对于非金属 t ↑ λ↑ (通过靠晶格结构的振动) 对于液体 t ↑ λ↓ (通过靠晶格结构的振动) 对于气体 t ↑ λ↑ (通过分子不规则热运动)
➢ 从式（1-1）可知，如果己知传热量Q，则可在确定K及
△tm的基础上算传热面积S，进而确定换热器的各部分尺寸， 完成换热器的结构设计。
3.导热系数
由2-3式推导：
dQ tq t来自单位：W/(m •K)dS
2-3b
x x
➢ λ表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与
物质的组成，结构、密度、温度及压强有关。由实验测得。
可能反而使热损失增大。 假设保温层内表面温度为t1，环境温度
r0 tf
为tf，保温层的内、外半径分别为r1和r0，
r1 t1
保温层的导热系数为λ，保温层外壁与空气
之间的对流传热系数为α。
热损失为：
Q t1 t f
t1 t f
R1 R2
1 ln r0 1
2L r1 2r0L
分析：当r1不变、r0增大时，热阻R1增大，R2减小，因此有 可能使总热阻（R1+R2）下降，导致热损失增大。
（图3-3动画） 冷、热流体交换流过热载体时，热流体将热量传递给冷流
体。如炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。
③ 间壁式 —— 热流体通过间壁将热量传递给冷流体， 化工、食品生产中应用极为广泛，主要有：
夹套式热交换器； 蛇型式热交换器； 套管式热交换器； (套管式换热器) 列管式热交换器； (列管式换热器)(带补偿圈) 板式热交换器。
滴状冷凝时，冷凝液在壁面上不能形成完整的液 膜将蒸汽分开，大部分冷壁面直接暴露在蒸汽中，可 供蒸汽冷凝。因此热阻小得多。实验结果表明，滴状 冷凝的传热系数比膜状冷凝的传热系数大5～10倍。
工业上，大多数是膜状冷凝，在冷凝器的设计中 按膜状冷凝设计。
蒸汽冷凝时的传热推动力是蒸汽的饱和温度与壁面温度之差。
第一节 传热的基本概念
一、传热在生物（食品）工程中的应用
➢ 传热：是不同温度的两个物体之间或同一物体的两个不同温 度部位之间所进行的热的转移。
➢ 传热在生物（食品）工程中的应用： (1)一般的加热、冷却、冷凝过程； (2)食品的杀菌和保藏； (3)蒸发浓缩、干燥、结晶(通过加热去除水分)； (4)蒸煮、焙烤(通过加热使食品完成一定的生化反应)。
四、 传热过程中基本问题与传热机理
➢ 传热过程中的基本问题可以归结为： ① 载热体用量计算 ② 传热面积计算 ③ 换热器的结构设计 ④ 提高换热器生产能力的途径。
➢ 解决这些问题，主要依靠两个基本关系。
⑴ 热量衡算
➢ 根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则 Q热=Q冷， 称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热 体的用量。
➢ λ随压力变化不大。只有当系统的压力P, 3kpa ≥ P或 P≥200Mpa，随压力的降低，导热系数λ也降低，当 达到真空，λ约为0，保 温 瓶 的 夹 层 抽 真 空 就 是 此 道 理。
保温层的临界直径
通常，热损失随着保温层厚度的增加而减少。对于小直
径圆管外包扎性能不良的保温材料，随着保温层厚度的增加，
(1-2)
式 中：
Q──传热速率，W； S──传热面积，m2 ； △tm──温度差，℃； K── 传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、 流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2·℃ ； n ──管数； d ──管径，m； L ──管长，m。
➢ 将式（1-1）变换成下列形式：
➢ 食品生产过程对传热的要求： 强化传热(加热或冷却物料) 削弱传热(设备和管道的保温)
二、传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体内温度不同而引 起的，根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：
➢ 热传导(conduction)； ➢ 对流(convection)； ➢ 辐射(radiation)。
注：传热计算中，究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式决
定。但将关联式中的di改用de是近似算法。对常用的非圆管 道，可直接通过实验求得计算α的关联式。例如套管环隙， 用水和空气进行实验，可得α关联式：
0.53
0.02
de
d2 d1
Re0.8 Pr1 / 3
⑵ 传热速率
➢ 传热速率Q （热流量）：指单位时间内通过传热面的热量称
为传热速率，以Q表示，其单位W—(j/s)。
➢ 热通量q：单位时间内通过单位传热面的热量，W/m2。q=Q/S
➢ 实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差
△tm及传热面积S成正比，即：
Q=KS△tm
(1-1)
S=nπd L