hgjc~第三章 热量传递

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do
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di
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2、传热速率 ：換热器中的传热一般是通过传导和
对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示， 或用热通量表示。
传热速率（Q）：单位时间内通过传热面的热量，
单位：W
3、 热通量（q）:单位时间内通过单位传热面积的热 量，即每单位传热面积的传热速率，又称热流密度 （或传热强度），单位：W/m2。
由于传热面积Si、So、Sm 不同，因此相应的热通量 数值不同，计算时应表明选择的基准面积。
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§3－2 传导传热
§3－2－1 传导传热的基本方程式-傅立叶定律
热传导是依靠物质微粒的热运动而实现的。 只要物体内部有温差存在，热量就会从高温部分 向低温部分传递，热量的传递过程称为热流。
强制对流时，流体质点的运动较为剧烈，故强制对 流有较好的传热效果。
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三、热辐射
热辐射是一种通过电磁波传递热能的过程。由于 物体本身有一定的温度，即可向外界发射能量，此能 量以电磁波的形式在空间传播，当被另一种物体部分 或全部接受后，又重新转变为热能，此种传递方式称 为热辐射。
所有物体（包括固体、液体、气体）都能将热能以 电磁波的形式发射出去，而不需要任何介质，即它可 以在真空中传播。
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导 热 的 基 本 关 系
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单位时间内通过平板传导的热量与温度梯度及垂 直于热流方向的导热面积成正比，即 ：
dQ dS dt dn
dQ dS dt
dn
傅立叶（Fourier）定律
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式中：
Q－导热速率，即单位时间内传导的热量，W;
间壁式換热，是指进行換热的冷热流体分别处于 固体间壁的两侧，热流体将热量传给间壁的一侧壁面， 通过间壁的另一侧壁面再将热量传给冷流体，这就是 间壁式換热。
见下图所示。间壁式換热时，冷热流体被固体壁 面隔开，各走各的通道，不相混合。这是间壁式換热 器最大的优点，这种換热方法在化工生产中用的最多， 其所用设备就是间壁式换热器。
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（2）某些单元操作，如蒸发、蒸馏、干燥、结晶等
等单元操作中，都要向这些设备输入或输出热量。
对于上述单元操作过程只有输入或输出热量，才能
保证操作的正常进行。
（3）回收废热，节Baidu Nhomakorabea能源，达到绿色环保低碳经济的
目的 。 仍以合成氨生产过程为例，合成塔出口的合成气温
度很高，为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮气、 氢气加以分离必须要降温，为提高热量的综合利用和 回收余热，可用其副产蒸气或加热循环气等。
物体之间相互辐射和吸收能量的总结果就是辐射传 热。辐射传热的特点是：不仅有能量的传递，而且还 有能量形式的转换。
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即在放热处，热能转变为辐射能，以电磁波的形 式向空间传送；当遇到另一能吸收辐射能的物体时， 即被其部分或全部地吸收而转变为热能。
注意：任何物体，只要温度在绝对零度以上，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。
一、定义式 dQ
由傅立叶定律： dS dt
dn
单位：w/m.K或 w/m.℃
二、物理意义
导热系数在数值上等于单位面积、单位温度梯 度下、在单位时间内传导的热量，其数值越大，物 质的导热能力就越强。
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导热系数是表征物质导热能力大小的一个物理量， 是物质的物理性质之一。其值与物质的组成、结构、 密度、温度和压力等因素有关。通常由实验测定，不 同的物质的导热系数相差很大，导热系数越大，导热 性能越好。
进行的，故管壁表面积即为传热面积。显然传热面积 越大，传递的热量越多，对于列管式換热器，传热面 积S:
S=ndL 单位：m2
n---管数； d---管径，m; L---管长，m.
式中的d可分别用管内径 di ，外径do或平均直径
dm 来计算， 则对应的传热面积分别为管内侧表面积
Si 、 外侧表面积 So 或平均表面积 Sm 。
管程流体流经管程一次，称为单程列管式換热器。
若管程流体在管束内流经两次，称为双程列管式換热
器。若流体流在管束内来回流过多次，称为多程（如
四程、六程）列管式換热器。
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双 程 列 管 式 換 热 器
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间壁式換热器的简单画法
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二、几个概念
1、传热面积 ： 由于两流体间的传热是通过管壁
3、了解内容
工业换热器的类型、结构、操作原理。
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§3—1 概述
传热就是热量的传递，是指由于温度差引起的能 量转移。
这是自然界和工程技术领域中非常普遍的一种传 递过程。由热力学第二定律知道，凡是有温差存在 时，就必然发生热从高温处传递到低温处。
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化学工业与传热的关系更为密切，传热在化工生
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二、热对流
热对流，是指在流体中存在温度差时，由于流体 质点发生相对位移（流动混合），把热量从一处传到 另一处的过程，简称对流。
热对流只能发生在流体中。因此它与流体的流动状 况密切相关。在对流传热时，必然伴随着流体质点间 的热传导，只是此时，导热占次要地位。
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产中应用大为广泛，概括起来主要用于以下几个方面：
（1）化学反应有一定的温度要求，为此，物料需 要加热和冷却。
化学反应是化工生产的核心，多数化学反应都有 一定的温度条件且伴随着反应热。例如：氨合成反应 的操作温度为420～480℃，为了达到要求的反应温 度，必先对原料进行加热；而这个反应又是可逆放热 反应，为了保持最佳反应温度、加快正反应速度，则 必须及时移走反应放出的热量（若是吸热反应，要保 持反应温度，则需及时补充热量）。
一般来说，金属的导热系数最大，非金属固体的 次之，非金属液体的更小，气体的导热系数最小，即
导热系数λ：金属>固体非金属>液体>气体。
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三、影响因素
讨论λ的影响因素是指外因，即温度与压强，而压 强对任何物质的导热系数影响都不大，一般可忽略。
温度对任何物质的导热系数都影响较大。
金属：T↑，λ↓；
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流体通过间壁换热示意图
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间壁式換热器类型很多，其典型代表就是套管式 換热器和列管式換热器。
1、套管式換热器：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进 行热的交换。
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套管式換热器
2、非定态传热：若传热系统中各点的温度既随 位置变又随时间变，则此传热过程为非定态传热。
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§3－1－3 典型传热设备－间壁式換热器
換热器是实现传热过程的基本设备。为了便 于讨论传热的基本原理及其计算，先简单介绍典 型的換热器（P85）。
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一、间壁式换热器
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套管式换热器
套管式换热器 1-内管;2-外管;3-180。回弯
套管式換热器可作加热、冷却之用。
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2、列管式換热器
下图为单程列管式換热器。由外壳、管束、管板、 挡板和封头等部件组成。管束固定在管板上，安装到 壳体内，壳体两端分别与封头用螺栓联接，在壳体和 封头上装有流体进出口。\swf\002\2-03.swf
S－导热面积，即垂直于热流方向的面积，m2；
dt dn
－温度梯度，即温度升高的方向上单位距离的温 度变化率，K/m或ºC /m。
λ－比例系数，称为导热系数，w/m.K或w/m.ºC。
温度梯度是一个向量，其方向指向温度升高的 方向，与热流的方向相反，所以式中有负号。
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§3－2－2 导热系数
列管式换热器
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換热器在工作时，一流体由一侧封头进口管进入 換热器，经过管束后，由另一端的出口管流出，另一 流体由壳体一侧的进口管进入，壳体内装有数块挡板， 使流体在壳体与管束间沿挡板作折流流动，而从另一 端的壳体接管流出。列管式换热器动画
通常，把流体流经管束称为流经管程，将该流体称 为管程（管方、管内）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、环隙、管 外）流体。
化 工 基础
第三章 热量传递 Heat Transfer
陈玉琴
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本章学习要求
1、掌握内容
传热基本方式、传热基本方程式及其相关参数 的计算方法；热量衡算及其应用；传热系数计算及 换热器的设计计算、强化传热的途径。
2、理解内容
热负荷与传热速率间的关系，传热机理、传热 边界层概念，典型的换热器。
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一、热传导（又称导热）
当物体内部或两个直接接触的物体之间有温差时， 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，简称导热。
在导热过程中，热量将从物体的高温部分传向低 温部分，或从高温物体传向与它相接触的低温物体， 直到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。固体中的 热传导属于典型的导热方式。在流体中，只有在静止 流体或流动边界层中导热才成为主要的传热方式。
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§3－1－1 传热的基本方式
热的传递是由于物体内部或物体之间存在温 差引起的。据热力学第二定律，当无外功输入时， 热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低 的物体。只有在消耗机械功的条件下，才有可能 由低温物体向高温物体传递热量。本章只讨论前 一种情况，既无外功加入的传热。
根据传热机理不同，热传递有三种基本方式： 热传导、热对流和热辐射。
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此外，高温设备与管路的保温或低温设备的隔热 等也需要传热过程。
传热是化工生产过程中最常用单元操作之一。 综上所述，化工生产中对传热过程的要求主要有 以下两种情况：其一是强化传热过程，如在传热设备 中加热或冷却物料，希望以高传热速率来进行热量传 递，使物料达到指定温度或回收热量，同时使传热设 备紧凑，节省设备费用；其二是削弱传热过程，如对 高温设备或管道进行保温，以减少热损失。为此必须 掌握传热的共同规律。
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§3－1－2 定态传热与非定态传热
1、 定态传热：若传热系统（如換热器）中 各点的温度只随位置变，而不随时间变，则此种传 热为定态传热。
定态传热过程中，传热系统不积累能量，即输入 热量等于输出热量，Q入 =Q出。
定态传热的特点是：单位时间内传递的热量(即 传热速率)在任何时刻恒为常数。
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物体内热流的产生，是由于存在温差的结果，而且 热流的方向永远与温度降低的方向相一致。
傅立叶定律就是用以确定在物体内存在温差时，因 热传导而产生的热流大小的一个定律，这是热传导的基 本定律，也是求解导热问题的一个基本公式。
在一个质量均匀的平板内，当温度t1>t2时，热量将 以导热的方式通过物体，由t1向t2方向传递，如图。取 热流方向微分厚度dn，传递的热量为dQ，平板面积为 S。
固体非金属：T↑,λ↑ ；
大多数液体：T↑, λ ↓ ； 但水与甘油例外， λ甘油↑；动画
气体： T↑, λ↑（包括水蒸气）。
T↑,λ水↑，
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§3－2－3 平壁的定态热传导
一、单层平壁热传导
假设一均匀的面积很大的单层平壁，厚度 为b，平壁内的温度只沿着垂直于壁面的x轴方 向变化，如图所示，壁面两侧的温度为t1、t2 ， 在定态导热时，导热速率Q不随时间变化，传 热面积S和导热系数λ也是常数，则傅立叶定律 可简化为
流体的热对流，据产生的原因不同，可分为两种方式：
1、自然对流：由于流体内部各点之间的温度不同而 引起的密度的差异，使温度高的地方流体密度小而上 浮，温度低的地方流体密度大而下沉，这样引起质点 的相对位移而传递热量，这种对流称自然对流。
2、强制对流:流体质点的运动是由于外界的机械作 用，如泵（风机）或搅拌等而强迫进行的，所以称为 强制对流。
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T1>T2
导热的实质是：温度较高部分物质微粒（分子、 原子、电子）具有较高的能量，因而热震动较剧烈， 当它与相邻的能量较低的微粒相互碰撞时，前者传给 后者的能量大于后者传给前者的能量，从而净结果就 是使热量传到低温部分，直到整个物体的温度均匀一 致为止。
在纯导热过程中，在传热方向上介质质点宏观上 不发生或无明显的相对位移，这是导热的特点。