第三章 传热过程(第一讲)

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（三）热辐射
热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切 物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介 质。通常在高温下热辐射才是主要方式。
三、 工业中的换热方法
化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量 化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量 的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、 的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提 高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用； 高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一 类则是要求尽量避免热量传递 要求尽量避免热量传递， 类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方 法减小传热速率。 法减小传热速率。
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§ 3-2 传导传热
热传导基本方程——傅里叶定律 一、热传导基本方程 傅里叶定律
如图所示， 如图所示，当均匀物体两侧 有温度差(t 有温度差 1一t2)时，热量以 时 传导的方式, 传导的方式 由高温向低温 传递。 传递。单位时间物体的导热 与导热面积A和温度梯 量dQ与导热面积 和温度梯 与导热面积 呈正比。 度dt／dδ呈正比。写为等式： ／ 呈正比 写为等式：
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可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和， 可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和， 总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导， 总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导， 传热推动力和传热阻力具有加和性。 传热推动力和传热阻力具有加和性。 由过程分析还可得到： 由过程分析还可得到：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
δ3 δi δ1 δ2 ∆t1 : ∆t 2 : ∆t3 : ∆t = : : :∑ λ1 A1 λ2 A2 λ3 A3 λi Ai
∆t1 : ∆t 2 : ∆t3 : ∆ti = R1 : R2 : R3 : ∑ R i
多层壁面的稳态热传导，各分层温度降与该层的 多层壁面的稳态热传导， 热阻呈正比。 热阻呈正比。
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把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体； 把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体； 管程 管程流体 把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。 把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。 壳程 壳程流体 管程流体在管束内来回流过几次， 管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同 程数的换热器。 程数的换热器。
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二、传导传热计算
1. 单层平面壁的稳态热传导
平面壁指间壁几何结构为平面的传热面， 平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，特点是沿传热方向 导热面积A不发生变化。 导热面积A不发生变化。 如图所示的单层平面壁， 如图所示的单层平面壁，在 稳态传热条件下， 稳态传热条件下，其热导率不 随时间发生变化， 随时间发生变化，传热面的温 度沿垂直于壁面的热量传递方 向变化、但不随时间变化。 向变化、但不随时间变化。
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间壁式换热器
间壁式换热器中， 间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过 程包括三个步骤： 热流体将热量传到壁面一侧； 程包括三个步骤：①热流体将热量传到壁面一侧；② 热量通过固体壁面的热传导； 热量通过固体壁面的热传导；③壁面的另一侧将热量 的串联过程。 传给冷流体。 给热一导热一给热的串联过程 传给冷流体。即给热一导热一给热的串联过程。 依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热 依传热面的结构可分为管式换热器和 管式换热器 器。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管 管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管 式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换 列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等 热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板 热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、 夹套式 式、螺旋板式等。 螺旋板式等
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六、传热基本方程
当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混合时， 需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式换热器中，热 流体通过管壁将热量传给冷流体．热传递的快慢用传热速 率Ｑ来表示。传热速率Ｑ是指单位时间内通过传热面传递 的能量．单位是Ｊ/Ｓ。 换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温 差⊿tm成正比: 即Ｑ＝Ｋ △tm Ｑ＝ＫA△ Ｑ＝Ｋ Ｑ：传热速率 , Ｗ △tm：两流体的平均温度差,K Ｋ：比例系数，总传热系数 ，因次W/(m2·K)。 上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器传热计算 的重要依据。包括传导传热和对流传热
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dt Q = −λA dδ
Q ∫ dδ = −λA∫ dt
δ
t2
0
t1
Q = λA
t1 − t 2
δ
∆t = R
式中δ/λA──称为热阻，记作R, K·W-1 称为热阻，记作 式中 称为热阻
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例题3-1 厚度为215mm的耐火砖制成的炉壁，内壁温 例题 度为630oC，外壁温度为150oC，耐火砖的导热系数 为0.9W/(m.K)，试求通过每平方米壁面的散热速率。
第一层
Q1 =
λ1 A1 δ1
(t1 − t2 )
= Q1R1
∆t1 = Q
δ1 1 λ1 A1
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第二层
Q2 =
Q3 =
λ2 A2 δ2
(t2 − t3 )
= Q2 R2
= Q3 R3
Q1 = Q2 = Q3 上三式加
∆t2 = Q
第三层
δ2 2 λ2 A2
λ3 A3 δ3
(t3 − t4 )
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（一） 热传导（导热） 热传导（导热）
一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温 部分向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止， 这种传热方式就称为热传导。 物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机 理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。
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二、 传热的三种基本方式
一个物系或一个设备只要存在温度差就会发 生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会 自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的 机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热 对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象 都属于这三种基本方式。
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Q = λA t1 − t 2
解：散热速率为
单位面积的散热速率为
Q t1 − t 2 =λ A δ
δ
0.9(630 − 150 ) = = 2.01×103W / m 2 0.215
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2. 多层壁面的定态热传导
如图所示为三层不同材料组成 的复合平面壁。 的复合平面壁。稳态导热时各 分层的传热速率分别为： 分层的传热速率分别为：
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工业上的传热过程中， 工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触 有三种方式。 有三种方式。 在某些传热过程中，热气体的直 ①直接接触式 在某些传热过程中，热气体的直 水冷却及热水的直接空气冷却等。 直接空气冷却等 接水冷却及热水的直接空气冷却等。这种方式传热面 积大，设备亦简单。 积大，设备亦简单。 使热流体流过换热器， ② 蓄热式 使热流体流过换热器，将器内固体填 充物加热，然后停止热流体， 充物加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内 已被热流体加热的固体填充物 如此周而复始， 固体填充物， 已被热流体加热的固体填充物，如此周而复始，达到 热流体之间的传热目的。 冷、热流体之间的传热目的。 热流体用间壁隔开来 隔开来， ③间壁式 冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁 进行换热，其型式很多。 进行换热，其型式很多。
简单的套管换热器
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1 —外壳
单程列管式换热器 2—管束 3、4—接管 5—封头 6—管 板 7—挡板
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双程列管式换热器 1—壳体 2—管束 3—挡板 4—隔板
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四、化工生产中常用的冷、热介质及接触方式 化工生产中常用的冷、
1、冷、热源(P65) 热源： 热源 电热 应用范围广，温度范围宽。 饱和水蒸汽 最常用，不超过180℃ （1MPa） 烟道气 700 ℃以上，传热慢，不易控制。 高温载热体 矿物油，熔盐等，180 ℃ 540℃ 冷源： 冷源 水、空气、冷冻盐水等
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（二） 对流传热
热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起 的热量交换，热对流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。 热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体 质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的 热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。
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例3-2 硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的， 若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略 有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及 10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900℃， 外壁面温度t5为80℃。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热 量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖 λ1 = 1.05W ⋅ m −1 ⋅ K −1 ，保温砖 λ2 = 0.2W ⋅ m −1 ⋅ K −1 石棉砖 λ3 = 0.09W ⋅ m −1 ⋅ K −1 ,钢壳 λ 4 = 40W ⋅ m −1 ⋅ K −1
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显热（ 显热（sensible heat）：当体系无相变时，一定质量的物质温 ） 度升高所吸收的热量，或温度降低放出的热量。单位J, Q=WCp△t。以0℃为基准。 潜热 （latent heat）： ） 单位质量的物质在发生相变是放出或吸收的热量。 kJ/kg。与温度有关。 其他的还有反应热，溶解热，稀释热等。 稳定传热和不稳定传热： 稳定传热和不稳定传热 传热面各点的温度不随时间发生变化的传热过程称为稳定 传热，否则是不稳定传热过程。生产上常见的是稳定传热 过程。
传热（ 第三章 传热（Heat Transfer） ）
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一、传热过程
§3-1 概 述
传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递 过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也就 是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动 力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。 但是进行传热的 目的不外乎是以下三种： 1.加热或冷却 2.换热 3.保温 可见，传热过程在化工过程中是普遍存在的。
∆t3 = Q
和后得
δ3 3 λ3 A3
稳态热传导时, 因A1=A2=A3=A, 稳态热传导时
∆t1 + ∆t2 + ∆t3 t1 − t4 Q = δ1 = δ3 δ2 R1 + R2 + R3 λ1 A1 + λ2 A2 + λ3 A3
∑ ∆t Q= δ ∑λ
1
i
i Ai
总推动力 = 总阻力
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dt dQ = −λdA dδ
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上式称为傅里叶（ 上式称为傅里叶（Fourier）定律。 傅里叶 ）定律。 dt／dδ——温度梯度，K·m-1，表示传热方向上因距离 ／ 温度梯度， 温度梯度 而引起温度变化的程度； 而引起温度变化的程度； A—导热面积，即垂直于热流方向的截面积，m2； 导热面积， 导热面积 即垂直于热流方向的截面积， λ—比例系数，热导率，也称为导热系数，W·m-1·K-1。 比例系数， 比例系数 热导率，也称为导热系数， 热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。 热导率表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。 表征物质导热能力的一个参数 热导率越大，物质的导热能力越强。 热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物 质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有 质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强） 金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小， 关。金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小，液 体的热导率更小，气体的热导率最小。 的物质可 体的热导率更小，气体的热导率最小。λ≤0.2的物质可 以作为绝热材料。 以作为绝热材料。
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五、 一些基本术语及概念
热量（heat）： 热量 热量是能量的一种形式。SI制 J ，cgs制 cal kcal 传热速率Q（heat transfer rate ）： 传热速率 单位时间通过传热的热量。SI单位W。 热通量q（heat flux ）： 热通量 单位时间，单位面积传递的热量，单位W/m2 。是换热设 备的一个重要指标。 比热容（specific heat ）： 比热容 恒压 在恒压时（1绝对大气压），单位质量的物质温度升 高1K时所需的热量，单位J.kg-1.K-1是温度的函数。