传热原理及传热设备

4、掌握传热基本方程。
5、掌握传热操作的基本原理,知道工业上常用的换热器。
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培训目标
6、会根据要求选择流体的流动方向，熟知强化传 热效果的途径及措施。 7、掌握间壁式换热器的结构和特点，了解其它常 用换热器的结构特点，会选用换热剂。 8、了解常用换热器的操作要点和常见事故的处理 措施。
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5.2.3多层平壁的热传导
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5.2.3多层平壁的热传导
由以上可见，对于多层平壁的稳态热传导，其总 的推动力即为总的温度差，而总的热阻为各层热 阻之和。这与电工学中串联电阻的欧姆定律类似。 各层的热阻越大，则其温度差也越大。热传 导中温度差与热阻成正比。
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5.2热传导
1-水蒸气 2-氧 3-二氧化碳 4-空气 5-氮 6-氩
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5.2.3多层平壁的热传导
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5.3.1对流传热的过程分析
图5—3 对流传热的温度分布情况
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5.3.1对流传热 的过程分析

由上分析可知，对流传热是集热对流和热传 导于一体的综合现象。对流传热的热阻主要集中 在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度是强化 对流传热的主要途径。
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5.3.2对流传热速率方程

对流传热是一复杂的传热过程，影响对流传 热速率的因素很多，而且对不同的对流传热情况 又有差别，因此对流传热的理论计算是很困难的， 目前工程上仍按下述的半经验方法处理。

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5.1概述
5.1.3稳定传热和非稳定传热 在传热过程中，各点的温度只随位置变化而 不随时间变化的过程称为稳定传热。 若在传热过程中，各点的温度除随位置变化 外还随时间变化的过程称为非稳定传热。 化工生产中多为连续操作过程，属于稳定传 热。
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5.1概述
5.1.1传热在化工生产中的应用 传热是重要的单元操作过程之一，传热的目的主 要有以下几方面： （1）加热、冷却或冷凝。使物料达到指定的温度 （2）换热，以回收利用热量或冷量。 （3）保温，以减少热量或冷量的损失。

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5.2.3多层平壁的热传导
对于稳定传热，热量在平壁内没有积累，因而数 量相等的热量依次通过各层平壁，则： 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：
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5.1概述
（2）对流传热（简称对流） 是指在流体中各部分质点发生相对位移而引起的 热量传递。对流传热过程中往往伴有热传导。 化工生产中通常将流体和固体壁面之间的传 热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力 的作用所引起的，称为强制对流；若流体的运动 是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的， 则称为自然对流。强制对流传热效果好。
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5.3.1对流传热 的过程分析 由于滞流内层中流体分层运动，相邻层间没有流体的 宏观运动，因此在垂直于流动方向上不存在热对流，该方 向上的热传递仅为流体的热传导(实际上，在滞流流动时 的传热总是要受到自然对流的影响，使传热加剧)。由于 流体的导热系数较低，使滞流内层内的导热热阻很大，因 此该层中温度差较大，即温度梯度较大。在湍流主体中， 由于流体质点的剧烈混合并充满旋涡；因此湍流主体中温 度差(温度梯度)极小，各处的温度基本上相同。在缓冲层 区，热对流和热传导的作用大致相同，在该层内温度发生 较缓慢的变化。图5—3表示冷、热流体在壁面两侧的流动 情况和与流体流动方向相垂直的某一截面上的流体温度分 布情况。
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5.1概述
5.1.2传热的基本方式 传热的基本方式有三种：热传导、对流和辐射。 （1）热传导（简称导热） 是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部 分传递，或从一个高温物体向与其直接接触的低 温物体传递的过程。在热传导过程当中，没有物 质的宏观位移。固体、静止的流体或气体的传热 属于导热，在层流流体中，传热方向与流向垂直 时也是热传导。
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5.1概述

化工生产中遇到的传热问题通常有以下两 类：一类是要求强化传热，提高某一换热设备的 传热速率，减少设备的尺寸，降低设备费用；另 一类是削弱传热，以减少热损失，如高温设备、 低温设备及管道的保温隔热等，要求传热速率越 低越好。
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5.2热传导 式中Q—导热速率，单位时间内传导的热量W； A—导热面积，即垂直于热流方向上的截面积，m2;
λ —比例系数，称为热导率，W/（m· K）或W /
（m· ℃）； δ —平壁厚度， m； Δt —两壁的温差，Δt= t1- t2，导热的推动力，K； R —导热热阻。
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5.4传热基本方程式和传热过程的计算
单位时间内的传热量，即传热速率Q，与传热面 积A及两流体的温度差Δtm成正比，为 Q=KAΔtm (4-1) 式中 K----------比例系数，称为总传热系数， W/m2· K(或W/m2· ℃)； Q-----------传热速率，J/s(或W)； A-----------传热面 积， m2； Δtm-------两流体的平均温度差，K(或℃)。
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5.3.3对流传热膜系数
对流传热膜系数在数值上等于单位温度差下、单 位传热面积的对流传热速率，其单位W/(m2· ℃)， 它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈 快。 对流传热系数α与导热系数λ不同，它不是流体的 物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反 映对流传热热阻的大小。例如流体有无相变化、 流体流动的原因、流动状态、流体物性和壁面情 况(换热器结构)等都影响对流传热系数。一般来 说，对同一种流体，强制对流时的要大于自然对 流时的，有相变时的要大于无相变时的。
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5.1概述
5.1.4 热载体及其选择 在传热过程中，为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，参与传热的 流体称为载热体。温度较高而放出热能的载热体 称为热载热体；温度较低而吸收热能的载热体称 为冷载热体。起加热作用的载热体称为加热剂， 起冷却或冷凝作用的载热体称为冷却剂或冷凝剂。
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5.4传热基本方程式和传热过程的计算
上式称传热速率方程式或传热基本方程式，它是 换热器设计最重要的方程式。当所要求的传热速 率Q、温度差Δtm及总传热系数K已知时，可用传 热速率方程式计算所需要的传热面积A。
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5.1概述
在选择载热体时应考虑以下几个方面的因素： （1）载热体的温度易于调节。 （2）载热体的饱和蒸汽压较小，加热时不会分解。 （3）载热体毒性要小，使用安全，对设备无腐蚀 或腐蚀性很小。 （4）载热体的价格低廉且容易得到。 通常，在温度不超过180℃的条件下，饱和蒸汽 是最适宜的加热剂，而当温度不很低时，水和空 气是最适宜的冷却剂。
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5.1概述
（3）辐射传热（热辐射） 是指因热的原因而产生电磁波进行传递能量的过 程。物体将热能以电磁波的形式向外界辐射，当 被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热 能。辐射传热不需要介质，物体温度越高，热辐 射传递的热量越多。 事实上传热过程往往不是以某种传热方式单 独存在的，而是上述两种或三种传热方式的组合。
5.3.2对流传热速率方程
若以热流体和壁面间的对流传热为例，对流传热 速率方程可以表示 Q= α（ T- Tw) S 式中 Q—局部对流传热速率，W； S—传热面积，m2； T－换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃； Tw—换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的 壁面温度，℃； α－比例系数，又称局部对流传热膜系数，W／ (m2· ℃)。
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5.2热传导
5.2.1热传导基本规律
A t1 Q
t2
δ 图5-1 单层平壁的热传导
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5.2热传导
图5-1所示为一个由均匀固体物质组成的平壁， 面积为A，壁厚是δ，壁的两面温度保持为t1和t2 。 如果t1 ＞ t2 ，则热量以热传导的方式从温度为t1 的平面传递到温度为t2的平面。 则Q=λA/δ( t1- t2) (5-1) 式(5-1)是热传导方程式。将其改写成如下形式： Q/A=Δt/R,（R为导热热阻）。 R=δ/λ （5-2）
式（5-2）表明，平壁材料的热导率越小、平壁 越厚，则热传导阻力就越大。热导率值越大，则 物质的导热能力越强。
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5.2热传导
5.2.2热导率 热导率λ是表示物质导热性能的一个物性参数， λ 越大，导热越快。 λ在数值上等于单位温度梯度、 单位导热面积、在单位时间内所传导的热量，其 单位W（m.℃），热导率的大小和物质的组成、 结构、密度、温度、湿度等因素有关，对于气体 还与压强变化有关。
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5.4传热基本方程式和传热过程的计算
5.4.1传热基本方程式 间壁式换热器中的传热过程 工业生产中冷、热两种流体的热交换，大多数情 况下不允许两种流体直接接触，要求用固体壁隔 开，这种换热器称为间壁式换热器。（1）热流体 通过对流传热将热量传给固体壁面；（2）固体壁 内以传导方式将热量从高温侧传向低温侧；（3） 热量通过对流传热从固体壁面传给冷流体。