第三章 传热过程(第一讲)

q t2 t1 =806.8℃ 1 / b1
保温砖与石棉板的交界面温度t3
q t3 t 2 =317.5℃ 2 / b2
石棉板与钢壳的交界面温度t4
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q t 4 t3 =81.1℃ 3 / b3
计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾 炉的炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。
的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、
螺旋板式等。
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把流体流经管束称为管程，该流体称为管程流体；
把流体流经管间环隙称为壳程，该流体称为壳程流体。 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。
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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3. 单层圆筒壁的稳态热传导
圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而 变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。 如图所示，热量由管内壁面向管外壁 面定态传导，考察厚度为dr的薄层， 由博里叶定律得：
dt dt Q A 2rl d dr
分离变量并积分：
因A1=A2=A3=A, 稳态热传导时, Q1 Q2 Q3 上三式加 和后得
b3 3 3 A3
t1 t2 t3 t1 t4 Q b1 b3 b2 R1 R2 R3 1 A1 2 A2 3 A3
t Q
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i
bi i Ai
第三章 传热（Heat Transfer）
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第一节
一、传热过程
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。
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。
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1. 直接接触式换热
主要特点：冷热两种流体间的热 交换，是依靠热流体和冷流体直 接接触和混合过程实现的。 优点：传热速度快、效率高，设 备简单，是工业换热器的首选类 型。 典型设备：如凉水塔、喷洒式冷 却塔、混合式冷凝器
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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。
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三、 工业中的换热方法
工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触 有三种方式。
1. 直接接触式 在某些传热过程中，热气体的直接 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。 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，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，达到冷、 热流体之间的传热目的。
dt／dδ——温度梯度，K· -1，表示传热方向上因距离而引起温 m 度变化的程度； A—导热面积，即垂直于热流方向的截面积，m2； λ—比例系数，热导率，也称为导热系数，W· -1· -1。 m K
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 率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、
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: t 推动力
Q KAtm
m
1

KA
阻力
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
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结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。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。λ≤0.2的物质可以作为绝热材料。
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二、传导传热计算
1. 单层平面壁的稳态热传导 2. 多层平面壁的稳态热传导 3. 单层圆筒壁的稳态热传导 4. 多层圆筒壁的稳态热传导
dr Q 2 ldt r
Q
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r2
r1
t2 dr 2 l dt t1 r
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4
（二） 热对流
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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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℃
间壁式换热器
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：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；③壁面的另一侧将热量 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器。 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；板式换热器
六、 一些基本术语及概念
热量（heat）： 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 ）： 单位时间通过传热面的热量，又称热流量。SI单位W。 热通量q（heat flux ）： 单位时间，单位面积传递的热量，又称热流通量，单位 W/m2。是换热设备的一个重要指标。 稳态传热和不稳态传热： 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。稳态传热时，在同一热流方 向上的传热速率为常数。生产上常见的是稳定传热过程。
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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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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，特点是沿传热方向 导热面积A不发生变化。 如图所示的单层平面壁，在
Q
稳态传热条件下，其热导率不 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。
b
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dt Q A d
第一层
b1 b2
b3
Q
Q1
1 A1
b1
t1 t2
Q1R1
b
t1 Q
b1 1 1 A1
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第二层
Q2
Q3
2 A2
b2
t2 t3
Q2 R2
Q3 R3
t2 Q
第三层
b3
b2 2 2 A2
3 A3
t3 t4
t3 Q
总推动力 总阻力
t1 t2 t3 q b1 b2 b3 热流密度： 1 2 3
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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，传热推动力和传热阻力具有加和性。 由过程分析还可得到：
b1 b2 b3 bi t1 : t2 : t3 : t : : : 1 A1 2 A2 3 A3 i Ai
冷源： 水、空气、冷冻盐水等 中温：水蒸气（加热）、水（冷却） 高温：高压蒸气、热油、烟道气、熔盐、空气（冷却） 低温：盐水、液氨
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五、总传热方程式
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。
Q d A dt
0 t1
b
t2
Q d A dt
0 t1
x
t
t1 t2 t Q A b R
t1 t2 热流密度： q b
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Qx t t1 A
式中R=b/λA──称为热阻，记作R, K· -1 W
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例3-1 厚度为215mm的耐火砖制成的炉壁，内壁温 度为630 oC，外壁温度为150 oC，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。
t1 t2 解：散热速率为 Q A b Q t1 t2 单位面积的散热速率为 q A b 0.9630 150 2.01 10 3W / m2 0.215
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2. 多层平面壁的稳态热传导
如图所示为三层不同材料组成 的复合平面壁。稳态导热时各 分层的传热速率分别为：
冷水
废蒸气
适用范围：无价值的蒸气冷凝， 或其冷凝液不要求是纯粹的物料 等，允许冷热两流体直接接触混 合的场合。
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热水
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2. 蓄热式换热
特点：热、冷流体交替进入换 热器，热流体将热量贮存在蓄 热体中，然后由冷流体取走从 而达到换热目的 优点：结构简单，可耐高温