第四章传热过程详解

d
0
t2
t1
A
t1 t2
t R
温度差（推动力） 热阻
A
式 定中律，类R似 。A，称为导热热阻 K/W，与电子欧姆 2、多层平壁导热 假设一锅炉墙由耐火砖、 保温砖 、青砖构成。
t1
t2
t3 t4
1
2
3
假设：层与层之间接触良好，即相接触的两表面 具有相同的温度。
由（2）式可知：
第一层耐火砖 第二层保温砖
4－1.2 传热中的一些基本物理量和单位 热量Q：是能量的一种形式， J 传热速率： 是指单位时间传递的热量，W 热流密度q：单位面积上的传热速率，W·m-2
潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热 量变化 J/kg
比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温 度升高1K时所需的热量，J·K-1·kg-1
定压摩尔热容单位为J﹒K-1﹒mol-1
显 度热变：化m）﹒在c工p﹒程⊿上t (称物为质显质热量。× 比定压热容× 温
4－1.3 定态传热和非定态传热
定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器 的位置的变化而变，不随时间而变。特点：通过 传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常 数。
非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位 置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热 通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间 歇操作多为不稳定传热化工过程中连续生产是主 要的，因而我们主要讨论定态传热。
t dt
do
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t2
n
o
取热流方向的微分厚度为dδ，在dτ的瞬间内传递
的热量为dQ
实验证明，单位时间内的传热量与温度梯度
dt d
及导热 面积A成正比 。
Q A dt
d
（1）
上式为导热基本方程，又称傅立叶定律。 式中：－传热速率，W(J/S) Q－传导的热量
－时间
“－”－表示传热方向与温度升高的方向相反。 即热量沿着温度降低的方向传递。（因为梯度以 温度升高的方向为正）。λ－导热系数，单位为
图4-2 蓄热式示意图
(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷 流体，化工中应用极为广泛。有夹套式热交换 器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管 式热交换器；板式热交换器。如图4-2所示。
图4-2 间壁式换热器——列管换热器
换热器有三种类型，从传热机理来讲，传热又有 三种方式，即热传导、热对流、热辐射。传热将 从三种方式来展开论述。
§4－2 传导传热
先讨论两个问题；冬天，铁凳与木凳温度一样， 但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到 冷得多，这是为什么？一杯热牛奶，放在水里 比摆在桌子上要冷得快，为什么？人体温度是 37℃左右，冬天坐在凳子上，人体的热量就向 凳子传递，由于铁比木头传热速度快得多，人 体表面散热越快，而体内向表面补充热量又跟 不上，所以感觉凉。此题，说明同样是固体， 材质不同，传热速率是不同的。第二个问题， 也是传热速率问题。说明水的传热速率比空气 的传热速率来得大。在两个问题中，热量的传 递都不是通过流体的运动实现的。实质是传导 传热（热传导）问题。
W/（m﹒k）
dt －温度梯度
d
导热系数：
物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、 热力学状态（T、P）有关。物理含义：代表单 位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面 （等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过 1m2传热面积所能传导的热量。故物质的λ越大， 导热性能越好。
一般地，λ（导电固体）> λ（非导电固体）， λ（液体）> λ（气体）；当T时，λ（气体）， λ(水）和其它液体的λ ↓。
热、余热、废热，对化工生产具有十分重要的
2、传热过程的基本要求：1.强化传热；2.避免 传热。
在生产中，传热过程不外乎两类：
尽量强化传热过程 ： 加热、冷却；
尽量削弱传热过程： 低温设备的绝热、
高温设备的保温
3、热量传递方向：高温传向低温
4、传热过程的推动力：温差。
5、三种类型换热器
传导传热的机理
一个物体的两部分存在温差，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传导传热（或热传导）。
传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而 引起的热量传递。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；
(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。很多人看过电影“洗澡”吧，
老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水 中，使冷水加热，此即直接混合式。
(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体
上，然后由热载体将热量传递给冷流体、此即 蓄热式换热器。如图4-1所示。炼焦炉中煤气燃 烧系统就是采用蓄热式换热。
第三层青砖
1
t1 t2
1
1 A
2
t2 t3
2
2 A
3
t3 t4
3
3 A
t1
t2
1 1 1 A
t2
t3
2 2 2 A
t3
t4
3 3 3 A
对于稳定传热，各层的导热速率必相等，即单 位时间内传入某一层的热量必等于从这一层传 出的热量，否则这一层的温度便会因热量的积 累与亏损而随时间而变。所以
4－1.1 化工生产中的传热过程
1、传热过程在化工生产中的应用
例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等
由于化工生产过中传热过程的普遍性，使得换 热设备的费用在总投资费用中所占的比重甚高。
据统计：第在四一般章石油传化热工过企业程中占30~40% 在 掌握炼§一油4般厂－换中1热占概设40述备~5运0%行。的因规此律，，认充识分传利热用过反程应，
液体和非金属固体：晶格结构的振动；即分子、 原子在其平衡位置的振动。
气体：分子的不规则运动。
4－2.1 热传导基本方程－－傅立叶定律
热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定律。
在一个均匀（各部位化学组成物理状态相同） 的物体内，如图，热量以传导方式沿着单方向 n（单向传导）通过物体。
t1
t dt
数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定， 也可以查资料、计算。
4－2.2 平面壁的定态热传导 1、单层平面壁的热传导 壁厚δ、导热系数λ 均为常数 传热面积A 平壁温度只沿着垂直于壁面的方向变化。
对于稳定传热，导热
速率Φ不随时间而变。
t1
t2
（1）式分离变量积分：
t2 dt
t1
A