第二章传热案例

1.传导传热
又称热传导，是借助物质的分子或原子振动（非金属）、 自由电子的热运动（金属）而与相邻粒子碰撞来传递热量的 过程。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在 温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流 动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，这 两类传热过程也应属于传导的范畴。 ——可见，固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体 层中垂直于流动方向上的传热均属于传导传热。
§ 2－ 2 传 导 传 热
一. 热传导基本方程－－傅立叶定律
在一个均匀（各部位化学组成物 理状态相同）的物体内，如图， t1>t2，热量以传导方式沿着单方向 n（单向传导）通过物体。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 与温度梯度及导热面积A成正比。
化工基础
Elementary Chemical Engineering
第 2章
本章主要内容：
传 热
1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式
及其应用； 2. 冷热流体通过固体间壁进行换热的过程和计算； 3. 强化或削弱传热的途径； 4. 列管式换热器的基本结构和性能。
§2-1 概
一.化工生产中的传热过程
3 间壁式传热
在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式 传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过 程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热 性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传 递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
述
传热：就是指由于温度差引起的能量转移,热量从高 温处传递到低温处。是自然界和工程技术领域中 极普遍的一种传递过程。传热现象几乎无处不在。
绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度
下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就
要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时
取出放出的热量或补充需要吸收的热量。
化工生产中传热主要运用于：
dt d
温度梯度,单位为℃.m-1,表示热流方向温度变化的 强度,温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上 的温度差就越大。
导热系数λ：
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。故物质的越大，导热性能越好。在数值上等于单 位温度梯度下的传热强度，是物质的物理性质之一。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体 的较小，气体的最小。
显热：
2
m c p t
五.稳定传热和不稳定传热
稳定传热：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。 不稳定传热：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，因而我们主要讨论稳定传 热。
3.热辐射
热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地 说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中 进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其 部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。 根据赫尔－波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物 体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去同时接 受电磁波的能力。物体的辐射能力大致与物体的绝对温度 的4次方成正比。通常物体温度大于400℃时，才会有明显 的热辐射传递。 热辐射可在真空中传播，不需要任何介质，这是热辐 射与热传导、热对流的主要区别。
Hale Waihona Puke Baidu
2 蓄热式传热
这种传热方式是冷、热两种流
体交替通过同一蓄热室时，即可通 过填料将从热流体来的热量，传递
给冷流体，达到换热的目的。
优点：结构较简单，可耐高温， 常用于气体的余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄热，所 以设备的体积较大，且两种流体交 替时难免会有一定程度的混合。通 常只能用于气体介质。
四.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 常用q表示 是指单位时间传递的热量， W 传热速率也称为热流量，或热负荷
热流密度q：单位面积上的传热速率，W· m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
三.两流体换热的基本方式
直接接触式 换热方式 间壁式 蓄热式
1 直接接触式传热
在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直 接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便、有效，设备结构较简单，常用于热 气体的水冷或热水的空气冷却。
t
T 直接接触式
缺点：工艺上必须允许两种流体能够相互混合。
t1 t dt t dt do t2 n o
dt dQ A d d
负号表示传热的方向与温度升高的 方向相反
引入一个比例系数, 将上式变为一个等式
dQ dt dq A d d
——傅立叶定律
λ——比例系数， 称为导热系数。单位：w/m· k 在稳定导热时,导热量不随时间而改变,即单位时间内的导热 量为定值。
传导过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点的 宏观迁移。
2.对流传热
又称热对流，是流体中质点发生相对位移和混合而引起的 热量传递。对流传热只发生在流体中，与流动状况密切相关。 强制对流： 用机械能（泵、风机等）使流体发生 对流而传热。 自然对流： 由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热。
①生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。
②控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或 保温。
③某些稀溶液的加热、蒸发结晶、干燥等操作或某些浓溶液的 冷却。
④生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。
二.传热的基本方式
热传导 根据机理的不同，传热有三种基本方式： 传热方式 热对流 热辐射
传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。