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第三章 传 热
第3章 传热
Heat transfer
3.1.1 传热在化工生产过程中的应用：
1）加热或冷却，使物料达到指定的温 度；
2）通过换热，回收利用热量；
3）保温，以减少热损失。
3.1 概述
化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况；
一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；
另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。
为此必须掌握传热的共同规律。
传热方向：高温→低温
传热极限：温度相等
传热推动力：温度差
传热应用：科研、生产、生活
3.1.2 传热的基本方式
热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。
1、热传导（导热）
　机理：当物体内部或两物体间存在温度差时，高温物体将一部分热量传递给低温物体。
（导热不能在真空中传播）
特点：物体中的分子或质点不发生宏观的相对位移。
例如：金属固体—自由电子扩散
运动
不良导体和液体—通过振动能从一分子传递到另一分子。
气体—分子不规则运动
2、对流（热对流、对流传热）
机理：由于流体中质点的相对位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式。
分为：自然对流：流体的运动是由于流体内部各 处温度不同而引起局部的密度差异所致。
强制对流：若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、泵或其它外界压力等）所 引起。
实质：流体质点携带着热能在不断的流动中，把热能给出或吸热的过程。
3、辐射
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。
特点：不仅产生能量的转移，还伴随能量形式的转换。
本章中限研究热量从高温自动地向低温部分的传递过程。
思考：
暖水瓶保温原理？
3.1.3 工业上换热方法
一、混合式换热和混合式换热器
特点：冷热流体间的热交换，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。
例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、冷流体直接混合进行热交换。
典型设备：如凉水塔、
喷洒式冷却塔、混合
式冷凝器
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。
废蒸气
冷水
热水
二、间壁式换热和间壁式换热器
特点：冷热流体被固体壁面所隔开，换热时两流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。
如图所示，热、冷流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤：
(1)热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热)。
(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导)。
(3)热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热)。
通常，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程。
主要特点：
冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。
冷溶液进
冷溶液出
热溶液进
热溶液出
套管式换热器
1
2
3
3
6
6
5
4
4
5
7
单程列管式换热器
双程列管式换热器
列管式换热器
换热器的外形
换热器的管束
返回
三、蓄热式换热和蓄热器
特点：冷热两流体间的热量交换是通过壁面周期性的加热和冷却来实现的。
主要用于气体间的换热。如石油化工中的蓄热式裂解炉。
蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖等)，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常在生产中采用二个并联的蓄热器交替地使用，如图所示
蓄热器
四、生产中常用的加热和冷却方法
载热体：使工艺物料被加热或被冷却的流体。（参与热交换的两流体）
热载热体：起加热作用的载热体，在换热过程中放出热量。（加热剂）
冷载热体：起冷却作用的载热体，在换热过程中获得热量。（冷却剂）
（一）载热体的选用原则
（1）满足工艺要求的温度。
（2）载热体的温度要易于调节。
（3）饱和蒸汽压低，热稳定性好。
（4）载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。
（5）为了安全起见，载热体应无毒或毒性较小、不易燃、不易爆、腐蚀性小、安全可靠。
（6）价格低廉、来源广泛。
此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热体，则还有比体积、粘度、热导率等物性参数的要求。
（二）常用加热剂和加热方法
（1）饱和水蒸气加热
它的主要优点是：①可以通过调节蒸汽压力，准确地调节温度；②蒸汽冷凝时的膜系数很大，换热器的传热面积可以小一些；③蒸汽的汽化潜热很大，且加热均匀，在传热量一定时，所需蒸汽用量较小。
饱和水蒸气加热的主要缺点是加热温度不高，通常不超过180℃，相应的压力为1003kPa。
（2）矿物油加热
优点是：来源容易、加热均匀、不需加压。常压下加热温度可达到225℃（超过250℃易分解）。
缺点是：油的黏度大，且黏度随使用时间增大而增大，膜系数逐渐减小。加热效果不如水蒸气，易着火，只能利用显热。
如采用机油、汽缸油等。
（3）有机载热体加热
有机载热体即联苯混合物，它是26.5%的联苯和72.5%二苯醚的混合物，俗称导生。沸点高（258℃）。
导生具有化学稳定性，在380℃以下可长期使用不变质（370℃可使用750～1100天）。其加热温度范围很广，用常压液体加热可达255℃；用饱和水蒸气加 热可达380℃。导生的粘度比矿物油小，故传热效果较好。
导生具有可燃性，但无爆炸危险，其毒性很轻微。主要缺点是它极易渗透软性石棉填料，使用时所有管道连接处需用金属垫片的可采用焊接。
（4）熔盐加热
常用熔盐为7%NaNO3、40%NaNO2、和53%KNO3组成的低熔点混合物。起熔点为142℃，当要求加热温度超过380℃时，可考虑选用这种载体。它的最高加热温度达530℃。但比热容小，仅为1.3kJ/(kg·K)。
（5）烟道气加热
加热温度超过500℃时，大多采用烟道气，温度可高达1000℃或更高。使用烟道气加热应防止局部过热，当用气体或液体燃料时，可采用自控系统调节和控制温度。
（6）电加热 使用电加热可达较高温度，而且清洁、方便、易于控制。化工生产中常用电阻加热和电感加热。
①电阻加热 将电阻丝绕在被加热的设备上，通电后能转变为热能，即达到加热目的。其最高加热温度可达1100℃，但在防火防爆的环境中使用很不安全。
②电感加热 当电流通过导体时，在导体周围产生磁场。若为交流电，则在导体四周产生的磁场为交变磁场。在这交变磁场的感应下，金属表面产生感应的交变涡电流，涡流损耗转变为热能，称为电感加热。
（三）常用冷却剂与冷却方法
（1）水 水是化工生产中使用最广泛的冷却剂，用量很大，约占总耗水量的80%。水的比热容和膜系数都比较大，能够将流体冷却到较低的温度，因此得到广泛应用。
冷却水可以是江水、河水、海水、井水或循环水等。水温随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在15～30℃以上的场合。
为了防止溶解在水中盐类的析出，在换热器传热表面形成水垢，一般控制冷却水的终温不超过40～50℃。若需要将流体冷却到5～10℃或更低温度时，则需要采用经冷却降温的低温水（如冷冻盐水或冷冻剂）作冷却剂。
（2）空气 空气是取之不竭的冷却剂，用空气代替水作冷却剂可以减少污水处理的问题。在水源不足的地区，更显出它的优越性。空气的温度随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在30℃以上的场合。由于空气的对流传热效果差，要求庞大的换热设备。大型企业中采用空气冷却在经济上是合理的，所以正得到逐步推广。
3.1.4 稳定传热和非稳定传热
稳定传热：各点温度分布不随时间改变仅随位置改变。
特点：单位时间内通过传热间壁的热量是一个常量。
化工生产中所研究的多为稳定传热。
非稳定传热：各点温度随位置和时间而变
只有设备处于开、停车阶段，间歇操作属于非稳定传热。
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热传导机理
气体：温度不同的相邻分子相互碰撞，造成热量传递。
液体：分子间作用力较强，由相邻分子振动导致热传递。
固体：相邻分子的碰撞或电子的迁移。
3.2.1 传导传热
在温度差的驱动下，通过分子相互碰撞、分子振动、电子的迁移传递热量的过程。
t / ℃
τ6
τ4
τ3
τ2
τ1
τ7
τ8
τ0
l / m
加热炉
τi－时间
导 热 过 程 示 意 图
1 傅立叶定律和导热系数
1、傅立叶定律
在一个质量均匀，化学性质
稳定的固体平壁内，如图所
示，当壁面两侧的温度为
tW1>tW2时，热量将以热传导
的方式从高温壁向低温壁传
递。实验证明，在稳定导热
时，单位时间内通过壁面的
传热量（称为导热速率）与
温度梯度以及垂直于热
流方向的等温面面积成正比.
t1
t2
b
即：
式中 Q——导热速率，或W； λ——比例系数，称为导热系数， W/(m·℃)； S——导热面积，m2； tW1-tW2=Δt——平壁两侧表面的温度差，℃； b──平壁的厚度，m。
上式为傅立叶定律
傅立叶定律:
在平壁面内以热传导的方式传递的热量,与垂直于热流的截面积成正比,与平壁两侧的温差成正比,与平壁厚度成反比.
2、导热系数λ
衡量物体导热能力的物理量。
必须注意，λ作为导热系数是表示材料导热性能的一个参数，λ越大，表明该材料导热越快。和粘度μ一样，导热系数λ也是分子微观运动的一种宏观表现。
物理意义:当导热面积S =1m2,温度梯度为1k/m时,单位时间内以热传递方式传递的热量。
导热系数的大致范围
金属的最大，非金属的次之，液体的较小，而气体的最小。
固体的导热系数大多与温度有关，对于大多数均质固体，其λ值与温度大致呈线性关系：　λ＝λ0（1＋at）
同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到，当温度变化范围不大时，一般采用该温度范围内的平均值。
（2）液体的导热系数
液态金属的导热系数比一般液体要高，而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小。　
（1）固体的导热系数
在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大。
（3）气体的导热系数　
气体的导热系数随温度的升高而增大。在相当大压强范围内，气体的导热系数与压强几乎无关。由于气体的导热系数太小，因而不利于导热，但有利于保温和绝热。工业上的保温材料，例如玻璃棉等，就是因为其空隙中有气体，所以导热系数低，适用于保温隔热。 　
影响因素：组成、结构、密度、温度和压力
固体:
2.2.2 平壁的稳态热传导
(1) 单层平壁的稳态热传导
条件：平壁、一维稳态导热
(x 方向)；
内容：热流量计算、温度分布 。
对平壁做热量衡算：
t2
t1
x/m
t/℃
单层平壁导热温度分布
Q
式中 Q——传热速率，W；
q——单位面积上的传热速率，称为热通量，W/m2； δ——平壁厚度，m；
Δt＝tW1－tW2——温度差，导热推动力，K； λ——导热系数，W/(m·K)。
应用热阻的概念，对传热过程的分析和计算都是非常有用的。对于导热，壁面越厚，导热面积和导热系数越小，其热阻越大。
x/m
t2
t1
t/℃
t2
t3
t4
多层平壁稳态导热温度分布
Φ
(2) 多层平壁的稳态热传导
条件：多层平壁一维稳态
导热(x方向)。
则：
2.2.3 长圆筒壁的稳态热传导
L/d >10，可按一维导热处理。
与平壁稳态热传导相比，
相同点：一维稳态导热，Q=常数
r1
r2
t1
t2
λ
单层圆筒壁的导热
不同点：
①　热流方向（径向）；
②　传热面积沿径向不同
③
(1) 计算热流量
①　单层圆筒壁
沿径向取一小薄层，
由傅立叶定律：
r1
r2
t1
t2
λ
单层圆筒壁的导热
② 多层圆筒壁
r1
r2
r3
r4
t1
t2
t3
t4
λ1
λ2
λ3
多层圆筒壁的导热
热流量：
例题:三层平壁，b1=150mm、b2=290mm、b3=228mm；t1=1016℃、t4=34℃。
求：耐火砖和绝热砖间及绝热砖与普通砖间的界面温度t2、t3
已知:耐火砖λ 1 /S = 1.05 W/(m2 ℃) ; 绝热砖λ 2 /S =0.15 W/(m2 ℃);
普通砖λ 3/S=0.81 W/(m2 ℃)
解:
根据各单层平壁的导热速率公式得：
△t1=R1q=0.1429X416.5=59.5 ℃;
t2=1016-59.5=956.5 ℃
△t2=R2q=1.933 X 416.5=805.1 ℃ ; t3=956.5-805.1=151.4 ℃
△t3=151.4-34=117.4 ℃;
材料
温度差 ℃
热阻m2 ℃/W
耐火砖
59.5
0.1429
绝热砖
805.5
1.933
普通砖
117.4
0.2815
由上面的计算结果可以看出：各层的热阻愈大，温度差也愈大；串联的导热过程，温度差与热阻是成正比的。
2. 某燃烧炉的平壁由耐火砖、绝热砖和普通砖三种砌成，它们的导热系数分别为1.2W/(m·℃)，0.16 W/(m·℃)和0。92 W/(m·℃)，耐火砖和绝热转厚度都是0.5m，普通砖厚度为0.25m。已知炉内壁温为1000℃，外壁温度为55℃，设各层砖间接触良好，求每平方米炉壁散热速率。
答： Q/S=247.81W/m2
因为串联，（定态传热时通过各层的导热速率必相等）即Q=Q1=Q2=Q3
上述三式相加,整理得:
(层数n=3)
3.2.2 对流传热
主要内容：
1.对流传热分析
2.热对流基本概念
常见类型
速率方程
传热系数α
2.对流传热系数关联式
一、对流传热分析
当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。（录象）
在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同时起作用。
1、滞流内层：流体呈滞流流动，沿壁面法向没有质点的移动和混合，即没有对流传热，传热方式仅是热传导。因为液体导热系数小，因此热阻较大，温度梯度大。
2、缓冲层：流体流动介于滞流和湍流之间，热传导和对流传热同时起作用，热阻较小。
3、湍流主体：质点剧烈运动，完全混合，温度基本均匀，无温度梯度。
因此，对流传热的热阻主要集中在滞流内层，减薄其厚度是强化传热过程的关键。
在滞流内层中，流体仅沿壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体的导热系数很小，使滞流内层中的导热热阻很大，因此在该层内流体温度差较大。
由以上分析可知，在对流传热（或称给热）时，热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化对流传热的重要途径。
二、热对流基本概念
1、对流传热的类型（4种）
（1）流体强制对流传热----由于外界机械能的输入，如在泵、风机或搅拌器的作用下，流体被迫流过固体壁面时的给热。
（2）流体自然对流传热----当静止流体与不同温度的固体壁面接触，在流体内部产生温度差异。流体内部温度不同必然导致流体密度不同。密度大的往下沉，密度小的朝上浮。于是，在流体内部发生了流动。这种流动称为流体自然对流。
（3）蒸汽冷凝给热——蒸汽遇到温度低于其饱和温度的冷固体壁面时，蒸汽放热并凝结成液体，凝液在重力作用下沿壁面流下。
（4）液体沸腾给热——液体从固体壁面取得热量而沸腾，在液体内部产生汽泡，汽泡在上浮时因继续发生液体汽化而长大。
上述第1、2类型为流体无相变的给热，3、4类型为流体有相变的给热。
2、对流传热速率
（1）牛顿冷却定律
α——平均对流传热系数，w/(m2℃)
S——总传热面积，m2；
△t——流体与壁面（或反之）间温度差的平均值，℃；
1/(αS ） ——对流传热热阻。
（2）对流传热系数
定义式：
物理意义：对流传热系数是表示在单位温差下，单位传热面积的对流传热速率；其值反映了对流传热的效果。α↑，对流传热越快。
代价：动力消耗↑。
（3） 影响对流传热系数的因素
②流体流动原因
强制对流：外部机械作功，
一般流速较大， α也较大。
自然对流：由流体密度差造成的循环过程,
一般流速较小，α也较小。
①流体流动状态
③流体的物理性质
④流体的种类和相变化情况
α气体<α液体
α有相变>α无相变
⑤传热面的形状、位置和大小
壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，
造成边界层分离，增加湍动，使α增大。
几种常用的准数名称
准数名称
符号
准数式
意义
努塞尔特准数（给热准数）
Nu
表示对流传热系数的准数
雷诺准数（流型准数）
Re
确定流动状态的准数
普兰特准数
（物性准数）
Pr
表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数
（升力准数）
Gr
表示自然对流影响的准数
3、对流传热系数准数关联式
4、流体无相变时的对流传热系数
对在圆形直管内作强制湍流且无相变，其粘度小于2倍常温水的粘度的流体，可用下式求取给热系数。
Nu=0.023Re0.8Prn
式中　n值随热流方向而异，当流体被加热时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。 应用范围：Re>10000， 0.7 < Pr < 120，
L/di ≥60 。 若L/di <60，需将上式算得的α乘以[1+(di/L)0.7]加以修正。
特征尺寸：Nu、Pr准数中的l取为管内径di。 定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。
注意：提高对流传热系数，减小对流传热热阻，是强化对流传热的关键。
在流体温度一定的情况下，流体的物性均为定值，此时，对流传热系数式可以写成
α与流体的流速u0.8成正比，与管子的管径d0.2成反比。即增大流速和减小管径都能增大对流传热系数，但以增大流速更为有效。这一规律对流体无相变时的其它情况也基本适用。此外，不断改变流体的流动方向，也能使α得到提高。
有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾
有相变对流传热的特点
①　相变过程中产生大量相变热（潜热）；
例：水
5. 有相变化的对流传热
②　相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；
③　分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。
一.蒸汽冷凝
饱和蒸汽ts和冷壁面tw接触（ts>tw）
蒸汽放出潜热→在壁面凝成液体→膜状液体和滴状液体
1、膜状冷凝（可润湿）
壁面形成液膜，蒸汽只能在液膜表面冷凝，与直接接触壁相比，附加了液膜的热阻.因 λ液小，所以R液大，所以Q变小.δ越厚，传热效果越差。
2、滴状冷凝（不润湿）
表面张力F→液滴→长大降落带走下方液滴，壁面重新覆盖。蒸汽与大部分壁面接触，无附加热阻。
　
工业上遇到的大多是膜状冷凝，因此冷凝器的设计总是按膜状冷凝来处理
膜状冷凝
滴状冷凝
(4) 影响冷凝传热的因素
　 ◇ 冷凝液膜两侧的温度差：
◇ 流体物性的影响：
◇ 不凝性气体的影响：形成气膜，表面传热系数大幅度下降。
◇ 蒸气过热的影响：过热蒸汽，若壁温高于饱和温度，传热过程与无相变对流传热相同；若壁温低于饱和温度，按饱和蒸汽冷凝处理。
　◇ 蒸气流速的影响：流速不大时，影响可忽略；
流速较大时，且与液膜同向，α增大；
流速较大时，且与液膜反向， α减小。
二、液体的沸腾传热
在液体的对流传热过程之中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）。
工业上液体沸腾的方法有两种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。
沸腾: 沸腾时，液体内部有气泡产生，
气泡产生和运动情况，对α影响极大。
沸腾分类：
① 按设备尺寸和形状不同
池式沸腾（大容积饱和沸腾）；
强制对流沸腾（有复杂的两相流）。
② 按液体主体温度不同
过冷沸腾：液体主体温度t < ts，
气泡进入液体主体后冷凝。
饱和沸腾：t≥ts，
气泡进入液体主体后不会冷凝。
液体主体
t
液体主体
t≥ts
液体主体
t < ts
沸腾过程：
过热度↑，汽化核心数↑，气泡产生和长大的速度↑，
使沸腾加剧，沸腾传热膜系数↑。
说明：由于气泡产生，使液体扰动↑
因此：
实验条件: 大容积、饱和沸腾。
2) 大容积饱和沸腾曲线
曲线获得：
0.1
1.0
10
102
103
h
A
B
C
D
E
F
自然对流
核状沸腾
膜状沸腾
稳定区
不稳定膜状
沸腾温度差和表面传热系数关系
Δt = (tw-ts)/℃
AB段 ：无相变自然对流，无汽泡产生，α 缓慢增加
BC段 ：核状沸腾
一方面，临界值：Δt、q、Q
另一方面，汽膜覆盖↑，又使α ↓；
当两者作用相抵消，出现转折点—临界点（C点）。
沸腾曲线意义:
CD段 ：核状、膜状共存，膜覆盖为主，Δt↑， α ↓；
DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，
Δt↑， α ↓；
而后辐射作用加强， Δt↑， α ↑。
说明：工业上，应严格控制在核状沸腾区内操作。
3) 影响的因素
加热壁面的影响：
粗糙壁面, α ↑，光滑的壁面, α ↓；
被油脂污染的壁面, α ↓ ，清洁表面, α ↑；
水平管束沸腾传热，上排管 α ↓ 。

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