化工原理 第五章 传热.doc

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1、第五章　传热第一节概述5-1传热及其在化工生产上的应用传热现象在日常生活中是随处可见的，在工农业生产，尤其是化工生产中，传热过程的应用中更是十分广泛。化工生产中的化学反应过程，通常要求在一定的温度下进行，为此，必须适时地输入或输出热量。例如，在合成氨生产中，氢气和氮气合成前要加热，合成后合成气又要求冷却。在蒸发、蒸馏、干燥等化工单元操作中，也都需要按一定的速率输入或输出热量。例如，蒸馏操作中，塔底须用加热蒸汽加热塔釜液体，塔顶气体须引入冷凝器用冷凝水将气体冷凝成液体。上述情况下，须尽量使传热良好。在某些情况下，又希望传热不发

2、生或尽量少发生。例如，化工生产中的蒸汽或冷气管道，外表面都包裹着一层隔热材料，目的是为了保温以减少它们与外界的传热。随着科技的不断发展和生产力的不断提高，能源越来越趋紧张，如何节约能量，充分利用热量成为十分重要的问题。为了解决上述问题，了解和掌握热量传递的基本规律，在化学工程中具有很重要的意义。5-2传热的三种基本形式根据热力学第二定律可知，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。因此，只要物体内部或物体之间有温度差，就必然发生传热现象。热量自高温处传给低温处是自动发生的（自发过程）。在某些情况下，热量也能从低温处

3、传向高温处，如空调器、电冰箱等制冷设备即如此。但热量从低温处传向高温处是非自发过程，其发生是有条件的，这个条件就是需要消耗机械功。传热过程所用的设备型式千差万别，但传热的基本形式只有三种，即热传导、对流传热、辐射传热。一.热传导物体中温度较高的部分因分子碰撞（气体）、分子振动（液、固体）、自由电子运动（金属）而将能量的一部分传给相邻分子，使热量从物体温度高处传向低处的过程称为热传导，简称导热。导热过程物体分子间不发生相对位移（由固体的导热领会之，以铜棒导热解释之）。二.对流传热流体中温度不同的各部分质点因发生相对位移而产生的

4、热量传递称为对流传热。因对流过程质点发生相对位移，故对流只能发生在流体中。对流有两种形式。若流体原来是静止的，局部受热后因密度的局部变化（变小），由密度差别而造成流体间相对位移，称为自然对流传热（以烧开水和风的形成为例）。若对流体施加机械能强制使流体质点间发生相对位移（以搅拌或用泵使流体循环为例），产生的传热称为强制对流传热。强制对流传热效果比自然对流传热效果好得多（以泡在冷水中的一杯开水的冷却为例，可用玻璃棒或勺子加以搅拌，则冷却速度快得多）。三.辐射传热辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体在放热33时，热能变为辐射能，

5、以电磁波的形式发射而在空间传播。当遇到另一物体时，则部分或全部被吸收，重新变为热能。辐射传热不需任何物质作媒介，因而能在真空中传播（以太阳传热为例），这是辐射传热的特点之一。而热传导和对流都是靠质点间直接接触传递热量。辐射传热过程中伴有能量形式的变化（即热能→辐射能（电磁波）→热能）。因辐射能是以电磁波形式传播的，传播速度快，这是辐射传热的另一个特点。小结：热量传递第二节热传导5-3傅立叶定律一.温度场和等温面前已说过，物体内部各质点间只要有温度差存在，热量就会从高温点向低温点传导。传热量的大小，取决于物体内部的温度分布。物

6、体中各质点温度在时空中的分布称为温度场，可用下式表示t=f（x，y，z，θ）（5-3-1）物体各质点温度随时间变化的温度场称为不稳定温度场。若物体任一点的温度均不随时间而变，则称为稳定温度场，其数学式为t=f(x,y,z)（5-3-2）具有相同温度的各点组成的平面称为等温面。因同一点不能同时有两个温度，故等温面彼此不会相交。二.温度梯度Qntt-Δtt+Δt图5-1温度场示意图在同一等温面上，从任一点起，沿等温面的任一方向移动，温度都不发生变化，故沿等温面无热量传递，而沿与等温面相交（即穿过等温面）的任何方向移动，温度却发生

7、变化，故有热量传递。在同一距离内，温度差别越大，所传递的热量越多。温度随距离的变化率以沿与等温面垂直的方向上为最大。两等温面的温度差△t与其间的垂直距离△n之比在△n趋于零时的极限，称为温度梯度，即温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，且以温度增加的方向为正。如图5-1所示。三.傅立叶定律33傅立叶定律是用于描述因热传导而传递的热量大小的定律，数学式为(5-3-3)式中λ称为导热系数，W/(m.K)；dA为传热面积，m2；dQ为传热速率，W。由于空间各点温度不同，故传热量以通过微分面积dA热量表示。5-4导热系数导热系数λ是物

8、质导热能力大小的表征，其值越大，表示导热能力越强。导热系数是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度、压力等有关。常见物质的导热系数手册上可查。总的说来，定性地讲，金属的导热系数最大，固体非金属次之，液体更小，而气体的导热系数最小。下面分别讨论。一.固体的热系数固体中金属是良