化工基础理论第4章传热过程

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1、第4章传热过程及换热器4.1化工生产中的传热过程及常见换热器4.2传导传热4.3对流传热4.4间壁式热交换的计算4.5换热器的选择及传热过程的强化4.1化工生产中的传热过程及常见换热器1．化工生产中的传热过程单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；设备和管道在高温或低温下运行，尽量减少它们与外界的传热，就需要保温；传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。化工

2、生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，需要采用隔热等方法减小传热速率。传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。换热器的外形和管束如下图所示.换热器的外形换热器的管束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

3、多。③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。2．传热基本方式①传导传热系统温度较高部分的粒子因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。其特点是，粒子只是在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。②对流传热流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。因流体内部各处温度不同造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；另一是由于外界机械能量

4、的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。③辐射传热是热量以电磁波传递的方式。当物体受热而引起内部原子激发，热能变为辐射能以电磁波形式向周围空间发射，射到另一物体时辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能，这种能量传播过程称为热辐射。其特点是不需要任何传热介质，可在真空中传递。实际生产中的传热过程很少是以一种方式进行，而是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。3．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

5、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。图4－1为简单的套管换热器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。图4—2为单程列管式换热器。图4—3为双程列管式换热器。4.2传导传热1.热传导基本方程——傅里叶定律当均匀物体两侧有温度差(t1一t2)时，热量以传导的方式,由高温向低温传递。单位时间物体

6、的导热量dQ／dτ与导热面积A和温度梯度dt／dδ呈正比。写为等式：如图4－4所示，上式称为傅里叶（Fourier）定律。定态传热时：=dt／dδ——温度梯度，K·m-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度；A—导热面积，m2；λ—比例系数，热导率，也称为导热系数，W·m-1·K-1。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、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。2．间壁式换热器壁面的热传导平面壁指间壁几何结构为

7、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4—5所示的单层平面壁，在定态传热条件下，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。（1）平面壁的定态热传导Φ=Q/τ=-λA/δ热流量也可写为：=Δt/R==式中δ/λA──称为热阻，记作R,K·W-1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。（2）圆筒壁的定态热传导如图所示，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：Φ=-λAdt／dδ=-λ2πrl分离变量并积分：整理得：又可改写为：＝式

8、中为圆筒壁