第四章傳熱第一節概述一.傳熱過程在化工生產中的應用幾乎所有的化工生產過程均伴有傳熱操作，進行傳熱操作的目的主要是：1.加熱或冷卻，使物料達到指定的溫度；2.換熱，以回收利用熱量；3.保溫，以減少熱損失。二.傳熱的基本方式根據傳熱的機理區分，傳熱的基本方式有：熱傳導：通過物質的分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的過程。對流：在流體中，冷、熱不同部位的流體質點作宏觀移動和混合，將熱量從高溫處傳遞到低溫處的過程。熱輻射：物質因本身的溫度而激發產生電磁波，向空間傳播來進行熱量傳遞的過程。三.間壁傳熱過程在工業生產中，冷、熱兩種流體的熱交換，多數情況下不允許兩種流體直接接觸；要求用固體壁隔開，即采用間壁傳熱。最常見的一種間壁傳熱設備是套管式的熱交換器。四.工藝過程的熱負荷計算無相變時的熱負荷計算如果工藝要求將質量流率為qm1(Kg/S)

、

比熱為

Cp1（J/Kg.K)

的熱流體由溫度T1

冷卻至T2；則在單位時間內熱流體所釋放出的熱量（放熱速率）Q1

為：

Q1=Cp1qm1(T1–T2)

單位是：W（J/S）。

熱流體所釋放的熱量必須被冷流體所帶走。若冷流體在單位時間內的吸熱量（吸熱速率）為Q2:Q2=Cp2qm2(t2–t1)

單位是：W（J/S）。

冷、熱流體的熱量交換必須通過熱交換器來實施。若使用的熱交換器傳熱速率為：Q=KmAm

Dtm

。

則：

Q1=Q2=Q

才能滿足工藝要求。2.有相變的熱負荷計算如果熱流體是溫度為T的蒸汽，現要將其冷凝為溫度為T的液體；則熱流體在單位時間內所釋放的熱量Q:Q=gqm

式中：g—熱流體在溫度為T時的汽化潛熱，KJ/Kg；qm—熱流體的質量流量，Kg/S。五.熱量傳遞的極限熱量傳遞的極限是冷、熱流體的溫度相等。如果一個逆流操作的熱交換器，具有無窮大的換熱面積，則有：T1=t2或T2=t1

第二節熱傳導一.傅立葉定律單位時間內傳導的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比。即：其中比例系數l，稱為物質的導熱系數，W/m.K。公式中的負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反。二.導熱系數各類固體材料的導熱系數的數量極為：金屬10~100W/m.K建筑材料0.1~10W/m.K絕熱材料0.1~0.01W/m.K金屬的導熱系數最大，液體其次，氣體的導熱系數最小。對于固體材料，其導熱系數隨溫度t而變，近似為直線關系：

l=l0(1+at)其中：a—溫度系數。對于大多數金屬材料a為負值；對于大多數非金屬材料a為正值。三.平板壁的穩定熱傳導若熱傳導僅在x方向進行傳遞，平板壁的傳熱面積為A。

則平板壁的熱傳導速率為：四.多層平板壁的穩定熱傳導假定各板之間緊密接觸。則多層平板壁的熱傳導速率：式中：A—平板的傳熱面積，m2；

l1、l2、l3

—分別為板1、板2、板3的導熱系數，W/m.K。五.圓筒壁的穩定熱傳導圓筒壁的穩定熱傳導速率為：式中：當A2/A1

<2時，Am=(A2+A1)/2。其中：A1=2pr1L；A2=2pr2L;b=r2–r1六.多層圓筒壁的穩定熱傳導假定各層圓筒間緊密接觸。則多層圓筒壁的穩定熱傳導速率為：例1.一根F50×2.5mm的管子（l=49W/m.K），包以50mm厚的軟木（l=0.046W/m.K)，再用50mm的石棉層（l=0.151W/m.K)保溫。測得管內壁溫度為373K，外壁溫度為273K。求每米管道每小時的熱損失。若先包石棉后包軟木，則熱損失為多少？例2.導熱系數的簡易測定將需要測定導熱系數的材料裝入如圖所示的同心套管的間隙內，并在管內加電熱絲。當電熱功率為1KW時，測得內管的內壁溫度為9000C，外管的外壁溫度為1000C,金屬管壁的導熱系數為50W/m.K。試求：該材料的導熱系數。已知：L=1m;r1=10mm;r2=13mm;r3=23mm;r4=27mm。第三節對流傳熱一.對流傳熱的基本概念無相變的對流傳熱自然對流（流體依賴密度差流動）強制對流（用機械能使微團混合）有相變的對流傳熱蒸汽冷凝傳熱、液體沸騰傳熱。二.牛頓冷卻定律對于流體的對流傳熱過程，其傳熱速率可用牛頓冷卻公式來描述；即：式中：Q—傳熱速率，W；A—傳熱面積，m2；

Dt—對流傳熱溫度差，0C；

a—對流傳熱系數（或稱膜系數），W/m2.0C。對于熱流體Dt=T–TW；對于冷流體Dt=tW–t。其中：T—熱流體的主體溫度；TW—間壁近熱流體一側的溫度；t—冷流體的主體溫度；tW—間壁近冷流體一側的溫度。三.影響對流傳熱系數的主要因素流體的物理性質：Cp、r、m、l

流體的運動狀況：u

流體的對流狀況：自然對流（升力bgDt)、強制對流設備尺寸：l影響對流傳熱系數的各種因素，如果用函數表示，則為：四.對流傳熱的特征數關系式根據p定理，可得到對流傳熱的特征數關系式：式中：Nu=al/l稱為努塞爾數Re=lur/m稱為雷諾數Pr=Cpm/l稱為普朗特數Gr=bgDtl3

r2/m2稱為格拉斯霍夫數K、a、b、c是需要通過實驗確定的常數。五.對流傳熱的經驗關聯式在不同的傳熱過程中，有不同的對流傳熱經驗關聯式。例如：流體在圓形直管內作強制對流時，實驗得到其對流傳熱的經驗關聯式為：

Nu=0.023Re0.8Prn使用條件：Re>104，0.7<Pr<160當流體被加熱時n=0.4；當流體被冷卻時n=0.3。設備尺寸為管內徑；定性溫度為流體主體