化工(huàgōng)基礎Elementary

Chemical

Engineering精品資料本章(běnzhānɡ)主要內容：1.主要討論流體傳導(chuándǎo)傳熱、對流傳熱的機理和傳熱方程式及其應用；2.冷熱流體通過固體間壁進行換熱的過程和計算；3.強化或削弱傳熱的途徑；4.列管式換熱器的基本結構和性能。第2章傳

熱精品資料§2-1概述一.化工(huàgōng)生產中的傳熱過程傳熱：就是指由于溫度差引起的能量轉移,熱量從高溫處傳遞到低溫處。是自然界和工程技術領域中極普遍的一種傳遞過程。傳熱現象幾乎無處不在。絕大多數化學反應過程都要求在一定的溫度下進行，為了(wèile)使物料達到并保持指定的溫度，就要預先對物料進行加熱或冷卻，并在過程中及時取出放出的熱量或補充需要吸收的熱量。精品資料化工生產中傳熱主要運用于：①生產中原料的加熱、成品的冷卻或冷凝。②控制化學反應所需要的一定溫度范圍而采取的加熱、冷卻或保溫(bǎowēn)。③某些稀溶液的加熱、蒸發結晶、干燥等操作或某些濃溶液的冷卻。④生產中熱量的合理利用和廢熱回收，以節省熱能。二.傳熱的基本(jīběn)方式

根據機理的不同，傳熱有三種基本方式：傳熱過程可依靠其中的一種或幾種方式同時進行。傳熱方式熱輻射熱對流熱傳導精品資料1.傳導傳熱又稱熱傳導，是借助物質的分子或原子振動（非金屬）、自由電子的熱運動（金屬）而與相鄰(xiānɡlín)粒子碰撞來傳遞熱量的過程。在同一物體內或緊密相連的不同物體之間，只要存在溫度差，熱量就會從溫度高的部分傳至溫度低的部位。在靜止流體內部以及在作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱，是憑借流體分子的振動碰撞來實現的，這兩類傳熱過程也應屬于傳導的范疇。——可見，固體和靜止流體中的傳熱以及作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱均屬于傳導傳熱。傳導過程的特點是：在傳熱過程中傳熱方向上無質點的宏觀遷移。精品資料2.對流傳熱又稱熱對流，是流體中質點發生相對位移和混合而引起的熱量傳遞(chuándì)。對流傳熱只發生在流體中，與流動狀況密切相關。強制(qiángzhì)對流：自然對流：

用機械能（泵、風機等）使流體發生對流而傳熱。由于流體各部分溫度的不均勻分布，形成密度的差異，在浮升力的作用下，流體發生對流而傳熱。

精品資料3.熱輻射熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，物體先將熱能轉變成輻射能，以電磁波的形式在空中進行傳送，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉變為熱能，從而實現傳熱。根據赫爾－波爾茲曼定律：凡溫度高于絕對零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去(chūqù)同時接受電磁波的能力。物體的輻射能力大致與物體的絕對溫度的4次方成正比。通常物體溫度大于400℃時，才會有明顯的熱輻射傳遞。熱輻射可在真空中傳播，不需要任何介質，這是熱輻射與熱傳導、熱對流的主要區別。精品資料換熱方式(fāngshì)三.兩流體換熱的基本(jīběn)方式1直接接觸式傳熱在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設備中通過直接混合的方式進行熱量交換，又稱為混合式傳熱。優點：方便、有效，設備結構較簡單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。缺點：工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。精品資料這種傳熱方式是冷、熱兩種流體交替通過同一蓄熱室時，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的。優點(yōudiǎn)：結構較簡單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。缺點：由于填料需要蓄熱，所以設備的體積較大，且兩種流體交替時難免會有一定程度的混合。通常只能用于氣體介質。2蓄熱式傳熱(chuánrè)精品資料在多數情況下，化工工藝(gōngyì)上不允許冷熱流體直接接觸，故直接接觸式傳熱和蓄熱式傳熱在工業上并不很多，工業上應用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導熱性能好的非金屬壁)隔開，以便使兩種流體在不相混合的情況下進行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式換熱器和列管式換熱器為典型設備。3間壁式傳熱(chuánrè)精品資料四.傳熱中的一些(yīxiē)基本物理量和單位熱量Q：是能量的一種(yīzhǒnɡ)形式，J傳熱速率

是指單位時間傳遞的熱量，W傳熱速率也稱為熱流量，或熱負荷熱流密度q：單位面積上的傳熱速率，W·m-2潛熱：單位質量的物質在發生相變化時伴隨的熱量變化J/kg比定壓熱容cp：壓力恒定時，單位質量的物質溫度升高1K時所需的熱量，J·K-1·kg-1顯熱：精品資料

五.穩定傳熱和不穩定傳熱穩定傳熱：在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置(wèizhi)的變化而變，不隨時間而變．特點：通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數。不穩定傳熱：若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點：傳熱速率、熱通量均為變量。通常連續生產多為穩定傳熱，間歇操作多為不穩定傳熱。化工過程中連續生產是主要(zhǔyào)的，因而我們主要(zhǔyào)討論穩定傳熱。精品資料§2－2傳導傳熱一.熱傳導基本方程(fāngchéng)－－傅立葉定律在一個均勻（各部位化學組成物理狀態相同）的物體內，如圖，t1>t2，熱量以傳導方式沿著單方向n（單向傳導）通過物體。取熱流方向的微分厚度為dδ，在dτ的瞬間內傳遞的熱量為dQ。實驗證明，單位時間(shíjiān)內的傳熱量與溫度梯度及導熱面積A成正比。精品資料λ——比例系數，稱為(chēnɡwéi)導熱系數。單位：w/m·k——傅立葉定律(dìnglǜ)在穩定導熱時,導熱量不隨時間而改變,即單位時間內的導熱量為定值。引入一個比例系數,將上式變為一個等式溫度梯度,單位為℃.m-1,表示熱流方向溫度變化的強度,溫度梯度越大,說明在熱流方向單位長度上的溫度差就越大。負號表示傳熱的方向與溫度升高的方向相反精品資料導熱(dǎorè)系數λ：一般，金屬的導熱系數最大，非金屬的固體(gùtǐ)次之，液體的較小，氣體的最小。（金屬）﹥（非金屬）（固體）﹥（液體）﹥（氣體）（緊密）﹥（疏松）

物性之一：是物質導熱能力的標志，與物質種類、熱力學狀態（T、P）有關。物理含義：代表單位溫度梯度下的熱通量大小，即：當物體兩個面（等溫面）間溫差為1K，厚度為1m時，每經過1m2傳熱面積所能傳導的熱量。故物質的越大，導熱性能越好。在數值上等于單位溫度梯度下的傳熱強度，是物質的物理性質之一。精品資料固體的導熱(dǎorè)系數純金屬的導熱(dǎorè)系數一般隨溫度的升高而降低，金屬的導熱(dǎorè)系數大都隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料或絕熱材料的導熱(dǎorè)系數隨密度增加而增大，也隨溫度升高而增大。液體的導熱系數液體中，水的導熱系數最大。除水和甘油外，絕大多數液體的導熱系數隨溫度(wēndù)的升高而略有減小。精品資料氣體的導熱系數(xìshù)氣體的導熱系數(xìshù)很小，不利于導熱，但有利于保溫。氣體的導熱系數(xìshù)隨溫度升高而加大。在相當大的壓強范圍內，氣體的導熱系數(xìshù)隨壓強變化極小注意：在傳熱過程中，物質內不同位置的溫度可能不相同，因而導熱系數(xìshù)也不同，在工程計算中常取導熱系數(xìshù)的算術平均值。精品資料1）單層平壁的穩定(wěndìng)熱傳導二.平面(píngmiàn)壁的穩定熱傳導R——導熱熱阻，傳導距離δ越大，傳熱面積和導熱系數越小，傳導熱阻越大。：壁面兩側的溫度差。對于穩定傳熱，導熱速率q不隨時間而變。精品資料2）多層平壁的穩定(wěndìng)熱傳導假設一鍋爐墻由耐火磚δ1、保溫(bǎowēn)磚δ2和青磚δ3構成，層與層之間接觸良好，即相接觸的兩表面具有相同的溫度。

精品資料推廣(tuīguǎng)到n層平壁有：多層平壁導熱是一種(yīzhǒnɡ)串聯的導熱過程，串聯導熱過程的推動力為各分過程溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為各分過程熱阻之和，也就是串聯電阻疊加原則。精品資料三.圓筒壁的穩定(wěndìng)熱傳導1）單層圓筒壁的穩定(wěndìng)熱傳導圓筒壁導熱的特殊性：1、溫度沿半徑方向而改變2、導熱面積（A=2πrL）

隨半徑而變分離變量積分，（1）精品資料在圓筒壁內找一個合理的平均導熱(dǎorè)面積Am，或與Am對應的平均半徑rm，這樣圓筒壁的導熱(dǎorè)速率就可按平壁來處理。 將（1）式分子(fēnzǐ)分母同乘以（r2-r1）式中：

為對數平均面積，對數平均半徑精品資料若筒壁較薄，，Am和rm可用算術平均值代替，誤差不超過(chāoguò)4%，在工程上是允許的。

2）多層圓筒壁的穩定(wěndìng)熱傳導多層圓筒壁的傳熱，可以看成是各單層壁串聯進行的熱量傳遞。對第1層：對1-n層：精品資料§2-3對流傳熱2－3.1對流傳(liúchuán)熱過程分析上圖表示垂直(chuízhí)放置的列管式熱交換器中一根管的節點剖面示意圖。δ：傳熱邊界層厚度δb：層流內層δf：虛擬厚度熱量從熱流體通過固體傳熱壁面傳給冷流體，這種傳熱過程稱為給熱。精品資料它分三個階段:（1）熱量自熱流體(liútǐ)傳到固體壁面的一側（2）從壁面的一側傳到另一側；（3）從壁面的一側傳到冷流體(liútǐ)。該層中溫差較大，即溫度梯度較大。通過實驗測定：δb內的溫度變化(biànhuà)占一側流體溫度變化(biànhuà)的90%以上。所以對傳熱速率具有決定性的影響。在層流內層以外的過渡區，流體質點的運動開始出現混合，但仍有溫度梯度存在，是熱傳導和熱對流共同作用的結果。在湍流主體內，流體質點劇烈混合，可認為無傳熱阻力，溫度梯度已消失。由上所述，對流傳熱是層流內層的傳導傳熱和層流內層以外的對流傳熱的總稱。在靠近壁面有一厚度為δb的層流內層，層內相鄰層間沒有流體的宏觀運動。在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導。精品資料對流傳熱是一個復雜的過程,為了便于處理，把對流傳熱看作相當于通過厚度為δ的傳熱邊界層的熱傳導過程（將溫度梯度有顯著變化的區域稱為傳熱邊界層）,這一傳熱邊界層稱為有效膜。有效膜中包括了真實的層流內層的厚度δb和與層流內層外的與其(yǔqí)熱阻相當的虛擬厚度δf。δ=δb＋δf即把層流(cénɡliú)內層之外的熱阻折合成的厚度δf。必須指出：δf是不存在的，它完全是為了處理問題的方便而假設的。即：有效膜是虛擬的，而層流(cénɡliú)內層是真實存在的。精品資料2－3.2牛頓(niúdùn)冷卻定律把流體對流傳熱過程看作是通過傳熱邊界層（即有效膜）的傳導傳熱，可以把復雜的對流傳熱用理論上較為成熟的熱傳導原理(yuánlǐ)來處理。——對流傳熱基本方程，也稱牛頓冷卻定律

當壁面向冷流體給熱時實際上傳熱邊界層的厚度δ不能測定，因為δ包括虛擬的厚度δf。令α=λ/δ為傳熱膜系數，則當熱流體對壁面傳熱時α的物理意義：單位時間內，單位傳熱面積上，溫差為1k時，所能傳遞的熱量。所以α是對流給熱強度的標志。α↑，傳熱效果好。精品資料①流體的狀態：氣、液、蒸氣、相變化等；②流體的物理性質：密度、比熱、導熱系數、粘度等；③流體的流動形態(xíngtài)：層流或湍流；④流體的對流狀況：自然對流、強制對流；⑤傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。1、影響(yǐngxiǎng)因素

2－3.3對流傳熱膜系數α

牛頓冷卻定律似乎簡單，實際上并未減少計算上的困難，而是將難以測定的傳熱邊界層厚度δ等所有復雜因素概括在傳熱膜系數α中了。實驗證明：影響α的因素很多，概括起來可用下列未定方程來表示。精品資料2、傳熱過程(guòchéng)的特征數對流給熱系數的因素如此之多，要建立一個(yīɡè)普遍適用的α計算式是十分困難的。工程上采用因次分析和實驗的方法確定不同影響因素之間的具體關系，所有這些關系式統稱為對流給熱系數的經驗關聯式。精品資料§2－4熱交換計算(jìsuàn)化工生產中最常用的傳熱操作(cāozuò)是熱流體經管壁（或器壁）向冷流體傳熱的過程，該過程稱為熱交換或換熱。

2－4.1總傳熱速率方程熱量的傳遞屬于：對流→導熱→對流類型即,熱流體的熱量管外壁管內壁冷流體熱流體向外壁對流傳熱：

管壁熱傳導：

內壁向冷流體對流傳熱：精品資料對于(duìyú)穩定傳熱：1．當傳熱(chuánrè)面為平壁時，A=A1=A2=Am，則：——換熱器的傳熱總系數精品資料K——換熱器的傳熱總系數，單位：w·m-2·K-1。物理(wùlǐ)意義：在數值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率。K值越大，則單位傳熱面積所傳遞的熱量就越多。當間壁為復合壁時2．當傳熱面為圓筒壁時，兩側(liǎnɡcè)的傳熱面積不等，則：——對數平均面積精品資料——對數平均(píngjūn)半徑，當r2/r1≤2時——算術平均半徑(bànjìng)

當圓筒壁厚度不大時（薄壁），r1≈r2≈rm

（平面壁）精品資料傳熱總系數K表示傳熱壁面兩側傳熱溫差為1K時，單位(dānwèi)時間通過1m2傳熱面積傳遞的熱量。由可知2－4.2傳熱(chuánrè)總系數當以外管表面積A2為基準時：當以內管表面積A1為基準時：以平均傳熱面積Am為基準時：精品資料

可見(kějiàn)，圓筒壁換熱器K值與傳熱面積有關，K1≠K2≠Km但K1A1=K2A2=KmAm（∵?t相同）當A1=A2=Am時，換熱變成平面壁換熱若傳熱壁面是新的，且壁面本身(běnshēn)熱阻較小，則δ∕λ可忽略∴在傳熱過程中，要提高K值，應設法提高α值最小的一項，才會有顯著的效果，才對傳熱更有利。精品資料

2－4.3熱負荷(fùhè)計算流體溫度變化(biànhuà)所放出或吸收的熱量稱為熱負荷。若忽略熱損失，則1、無相變的顯熱換熱（只有溫度變化引起的熱量交換）式中：Wh、Wc為熱、冷流體質量流量，kg/sCph、Cpc為熱、冷流體平均定壓比熱容，J/（kg·K）2、有相變的潛熱換熱（相變熱即為潛熱）如飽和蒸氣冷凝成100℃的水：式中：Wh為飽和蒸氣的冷凝速率，kg/sr為飽和蒸氣的冷凝潛熱，J/kg精品資料2－4.4傳熱度(rèdù)溫差1.定態恒溫傳熱(chuánrè)的傳熱(chuánrè)溫差：

兩種流體進行熱交換時，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時間兩種流體的溫度皆不變化，這種傳熱稱為穩定的恒溫傳熱。如蒸發器中，間壁的一側是飽和水蒸汽在一定溫度下冷凝，另一側是液體在一定溫度下沸騰，兩側流體溫度沿傳熱面無變化，兩流體的溫度差亦處處相等，可表示為

Δtm=T-t式中T—熱流體的溫度℃；

t---冷流體的溫度℃。精品資料2.變溫傳熱(chuánrè)溫度差傳熱溫度差隨位置而改變的傳熱。在傳熱過程中，間壁一側或兩側的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時溫度不同，但各點的溫度皆不隨時間(shíjiān)而變化，即為穩定的變溫傳熱過程。一側變溫兩側變溫精品資料

流動(liúdòng)形式并流

：逆流(nìliú)：錯流

：折流

：兩流體平行而同向的流動

兩流體平行而反向的流動

兩流體垂直交叉的流動

一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復折流

對于間壁兩側都變溫的傳熱過程，平均溫度差隨著換熱器內流體流向的不同而不同。精品資料變溫時逆流和并流的傳熱(chuánrè)溫差換熱器（1）：在穩定情況(qíngkuàng)下操作,內管走冷流體,溫度由t1升到t2,套管環隙走熱流體,溫度由T1降到T2，兩流體以相反方向流動。-------逆流以兩個套管式換熱器為例，研究Δt的變化

（1）精品資料換熱器（2）：內管走的冷流體溫度由t1升到t2，環隙熱流體溫度由T1降到T2，只是(zhǐshì)兩流體的流向相同。------并流（2）我們分別求它們的平均溫度差:⑴算術平均值:△t=(△t1+△t2)/2逆流時:△t1=T1—t2;△t2=T2—t1;并流時:△t1=T1—t1;△t2=T2—t2;算術平均值只有(zhǐyǒu)當△t1/△t2≦2時才能適用,這時誤差小于4%精品資料(2)對數平均溫度差;當△t1/△t2>2時,要用對數平均溫度差,才能比較確切地反映溫度變化(biànhuà)的實際情況。其計算式為：推導：假設熱交換器沒有熱損失，在穩定傳熱時，傳熱速率(sùlǜ)不隨溫度而變化，也就是：=常數——進口處的溫差。——出口處的溫差。精品資料＝mc△t＝常數(chángshù)由于在流動中，流體的質量m，和熱容c均不發生改變(gǎibiàn)，所以對熱流體：q＝－m’c’（Ｔ２－Ｔ１）對于冷流體：q＝m”c”（t２－t１）上式說明傳熱速率與熱流體及冷流體溫度之間的關系是直線關系，以△t＝Ｔ－t代表一截面上冷熱流體的溫度差，則q與△t之間也成線性關系精品資料由于(yóuyú)代入上式：整理(zhěnglǐ)得到：將上式積分得到：精品資料——對數(duìshù)平均溫度差逆流T1t1T2t2Δt1Δt2并流T1t2T2t1Δt1Δt2精品資料注意：在應用對數(duìshù)平均溫度差計算式時，通常將換熱器兩端溫度差△t中數值小的寫成△t2，大的寫成△t1，可以計算較為方便。當時，可用算術平均溫度差代替對數平均溫度差。

精品資料例：在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進口溫度(wēndù)15℃，出口溫度(wēndù)30℃，試求在這種溫度(wēndù)條件下，逆流和并流的平均溫度(wēndù)差。解：熱流體(liútǐ)：冷流體：逆流時：7025精品資料并流時：熱流體(liútǐ)：冷流體(liútǐ)：8510結論：在相同條件下，

精品資料

3.流體流向(liúxiànɡ)的選擇（1）從平均(píngjūn)溫度差考慮假定，T1、T2、t1、t2、q、K均為定值（2）從載熱介質的用量考慮，達到同一傳熱效果（加熱或冷卻），逆流比并流所用載熱介質要少。

由于根據

知

換熱面積小，設備就小。精品資料在并流和逆流時，雖然兩流體的進、出口溫度不變，但逆流時的Δtm比并流的大。因此在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數K值相同的條件下，采用逆流操作，可以節省傳熱面積。

逆流的另一優點是節省加熱介質或冷卻介質的用量。例如，將一定流量的冷流體從20℃加熱到60℃，而熱流體的進口(jìnkǒu)溫度為90℃，出口溫度不作規定。此時，采用逆流時，熱流體的出口溫度可以降至接近20℃，而采用并流時，則只能降至接近于60℃。這樣，逆流時加熱介質用量就較并流時的為少。

由以上分析可知，逆流優于并流，因而工業生產中換熱器多采用逆流操作。但并不是說逆流處處比并流優越，并流初期傳熱速率大，后期小，對于粘稠冷液體的加熱，若采用并流，使其在進入換熱器后迅速提高溫度，降低粘度，有利于提高傳熱效果。另外，并流容易控制加熱或冷卻的溫度。精品資料強化傳熱的目的(mùdì)是以最小的傳熱設備獲得最大的生產能力。1）增大傳熱面積A。實踐中換熱管可加裝翅片或改用螺旋翅片管2）增大傳熱推動力Δtm。當工藝條件確定后，Δtm只能通過采用逆流操作方式來加以提高。3）提高總傳熱系數K——減少傳熱阻力(zǔlì)減少壁厚或使用導熱系數較大的材料；防止污垢形成或經常清除污垢；加大流速，提高湍動程度，減少層流底層的厚度等均有利于提高對流傳熱系數。強化傳熱途徑有：4－4.3強化傳熱的途徑

提高方程式右邊任何一項，均可達到提高換熱器傳熱能力的目的，但究竟哪一個環節是傳熱的控制步驟，則需要具體問題作具體分析，只有針對傳熱過程的薄弱環節采取強化措施，才能收到預期的效果。精品資料§2－6

列管式換熱器熱交換器也稱換熱器，是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位(dìwèi)。