第五章传热过程基础 51传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程, 称为热量的传递,简称传热。根据热力学第二定律,只要 有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处,因此传 热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象 5.1.1传热在化工生产中的应用8 化学工业与传热问题更为密切,无论是化学反应过程,还 是物理性操作过程,^几乎都伴有热量的引入或导出。因此, 传热是重要的化工单元操作之一,其应用主要包括以下几 方面: a11.加热或冷却流体,符合化学反应或单元操作的需要 Y POLYTE 2.对设备或管道进行保温、隔热,以减少热量(或冷量)损 失 3合理使用热源,进行热量的综合回收利用。1 2021年2月23日 OLYECHNIC UNIV 1/94
2021年2月23日 1/94 第五章 传热过程基础 5.1 传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程， 称为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要 有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，因此传 热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象。 5.1.1 传热在化工生产中的应用 化学工业与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还 是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此， 传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几 1.加热或冷却流体， 2.对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量(或冷量)损 失。 3.合理使用热源，进行热量的综合回收利用
eo512传热的基本方式 TECHN MONGOLIA 根据传热的机理不同,传热分为三种基本方式 5121.热传导(导热) MONGOL 定义:热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部 分,或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传 递现象 特点: INNER MIONGON √由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递,在传热方 向上无物质的宏观位移。 存在于固体、静止流体及滞流流体中。y VI O ZLISEAIN MONGOL IA 发生热传导的条件是有温度差存在,其结果是热量从高温 部分传向低温部分 NER MCNGOL IA 2021年2月23日 OLYTECHNIC UNIVERS 2/94
2021年2月23日 2/94 5.1.2 传热的基本方式 根据传热的机理不同， 5.1.2.1.热传导(导热) 定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部 分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传 递现象。 特点： ✓由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方 向上无物质的宏观位移。 ✓存在于固体、静止流体及滞流流体中。 发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温 部分传向低温部分
TECHN 从微观角度看,气体、液体、导电固体和非导电固体的机 理各不相同。八 气体:是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气 体分子的动能与其温度有关,高温区的分子运动速度比低 温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相 互碰撞的结果,热量就由高温区传递到低温区o 导电固体:有许多的自由分子在晶格之间运动,正如这些 自由电子能传导电能一样,它们也能将热量从高温处传递 到低温区。 在其平衡位置附近的振动)米实现的。物体中温度较高部分 1的分子,因振动而与相邻的分子相碰撞,并将热能的一部 分传递给后者。 R 般,通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递 的热量少,这就是良好的导电体也是良好导热体的原因 2021年2月23日 OLYTECHNIC UNIVE 3/94
2021年2月23日 3/94 从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机 理各不相同。 ✓气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气 体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低 温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相 互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。 ✓导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些 自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递 到低温区。 ✓非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子 在其平衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分 的分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部 分传递给后者。 一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递 的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因
TECHN 液体:着 INNER MONGOL IA 令一种观点认为它定性地和气体类似,只是液体分子间 的距离比较近,分子间的作用力对碰撞过程的影响比C 气体大得多,因而更复杂。》 POLYTECH ☆另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体,即主 要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动,只是振 动的平衡位置间歇地发生移动。 总的来说,关于导热过程的微观机理,目前仍不很清楚。 本章只讨论导热现象的宏观规律 INNER MONGOL IA OLYTECHNIC UNIVERSITY POLYTECHNIC 2021年2月23日 4/94
2021年2月23日 4/94 ✓液体： ❖一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间 的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比 气体大得多，因而更复杂。 ❖另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主 要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振 动的平衡位置间歇地发生移动。 总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。 本章只讨论导热现象的宏观规律
0512.对流对流)守 TECHN R MONGOLIA 定义:由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点: √流体各部分间产生相对位移》大 热对流只发生在流体中。 INNER MONGOL 产生对流的原因 NER MONGOL √由于流体内部温度不同形成密度的差异,在浮力的作用下 产生流体质点的相对位移,使轻者上浮,重者下沉,称为 自然对流:c 由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动,0 称为强制对流 RSITY R CECHNIC 流动的原因不同,热对流的规律也不同。在强制对流的同 时常常伴随有自然对流。 2021年2月23日 OLYTECHN 5/94
2021年2月23日 5/94 5.1.2.2.热对流(对流) 定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点： ✓热对流只发生在流体中。 ✓流体各部分间产生相对位移 产生对流的原因 ✓由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下 产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为 自然对流； ✓由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动， 称为强制对流。 流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同 时常常伴随有自然对流
TECHN R MONGOLIA 化生产中,常過到的并非是单纯的热对流方式,而1 用的传热过程,即热由流体传递到固体表面(或反之的 过程,通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠 流体主体中则主要依靠对流方式传热。热,而在 近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式 可见,对流传热与流体流动状况密切相关。 MONGOL IA 虽然热对流是一种基本的传热方式,但由于热对流总1R 1伴随热传导,要将二者分开处理是困难的。因此二般 不讨论单纯热对流,而着重讨论具有实际意义的对流 传热。 OLYTECHNIC UNIVERSITY POLYTECHNI 2021年2月23日 6/94
2021年2月23日 6/94 化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而 是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作 用的传热过程，即热由流体传递到固体表面(或反之)的 过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠 近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在 流体主体中则主要依靠对流方式传热。 可见，对流传热与流体流动状况密切相关。 虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对流总 伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般 不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流 传热
o5.1.23热辐射 TECHN 定义:因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。 自然界中一切物体都在不停地发射辐射能,同时又不断地 吸收来自其它物体的辐射能,并将其转化为热能。物体之 间相互辐射和吸收能量的总结果,称为辐射传热。由于高 温物体发射的能量比吸收的多,而低温物体则相反,从而 INNER MONGOL IA 使净热量从高温物体传递向低温物体 可在真空中传播 POL YTECHNIC UNIVERSITY √能量传递同时伴随有能量的转换 在何物体只要在绝对零度以上,都能发射辐射能,但是只NR 有在物体温度较高时,热辐射才能成为主要的传热方式 VI O AUISCHAIN R MONGOL 实际进行的传热过程,往往不是上述三种基本方式单独出 现,而是两种或三种传热的组合,而又以其中一种或两种 方式为主。 2021年2月23日 OLYTECHNIC UNIVERS 794
2021年2月23日 7/94 5.1.2.3.热辐射 定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。 自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地 吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之 间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高 温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而 使净热量从高温物体传递向低温物体。 特点： ✓可在真空中传播 ✓能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只 有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。 实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出 现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种 方式为主
POLYTECHNIC TECHN 51.3典型的传热设备 NN正 R MONGOLIA 实现两流体换热过程的设备称为换热器 化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热MOL 流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程 OLYTECHNIC IN 热流体冷流体 R 冷、热流体被间壁隔开,它们分 别在壁面两侧流动。此壁面即构 成间壁式换热器。热由热流体以 对流方式传递到壁面一侧,通过 热流 1间壁的导热,在由壁面另一侧以 方向 对流形式传递到冷流体 INNER MO B 110对流导热对流 2021年2月23日 8/94
2021年2月23日 8/94 5.1.3 典型的传热设备 实现两流体换热过程的设备称为换热器 化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热 流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程。 热流 方向 间 壁 热流体 冷流体 对流 导热 对流 冷、热流体被间壁隔开，它们分 别在壁面两侧流动。此壁面即构 成间壁式换热器。热由热流体以 对流方式传递到壁面一侧，通过 间壁的导热，在由壁面另一侧以 对流形式传递到冷流体
TECHN 现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理 1.套管式换热器 INER MONGO 由直径不同的两根圆管组成的同 心套管。一种流体在内管中流动 另一种流体在套管的环隙中流动 s两流体是通过内管壁面进行换煮 每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列,固定在 管架上。若所需传热面积较大,则可用数排并列,各排均 与总管连接而并联使用。 优点:采用标准管子与管件。构造简单,加工方便,排数和R 程数伸缩性大,可距需要增减。适当地选择内、外管的直径, 可使两种流体都达到较高流速,从而提高传热系数;两流体 可始终以逆流方向流动,平均温度差最大。 缺点:接头多易泄漏,占地面积大,单位面积消耗金属量大。 传热面积:S=dLRw 2021年2月23日 OLYTECHN 9/94
2021年2月23日 9/94 现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理 1.套管式换热器 由直径不同的两根圆管组成的同 心套管。一种流体在内管中流动， 另一种流体在套管的环隙中流动， 两流体是通过内管壁面进行换热。 每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列，固定在 管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均 与总管连接而并联使用。 优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和 程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径， 可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体 可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。 缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。 传热面积：S=πdL
o2.列管式换热器 2 为了改变套管式换热器传热。3 面积小,设备不紧凑的状况, 常将若干细管组成的管束放 在一大的外管中,这种换热 器称为列管式换热器。 组成:壳体、管束、管板和封头等部分 种流体由封头的进口管进入,流经封头与管板的空间分配 至各管内,从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳 体的接管流入,在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面 与管束内流体换热,然后从壳体的另一端接管排出。为增加 流体湍动程度,通常壳体内安装若干与管束垂直的折流档板 流体流经管束的过程,称为流经管程,将该流体称为管程 管方)流体; OLYTECH 流体流经壳体环隙的过程,称为流经壳程,将该流体称为壳 2021年2月23日 YTECHNIC UN 程(壳方)流体 10/94
2021年2月23日 10/94 2.列管式换热器 为了改变套管式换热器传热 面积小，设备不紧凑的状况， 常将若干细管组成的管束放 在一大的外管中，这种换热 器称为列管式换热器 。 组成：壳体、管束、管板和封头等部分。 一种流体由封头的进口管进入，流经封头与管板的空间分配 至各管内，从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳 体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面 与管束内流体换热，然后从壳体的另一端接管排出。为增加 流体湍动程度，通常壳体内安装若干与管束垂直的折流档板。 流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程 (管方)流体； 流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳 程(壳方)流体