内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 第五章 传热 Teat Transfer 第一节 概述 Generalization 5—1 传热的基本概念 The Basic Concepts of Heat Transfer 传热(heat transfer 或 heat transmission)过程即热量传递过 程。在化工生产过程中，几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定 的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器 前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收 或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作， 如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有 热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许多设备或管道在高温或 低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少 热量损失，则需要保温（或隔热）；近十多年来，随着能源价格的不断 上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以 上所讲到的情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过 程具有相当重要的地位。 There are Two Kinds of Problem encountered in practice of chemical engineering production. 化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类： 1
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 第五章 传热 Teat Transfer 第一节 概述 Generalization 5—1 传热的基本概念 The Basic Concepts of Heat Transfer 传热(heat transfer 或 heat transmission)过程即热量传递过 程。在化工生产过程中，几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定 的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器 前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收 或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作， 如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有 热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许多设备或管道在高温或 低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少 热量损失，则需要保温（或隔热）；近十多年来，随着能源价格的不断 上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以 上所讲到的情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过 程具有相当重要的地位。 There are Two Kinds of Problem encountered in practice of chemical engineering production. 化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类： 1
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 z Higher rate of Heat transfer required 一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完 成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用； z Insulation of Heat 另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热 等，则要求传热速率越低越好。我们学习传热的目的，主要是能 够分析影响传热速率的因素，掌握控制热量传递速率的一般规 律，以便能根据生产的要求来强化和削弱热量的传递，正确地选 择适宜的传热设备和保温（隔热）方法。 本章主要讨论热量从高温向低温稳定地自发进行传递的过程。 1、传热基本方式 The Basic Modes of Heat Transfer 热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输 入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给 温度较低的部分，或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根 据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导(conduction)、对 流(convection)和辐射(radiation)。 热传导 Conductive Heat Transfer 2
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 z Higher rate of Heat transfer required 一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完 成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用； z Insulation of Heat 另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热 等，则要求传热速率越低越好。我们学习传热的目的，主要是能 够分析影响传热速率的因素，掌握控制热量传递速率的一般规 律，以便能根据生产的要求来强化和削弱热量的传递，正确地选 择适宜的传热设备和保温（隔热）方法。 本章主要讨论热量从高温向低温稳定地自发进行传递的过程。 1、传热基本方式 The Basic Modes of Heat Transfer 热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输 入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给 温度较低的部分，或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根 据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导(conduction)、对 流(convection)和辐射(radiation)。 热传导 Conductive Heat Transfer 2
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 定义：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异 时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将 能量的一部分传给后者，藉此，热能就从物体的温度较高部分传到 温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。又称导热。 特点：在热传导过程中，没有物质的宏观位移。 Characteristics:There is no macro displacement during the heat transfer. 对流传热 Convective Heat Transfer 定义（definition）：流体质点的位移和混合，将热能从一处传 到另一处。 特点：质点位移 举例：工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流。 分类： ①强制对流（forced convection） 流体的运动是由于受到外力的作用（风机、泵等）所引起 The Movement of the fluid is caused by fan and pumps. 3
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 定义：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异 时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将 能量的一部分传给后者，藉此，热能就从物体的温度较高部分传到 温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。又称导热。 特点：在热传导过程中，没有物质的宏观位移。 Characteristics:There is no macro displacement during the heat transfer. 对流传热 Convective Heat Transfer 定义（definition）：流体质点的位移和混合，将热能从一处传 到另一处。 特点：质点位移 举例：工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流。 分类： ①强制对流（forced convection） 流体的运动是由于受到外力的作用（风机、泵等）所引起 The Movement of the fluid is caused by fan and pumps. 3
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 ②自然对流（natural convection） 流体内部冷、热部分的密度不同而引起。It is caused by the density difference between the part of hot fluid and part of the cold fluid. （1） 辐射传热 Radiative Heat Transfer 定义（definition）：the radiation is a process that the heat transfer is by means of the electromagnetic wave. 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只要其绝 对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能 不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分 或全部接受后，又重新转变为热能。这种传递热能的方式称为辐 射或热辐射。 特点：没有媒介 The characteristics of the heat radiation is that there is no medium. 实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的。 如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁(如管壁) 传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行。 In practice, none of these three modes of heat transfer exists independently. 4
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 ②自然对流（natural convection） 流体内部冷、热部分的密度不同而引起。It is caused by the density difference between the part of hot fluid and part of the cold fluid. （1） 辐射传热 Radiative Heat Transfer 定义（definition）：the radiation is a process that the heat transfer is by means of the electromagnetic wave. 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只要其绝 对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能 不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分 或全部接受后，又重新转变为热能。这种传递热能的方式称为辐 射或热辐射。 特点：没有媒介 The characteristics of the heat radiation is that there is no medium. 实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的。 如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁(如管壁) 传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行。 In practice, none of these three modes of heat transfer exists independently. 4
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 2、稳态传热和非稳态传热 Steady and Unsteady Heat Transfer 非稳态传热：T = f (x, y,z,t) The temperature of each point in the system varies with both it’s position and time 传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。 稳态传热：T = f (x, y,z) The temperature of each point in the system varies only with both it’s position. 在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传 热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态 传热。 3、热流量和热阻 Rate of Heat Flow and Heat Resistance 热流量：the quantity of heat transferred per unit time 单位时间的传热量。 dt dQ Φ = （5—1） Φ—热流量，W（J/s） Q—热量，J t—时间，s。 5
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 2、稳态传热和非稳态传热 Steady and Unsteady Heat Transfer 非稳态传热：T = f (x, y,z,t) The temperature of each point in the system varies with both it’s position and time 传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。 稳态传热：T = f (x, y,z) The temperature of each point in the system varies only with both it’s position. 在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传 热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态 传热。 3、热流量和热阻 Rate of Heat Flow and Heat Resistance 热流量：the quantity of heat transferred per unit time 单位时间的传热量。 dt dQ Φ = （5—1） Φ—热流量，W（J/s） Q—热量，J t—时间，s。 5
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 q—热流密度：单位时间单位面积的传热量。Js-1m -2 A dt dQ q ⋅ = （5—2） A—传热面积，m 2 热阻：同其他传递过程一样，传热过程的速率与推动力成正比， 与热阻成反比。即： R ∆t = = 传热阻力 传热推动力 传热速率 （5—3） It’s similar to Ohm’s Law in Electronics 4、换热器的热负荷计算 The Heat Load Calculation of the heat Exchanger 热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量 Heat Load is the quantity of heat which is absorbed in or given out for required temperature variation in production. 换热器中冷、热两流体进行热交换，则根据能量守恒原理，热流 体放出的热量Φ1必等于冷流体吸收的热量Φ2与热损失ΦL之和， 即：Φ1=Φ2+ΦL， （5—4） 若忽略热损失， ，称此为热量衡算式。热量衡算式与传 热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷 Φ1 = Φ2 6
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 q—热流密度：单位时间单位面积的传热量。Js-1m -2 A dt dQ q ⋅ = （5—2） A—传热面积，m 2 热阻：同其他传递过程一样，传热过程的速率与推动力成正比， 与热阻成反比。即： R ∆t = = 传热阻力 传热推动力 传热速率 （5—3） It’s similar to Ohm’s Law in Electronics 4、换热器的热负荷计算 The Heat Load Calculation of the heat Exchanger 热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量 Heat Load is the quantity of heat which is absorbed in or given out for required temperature variation in production. 换热器中冷、热两流体进行热交换，则根据能量守恒原理，热流 体放出的热量Φ1必等于冷流体吸收的热量Φ2与热损失ΦL之和， 即：Φ1=Φ2+ΦL， （5—4） 若忽略热损失， ，称此为热量衡算式。热量衡算式与传 热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷 Φ1 = Φ2 6
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。 （1） 无相变化时热负荷计算 Heat Load calculation in the case of non-phase-change ①．比热法( method of specific heat) 当物质与外界交换热 量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒 压条件下，单位质量的物质升高 1℃所需的热量，称为定压比热或定 压热容。以符号 cp表示，单位为 kJ/kg·K(或 kJ/kg·℃)。 如图 4-3 所示，在换热器中用冷流体使质量为 G1的热流体由温度 T1降至 T2，其热负荷可用下式计算 ( ) （5—5） 1 1 1 2 1 Φ = G c p T − T Cp—比热容 （Specific Heat） J/（kg.K）。 对于纯物质可查表或用经验公式计算。 对于食品混和物：可用下述经验公式计算： cp=1.424wc+1.549wp+1.675wf+0.837wa+4.187ww （5—6） The meaning of the suffixes in the formulae above are as follows: c—carbohydrate; p—protein; f—fat; a—ash; w—water 7
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。 （1） 无相变化时热负荷计算 Heat Load calculation in the case of non-phase-change ①．比热法( method of specific heat) 当物质与外界交换热 量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒 压条件下，单位质量的物质升高 1℃所需的热量，称为定压比热或定 压热容。以符号 cp表示，单位为 kJ/kg·K(或 kJ/kg·℃)。 如图 4-3 所示，在换热器中用冷流体使质量为 G1的热流体由温度 T1降至 T2，其热负荷可用下式计算 ( ) （5—5） 1 1 1 2 1 Φ = G c p T − T Cp—比热容 （Specific Heat） J/（kg.K）。 对于纯物质可查表或用经验公式计算。 对于食品混和物：可用下述经验公式计算： cp=1.424wc+1.549wp+1.675wf+0.837wa+4.187ww （5—6） The meaning of the suffixes in the formulae above are as follows: c—carbohydrate; p—protein; f—fat; a—ash; w—water 7
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 For meat products with moisture in the range of 26 % to 100% and moisture content and fruit juices with moisture content great than 50%, the following empirical formula can be used to evaluate the specific heat. Cp=1.657+0.025w J/(kg.K) （5—7） ② 热焓法（Method of enthalpy） 热焓也称为焓。当物系的内能 为 U，压力为 P，体积为 V 时，焓的定义为 I = U + PV 由于 U、P 及 V 为物系的状态函数，所以 I 也是状态函数，单位 为 kJ/kg。由热力学得知，在恒压条件下，物系与外界交换的热量与 物系的始态与终态的焓差相等，即 ( 1 2 Φ = G I − I ) 式中 I1-物系始态的焓，kJ/kg； I2-物系终态的焓，kJ/kg。 （2） 有相变化时热负荷计算 Heat Load Calculation in the case of phase change 当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计 算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸 腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算 Φ = G ⋅r 式中 r 为液体汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为 kJ/kg。潜热等于 8
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 For meat products with moisture in the range of 26 % to 100% and moisture content and fruit juices with moisture content great than 50%, the following empirical formula can be used to evaluate the specific heat. Cp=1.657+0.025w J/(kg.K) （5—7） ② 热焓法（Method of enthalpy） 热焓也称为焓。当物系的内能 为 U，压力为 P，体积为 V 时，焓的定义为 I = U + PV 由于 U、P 及 V 为物系的状态函数，所以 I 也是状态函数，单位 为 kJ/kg。由热力学得知，在恒压条件下，物系与外界交换的热量与 物系的始态与终态的焓差相等，即 ( 1 2 Φ = G I − I ) 式中 I1-物系始态的焓，kJ/kg； I2-物系终态的焓，kJ/kg。 （2） 有相变化时热负荷计算 Heat Load Calculation in the case of phase change 当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计 算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸 腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算 Φ = G ⋅r 式中 r 为液体汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为 kJ/kg。潜热等于 8
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。在传热过程中有时还会遇到 象升华与凝结、熔融与凝固等，则 r 取相应过程的相变潜热计算。 此外，在传热过程中还会遇到象有化学反应、吸收与解 、溶解与结 晶等等有热效应的过程，在进行热负荷计算时还必须考虑到这部分热 量。 应当提起注意的是：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能 力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力， 是换热器本身的特性，可见两者不同。 但对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率值必须 等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率与 热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具 有的传热速率，再依此传热速率计算换热器所需的传热面积。 例 5-1 试计算压力为 147.1kN/m2 ，流量为 1500kg/h 的饱和水蒸汽 冷凝后并降温至 50℃时所放出的热量。 解 此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二 是水温降至 50℃时所放出的显热。 蒸汽冷凝成水所放出的热量为Φ1 查水蒸汽表得：p=147.1N/下的水的饱和温度 ts=110.7℃；汽化潜热 r=2230.1kJ/kg Φ = G ⋅r =1500/3600*2230.1 1 1 =929kJ/s=929kW 水由 110.7℃降温至 50℃时放出的热量 Q2 9
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。在传热过程中有时还会遇到 象升华与凝结、熔融与凝固等，则 r 取相应过程的相变潜热计算。 此外，在传热过程中还会遇到象有化学反应、吸收与解 、溶解与结 晶等等有热效应的过程，在进行热负荷计算时还必须考虑到这部分热 量。 应当提起注意的是：热负荷是由工艺条件决定的，是对换热器换热能 力的要求；而传热速率是换热器本身在一定操作条件下的换热能力， 是换热器本身的特性，可见两者不同。 但对于一个能满足工艺要求的换热器而言，其传热速率值必须 等于或略大于热负荷值。而在实际设计换热器时，通常将传热速率与 热负荷在数值上视为相等，所以通过热负荷计算可确定换热器所应具 有的传热速率，再依此传热速率计算换热器所需的传热面积。 例 5-1 试计算压力为 147.1kN/m2 ，流量为 1500kg/h 的饱和水蒸汽 冷凝后并降温至 50℃时所放出的热量。 解 此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二 是水温降至 50℃时所放出的显热。 蒸汽冷凝成水所放出的热量为Φ1 查水蒸汽表得：p=147.1N/下的水的饱和温度 ts=110.7℃；汽化潜热 r=2230.1kJ/kg Φ = G ⋅r =1500/3600*2230.1 1 1 =929kJ/s=929kW 水由 110.7℃降温至 50℃时放出的热量 Q2 9
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 平均温度 t=(110.7+50)/2 =80.4℃ 80.4℃时水的比热 cp=4.195kJ/kg·℃ Φ ( ) 2 1 1 G c t t = p s − =1500/3600*4.195*(110.7-50) =106kJ/s =106kW 共放出热量Φ Φ =929+106=1035kW = Φ1 + Φ2 用焓差法计算 查水蒸汽表得： p=147.1kN/m2 下饱和水蒸汽的焓 I=2694.43kJ/kg；50℃水的焓 i=209.34kJ/kg 饱和水蒸汽冷凝后并降温至 50℃放出的热量 Φ = G ( ) I − i 1 =1500/3600*(2694.43-209.34)=1035.5kW 10
内蒙古农业大学食品科学与工程学院《食品工程原理》讲稿 CH5-§1 平均温度 t=(110.7+50)/2 =80.4℃ 80.4℃时水的比热 cp=4.195kJ/kg·℃ Φ ( ) 2 1 1 G c t t = p s − =1500/3600*4.195*(110.7-50) =106kJ/s =106kW 共放出热量Φ Φ =929+106=1035kW = Φ1 + Φ2 用焓差法计算 查水蒸汽表得： p=147.1kN/m2 下饱和水蒸汽的焓 I=2694.43kJ/kg；50℃水的焓 i=209.34kJ/kg 饱和水蒸汽冷凝后并降温至 50℃放出的热量 Φ = G ( ) I − i 1 =1500/3600*(2694.43-209.34)=1035.5kW 10