§5传热 动量传递 热量传递 质量传递 §51概述 传热在化工生产中的地位 传热是化学工程技术中的重要的基础学科。 (1)强化传热~加热与冷却; (2)弱传热~保温; (3)工业中传递热量形式 显热~无相变传热→加热与冷却 潜热~相变传热→>沸腾与冷凝 化工原理 第五章传热 1/102
化工原理 第五章 传 热 1/102 §5.1 概述 一.传热在化工生产中的地位 传热是化学工程技术中的重要的基础学科。 (1)强化传热～加热与冷却； (2)削弱传热～保温； (3)工业中传递热量形式 显热～无相变传热 →加热与冷却 潜热～相变传热 →沸腾与冷凝 ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ 质量传递 热量传递 §5 传 热 动量传递
二.传热的基本方式 1.热传导:微观粒子的热运动及相互碰撞传递热量。(微观热运动) 固体「金属——自由电子 非金属—原子振动 液体-分子的碰撞,波形传播 气体--分子热运动 2.热对流:流体质点的相对位移引起的热量传递。(宏观运动) 对流传热只能发生在流体中。 3.热辐射:通过电磁波传递热量。不仅是能量的传递,还伴随着 量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介,可以在真空 中传播。 热传导中介质无相对运动,各质点仅与相邻质点联系;热对流中介质有相 对运动;热辐射中不需介质。 化工原理 第五章传热 2/102
化工原理 第五章 传 热 2/102 二.传热的基本方式 1.热传导：微观粒子的热运动及相互碰撞传递热量。（微观热运动 ） 固体 金 属----自由电子 非金属----原子振动 液体-----分子的碰撞，波形传播 气体-----分子热运动 2.热对流：流体质点的相对位移引起的热量传递。 （宏观运动） 对流传热只能发生在流体中。 3.热辐射：通过电磁波传递热量。不仅是能量的传递，还伴随着 能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空 中传播。 热传导中介质无相对运动，各质点仅与相邻质点联系；热对流中介质有相 对运动；热辐射中不需介质
流体 固体壁面 或流体 固体壁面 由于流体内部存在温度差,形成流体的密度差,从而使 对流自然对流流体徽团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的 传热 循环流动 强制对流将外力(泵或搅拌器)施加于流体上,从而促使流体 微团发生运动 对流传热速率由牛顿冷却定律描述 dQ=a△tdS (微分式) 其中dQ一通过传热面积dS的局部对流传热速率,W; ds--微元传热面积,m2; △t一—流体与固体壁面的温差,K,℃; a—-对流传热系数,也称给热系数、膜系数, Wm2.℃-1 化工原理 第五章传热 3/102
化工原理 第五章 传 热 3/102 对流传热速率由牛顿冷却定律描述： dQ=αΔt dS （微分式） 其中 dQ---通过传热面积dS的局部对流传热速率，W； dS---微元传热面积，㎡； Δt----流体与固体壁面的温差，K,℃； α---对流传热系数，也称给热系数、膜系数， W·m-2·℃-1 流体 Q 固体壁面 或 流体 固体壁面 强制对流 对流 自然对流 传热 将外力（泵或搅拌器）施加于流体上，从而促使流体 微团发生运动. 由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使 流体微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的 循环流动
三.两种流体热交换的基本方式 1.直接接触式换热~冷热流体直接混合; 凉水塔、直接蒸汽加热、急冷过程 2.蓄热式换热~利用热容较大的物体储存热量,然后与需要加 热的流体接触换热。 沙子炉裂解、蓄热式裂解、甲烷转化反应(中、小型工 厂,较早的工艺过程) 3.间壁式换热 冷热两种流体被固体壁面隔开,在固体壁面两侧流动,通过 壁面传热。 热溶液进 (1)套管换热器 冷溶液进 HVEAUEA 冷溶液出 种流体(如热流体) 流过环隙T1→T 热溶液出 化工原理 第五章传热 4/102
化工原理 第五章 传 热 4/102 3.间壁式换热 冷热两种流体被固体壁面隔开，在固体壁面两侧流动，通过 壁面传热。 (1)套管换热器 一种流体（如热流体） 流过环隙 T 1 → T 2 三.两种流体热交换的基本方式 1.直接接触式换热～冷热流体直接混合； — 凉水塔、直接蒸汽加热、急冷过程 … 2.蓄热式换热～利用热容较大的物体储存热量，然后与需要加 热的流体接触换热。 — 沙子炉裂解、蓄热式裂解、甲烷转化反应（中、小型工 厂，较早的工艺过程） … 图2-1：套管换热器 冷溶液进 冷溶液出 热溶液进 热溶液出
另一流体(如冷流体)流过内管t1→t2 通过内管管壁传热 (2)列管换热器 结构~管束、壳体、管板、封头; 流程~管程与壳程。 四.载热体及其选择 图2-2:列管换热器 作为冷源和热源的流体称为载热体 1.操作温度与热源 (1)低温:40<T<100℃—热水;100<T<180℃—蒸汽加热, P <IMPa (2)中温:180<T<540℃—高温载热体—沸点高、化学性质稳定 化工原理 第五章传热 5/102
化工原理 第五章 传 热 5/102 另一流体（如冷流体）流过内管 t 1 → t 2 通过内管管壁传热 (2)列管换热器 • 结构～管束、壳体、管板、封头； • 流程～管程与壳程。 四.载热体及其选择 作为冷源和热源的流体称为载热体 图2-2：列管换热器 1.操作温度与热源 (1)低温：40＜T ＜ 100℃---热水；100＜T<180 ℃ —蒸汽加热, P V<1MPa (2)中温：180<T<540 ℃ —高温载热体 —沸点高、化学性质稳定
矿物油180~250℃ 联苯(俗称道生油)255~380℃ 熔盐142~530℃ 电热或烟道气500~1000℃ (3)高温:T>450℃一燃烧加热或烟道气加热 (4)电热一一般用于实验室或小型设备的加热—不经济的工业 加热方式 2.冷源 (1)低温-100℃<T<常温 节流膨胀 制冷机 冷冻盐水(-15℃) 第五章传热 6/102
化工原理 第五章 传 热 6/102 矿物油 180 ～250 ℃ 联苯（俗称道生油） 255 ～380 ℃ 熔盐 142 ～530 ℃ 电热或烟道气 500 ～1000 ℃ …… (3)高温：T>450 ℃ —燃烧加热或烟道气加热 (4)电热 —一般用于实验室或小型设备的加热 —不经济的工业 加热方式。 2.冷源 (1)低温— -100℃＜T＜常温 节流膨胀 制冷机 冷冻盐水 （-15℃）
(2)常温:(T<150℃) 〗河水、井水、海水(特殊地区) 循环水 空气 (3)若要冷却的流体具有较高温度-利用需要被加热的 工艺物料来换热——回收热量 化工原理 第五章传热 7/102
化工原理 第五章 传 热 7/102 (2)常温：(T<150 ℃ ) 河水、井水、海水 （特殊地区） 循环水 空气 (3)若要冷却的流体具有较高温度----利用需要被加热的 工艺物料来换热----回收热量
§52热传导 §521傅立叶定律 基本概念 1.传热速率Q:单位时间传递的热量,J/s 2.热通量q 单位传热面积的传热速率,J/m2s,矢量,方向为 传热面的法线方向 3.温度场、等温面和温度梯度 (1)温度场 物体内部温度在空间和时间上的分布,即温度场: T=f(x,y, z, t) 稳定温度场内部各点温度不随时间变化,称为稳定温度场: f(x, y, 2) 化工原理 第五章传热 8/102
化工原理 第五章 传 热 8/102 3.温度场、等温面和温度梯度 (1)温度场 物体内部温度在空间和时间上的分布，即温度场： T=f(x,y,z,t) 稳定温度场内部各点温度不随时间变化，称为稳定温度场： T=f(x,y,z) §5.2 热传导 §5.2.1 傅立叶定律 一、基本概念 1.传热速率 Q ： 2.热通量 q ： 单位时间传递的热量，J/s 单位传热面积的传热速率，J/m 2 s，矢量，方向为 传热面的法线方向
(2)等温面在温度场中,温度相同的各点组成的面称为等温 面 特征:两个不同的等温面不可能相交 空间上同一个点不能同时有两个不同温度值。 (3)温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率定义为温度梯度。 即 t+dt grad(t) an t t-dt 对于一维稳定温度场t=f(x),温度梯度为: dQ grad(t) d x 图5-1:温度梯度 化工原理 第五章传热 9/102
化工原理 第五章 传 热 9/102 (2)等温面 在温度场中，温度相同的各点组成的面称为等温 面。 特征：两个不同的等温面不可能相交 空间上同一个点不能同时有两个不同温度值。 (3)温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率定义为温度梯度。 即： 对于一维稳定温度场t=f(x), 温度梯度为： n t ∂ ∂ grad(t) = t+dt t t-dt n dQ dS dx dt grad(t) = 图5-1:温度梯度
傅立叶定律 在等温面上,取dS面积,单位时间通过dS的热量为dQ at at dQ∝-dS→lQ=-S 其中:负号一表示传热方向与温度梯度相反; λ—导热系数,W/mK或W/m℃ 1.导热系数 at ds (1)物性之一:与物质种类、热力学状态(T、P)有关 (2)物理意义:单位温度梯度下的热通量。导热系数表征物质 导热能力的大小,是分子热运动的宏观表现,是物性常数 故物质的λ越大,导热性能越好。 化工原理 第五章传热 10/102
化工原理 第五章 传 热 10/102 二、傅立叶定律 在 t等温面上，取dS面积，单位时间通过dS的热量为dQ： 其中：负号 —表示传热方向与温度梯度相反； λ —导热系数， W/mxK 或 W/mx℃ n t dSdQ n t dSdQ ∂ ∂ −=→ ∂ ∂ −∝ λ 1.导热系数 (1)物性之一：与物质种类、热力学状态（T、P）有关 (2)物理意义: 单位温度梯度下的热通量。导热系数表征物质 导热能力的大小，是分子热运动的宏观表现，是物性常数。 故物质的 λ越大，导热性能越好 。 n t dS dQ ∂ ∂ λ −=