闽南师范大学化学与环境学院

化工教研室 陈艳梅

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第1章 绪论

第3章 流体流动过程及流体输送设备

第4章 传热过程及换热器

第5章 传质过程及塔设备

第6章 工业化学反应过程及反应

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4.1.1 化工生产中的传热过程

4.1.2 传热的三种基本方式

4.1.3 间壁式换热器

4.1.1 化工生产中的传热过程

传热过程——系统内由于温度差异使热量从高温向低温转移的过程为热量传递过程，简称传热过程。

传热在化工中的重要性：

首先，传热过程为化工生产过程提供必要的温度条件，以保证过程的热量平衡，满足生产要求：

所有化学反应都要在一定温度下进行；

为满足工艺条件，须适当移走或供给热量；

许多设备和管道都在高温或低温下运行，因此需保温。

其次，传热过程是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施：能源价格上升，环保要求增加，热量合理利用和废热回收得到重视，节能是最有效的环保措施。

化工生产对传热的要求有两类：

（1）强化传热过程：在传热设备中，希望以高传热速率来进行热量传递，使物料快速达到指定温度或回收热量；同时使传热设备紧凑，节省设备费用。

（2）削弱传热过程：尽量避免设备的传热，如对高低温设备或管道进行保温，以减少热损失。

4.1.2 传热的三种基本方式

热量传递的基本方式有导热、对流和辐射传热三种。

(1)导热（简称热传导，传导传热）：热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的 温度较低的另一物体的过程。

特点：发生在相互接触的物质之间和物质内部，传热靠微观粒子运动而完成，无物质的宏观运动。

固体导热

导电体：主要通过自由电子的运动传递热量。

绝缘体：晶格的振动传递热量。

气体导热

气体的分子运动，高温分子与低温分子相互碰撞实现热量传递。

液体导热

介于气体和固体之间，其导热机理与气体导热相似，但因其分子间距离较小，分子间碰撞作用力影响很大，其机理比气体导热复杂。

(2)对流传热（简称热对流，给热）：流体粒子发生相对宏观位移和混合，热量由一处传至另一处的过程。

特点：发生在流体内部且流体有宏观位移。流体流过

流体的对流状态有两种：因流体内部各处温度不同造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；

另一是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。

(3)辐射传热（亦称热辐射）：是一种热量以电磁波形式传递的热传递方式。物体受热引起内部原子激发，

特点：不需要任何介质作媒介，可在真空中传播。

热辐射的电磁波波长主要位于0.38～100μm 波段内，属于可见光线和红外范围。任何物体只要在绝对零度以上都会发射电磁波形式的热射线。当物体的温度高于400℃才有明显的热辐射。

热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜，将被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，与物体表面的热分布场相对应。

通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

红外热像仪

稳态传热和非稳态传热

稳态传热：在传热系统中不累积能量（即输入的能量等于输出的能量）的传热过程。连续生产过程中的传热多为稳态传热。

特点：传热系统中温度分布不随时间而变，且传热速率在任何时间都为常数。

非稳态传热：传热系统中温度分布随时间而变化。工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的开工停工阶段，都为非稳态传热。

本章重点讨论稳态传热。

传热的三种基本方式？

导热、对流和辐射。

各自有什么特点？

(1)导热特点：发生在相互接触的物质之间和物质内部，传热靠微观粒子的运动而完成，无物质的宏观运动。

(2)对流传热：流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。其特点：发生在流体内部且流体有宏观位移。

(3)辐射传热（亦称热辐射）：体受热引起内部原子激发产生，热量以电磁波形式传递的热传递物。其特点：不需要任何介质作媒介，可在真空中传播。

换热器按用途却器可以分为：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器。

按冷热流体热交换原理和方式(P153)

混合式(直接接触式)

间壁式

蓄热式

4.1.3 间壁式换热器

间壁式换热器分类

间壁式换热器按结构分

管式

板式

套管式

列管式

蛇管式

翅片管式

夹套式

平板式

螺纹板式

板翅式

套管式换热器

优点：结构简单，加工方便。

缺点：结构不紧凑占地较大，金属消耗大，接头多而易漏。

用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。

结构：由不同直径的两根管子组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。

列管式换热器(管式换热器)

主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。

在管内流动的流体，其行程称为管程；在管外流动的流体，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。

优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，折流挡板提高壳程流体流速，使湍动程度大为增加。

翅片管换热器

特点：管外安装翅片，增加传热面积，增强管外流体的湍流程度从而提高传热系数。

蛇管式换热器

（1）沉浸式蛇管换热器

结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。

优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。

缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小。

为了强化传热，容器内加搅拌。

优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。

缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。

用途：用于冷却或冷凝管内液体。

结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。

(2) 喷淋式换热器

夹套式换热器

结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。

优点：结构简单，加工方便。

缺点：传热面积A小，传热效率低。

用途：广泛用于反应器的加热和冷却。

平板式换热器

优点：传热效率高，总传热系数大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。

缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。

板翅式换热器

板翅式换热器是一种传热效果好、结构更为紧凑的板式换热器。它是由多个单元体组成的，所谓的单元体是在两块平行的金属薄板之间夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封的结构。

优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。

缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。

逆流

错流

优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，A/V大，成本较低。

缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。

螺旋板式换热器

传热速率与热流密度

传热速率（热流量 ）Φ ：

单位时间内通过传热面的热量（dQ/dt），单位为W或kW。

表征换热器传热快慢的物理量。

热流密度（面积热流量 ） q ：

换热器传热性能的优劣一般用面积热流量q来评价，热流密度亦称面积热流量，指单位传热面积的热流量，单位为W · m-2。

4.2.3 单层及多层平面壁定常态热传导

4.2.4 单层和多层圆筒壁定常态热传导

4.2.1 傅立叶定律

4.2.2 导热系数

实验表明，单位时间通过该截面导热量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。

4.2.1 傅立叶定律

物两侧温差(t1-t2)，导热方式由高温向低温传递。单位时间通过该截面导热量？

上式称为傅立叶（Fourier）定律，是热传导基本方程。

4.2.2 导热系数

λ的物理意义：单位时间内，温度梯度为1K·m-1时，经过单位面积所传递的热量。

各种物质的导热系数的大致范围如下： 金属10～100 w/(m·K) 建筑材料 0.1～1 w/ /(m·K) 绝缘材料 0.01～0.1 w/ /(m·K) 液体 ～0.1w/ /(m·K) 气体 0.01～0.1 w/ /(m·K)

各物质热导率由实验测定，可从附录3~附录6、附录11或相关手册中查取。

某些固体在0～100℃时的平均导热系数

金属材料 建筑和绝缘材料

物料 密度kg/m3 λw/m℃ 物料 密度kg/m3 λw/m℃

铝 2700 204 石棉 600 0.15

紫铜 8000 65 混凝土 2300 1.28

黄铜 8500 93 绒毛毯 300 0.046

铜 8800 383 松木 600 0.14～0.38

铅 11400 35 建筑用砖砌 1700 0.7～0.8

钢 7850 45 耐火砖砌 1840 1.04

不锈钢 7900 17 绝热砖砌 600 0.12～0.12

铸铁 7500 45～90 85%氧化镁粉 216 0.07

银 10500 411 锯木屑 200 0.07

镍 8900 88 软木 160 0.043

固体的导热系数

纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，

金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。

非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。

液体的导热系数

在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，

绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。

气体的导热系数

气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。

气体的导热系数随温度升高而加大 。

在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小

注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。

4.2.3 单层及多层平面壁定常态热传导

（1）单层平面壁的热传导

分离变量并积分可得：

该式可改写成：

（2）多层平面壁的定常态热传导

定态导热时各层的传热速率为：

第一层

第二层

第三层

定态热传导时,各层截面的传热速率必相等，即 Φ1＝Φ 2 = Φ3= Φ ，则

另外，过程分析还可得：

传热推动力和传热阻力具有加和性

4.2.4 单层和多层圆筒壁定常态热传导

（1）单层圆筒壁的定常态热传导

仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：

分离变量积分：

——圆筒壁的导热热阻

这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式

当r2/r1≤2时可用算术平均值代替对数平均值。

（2）多层圆筒壁的热传导

与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：

例1

硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900℃，外壁面温度t5为80℃。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？已知：耐火砖λ1=1.05W·m-1·K-1，保温砖λ2=0.2W·m-1·K-1，石棉砖λ3=0.09W·m-1·K-1，钢壳λ4=40W·m-1·K-1。

解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：

耐火砖与保温砖的交界面温度t2为：

保温砖与石棉板的交界面温度t3为：

石棉板与钢壳的交界面温度t4为：

计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。

R1/A=0.219

R2/A=1.15

R3/A=0.556

R4/A=0.0025

ΔT1=93.2

ΔT2=489.2

ΔT3=236.4

ΔT4=1.1

例2：A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板(λ1=16W·m-1 ·K-1)，粘附内壁的污垢层厚lmm(λ2=0.6W·m-1 ·K-1),釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气(t1＝105℃)进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90℃，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层(设内壁面温度不变)作比较。

解：

=7579W·m-2

无污垢层时：

=48000 W·m-2

计算结果表明，污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中。

思考：

1、气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面还是外面好？

2、保温层越厚，保温效果越好吗？

教材例4-3计算表明：热导率小的放在内层有利于保暖，因此应把保暖性好的衣服穿在里面。

(4.2课下作业，课堂提问或抽查)：例4-3题目中，修改数据如下，其他都不变：

第一层50mm厚度改成：学号后2位+50mm；

第二层20mm厚度改成：学号后2位+20mm。

4.3.1 牛顿冷却定律

4.3.2 传热边界层

4.3.3 量纲分析法求无相变对流传热系数

4.3.4 有相变过程的对流传热膜系数

对流传热（给热）——流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递。

给热

给热

4.3.1 牛顿冷却定律

牛顿冷却定律

A：传热面积

h：对流传热系数（非物性参数）

Δt：温差

对热流体： Δt=T-Tw

对冷流体： Δt=tw-t

注：由于传热过程的进行，间壁两侧的流体温度是变化的，计算时流体的温度T和t均采用平均温度进行计算。

牛顿冷却定律

4.3.2 传热边界层

对流传热工业过程多为湍流，湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。

为便于处理，将过渡区和湍流主体的热阻全部叠加到层流底层中，近壁处形成厚度为δt的流体膜称为“有效膜”。

流体与壁面之间的温度变化全部发生在这一膜层内，以导热方式传热，将这存在温度梯度的区域称为传热边界层。

有效膜之外无热阻存在。

使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：

流体被加热：

流体被冷却：

对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中──复杂问题简单化表示。

牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律！

影响对流换热系数h的因素很多，主要有以下几个方面：

（1）流体的种类和相变化的情况

（2）流体的物性：导热系数、粘度、比热和密度

、体积膨胀系数；

（3）流体的温度

（4）流体流动状态：湍流对流传热系数大

（5）流体流动的原因：强制对流和自然对流

（6）传热面的性状、大小和位置

4.3.3 量纲分析法求无相变对流传热系数

对流传热系数经验关联式的建立

影响h的诸多因素可表示成h的函数：

用量纲分析方法将上式转化为量纲为1的特征数，对流传热中的特征数如表4-1所示 。

表示对流传热过程的特征数努塞尔数Nu与Re、Pr、Gr有关：

A、a、b和c为待定系数，由实验测得。

化工手册中有求取各种情况下h 的特征数关联式。

注意：各特征数关联式适用范围、定性温度和特征尺寸的选取。

表4-1 对流传热中的特征数

准数名称

努塞尔特准数

（Nusselt）

Nu

雷诺准数

（Reynolds）

Re

普兰特准数

（Prandtl）

Pr

格拉斯霍夫准数

（Grashof）

Gr

②长径比 l/d＞50。

适用范围：①

流体在圆形直管内作强制对流特征数经验关联式为：

当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。

③适于低粘度流体（大多数气体和粘度小于2倍水粘度的液体），且过程无相变。

例 在一单程换热器中用120℃的蒸汽将常压空气从20℃加热到80℃,管束为φ38mm×3mm,蒸汽在管间流动（壳程）,空气在管内流动（管程）,其流速为14m·s-1.求管壁对空气的表面传热系数.

解: 空气的定性温度为t定=(20+80)/2=50℃

查50℃下空气的物性数据，教材附录5

Cp=1017J·kg-1·K-1

μ=1.96×10-5Pa·s

ρ=1.093kg·m-3

λ=2.83×10-2W·m-1·K-1

d=0.032m

u=14m·s-1

得

计算结果表明:空气在管内流动Re>10000, 160>Pr>0.7, 符合低粘度圆管内强制对流换热公式的条件，所以

确定特征数中流体物性参数的温度

(4.3课下作业，课堂提问或抽查)：例4-4题目中，修改数据如下，其他都不变：

水蒸气将常压空气由20℃加热到80℃，其中的20 ℃改成：学号后2位。

后2位学号为20的同学：20℃改成60℃ 。

4.3.4 有相变过程的对流传热膜系数

常见的有相变的对流传热是液体受热沸腾和饱和水蒸气的冷凝。

（1）液体沸腾

大容积沸腾：加热面浸没在液体中

管内沸腾：管内流动受热沸腾

大容器沸腾

1）AB段，当壁温t(加热面)w与液体饱和温ts之间温差较小(Δt<5℃)时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，主要以自然对流为主。

2）BC段，当温差逐渐增大(Δt=5~25℃)时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，h增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，为泡状沸腾。

3）CD段， Δt=25~100℃加热面上的汽化核心大大增加，气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，因气体的导热系数较小，使α，不稳定膜状沸腾。

4）DE段，气膜稳定，热辐射影响增大，对流传热系数增大，为稳定膜状沸腾。

由于泡状沸腾较大，工业生产中,沸腾装置应维持在泡状沸腾下操作。

沸腾曲线

影响沸腾传热的因素

影响沸腾传热的因素：

（1）液体性质；

（2）温度差△t；

（3）操作压强： 压强增大，有利于气泡生成和脱离，从而有利于h增加 。

（4）加热表面：新或清洁壁面，h增加。沾污后，h减小。壁面粗糙→气化核心增加 →h增加 。

（5）加热面布置要适当。

水蒸气冷凝

膜状冷凝——凝液膜为主要热阻；壁面越高液膜越厚。

滴状冷凝——热面暴露，热阻小。

滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热系数高出数倍乃至数十倍，然而，滴状冷凝很难控制，不能持久，并且其冷凝液洁净，因此，工业上大多采用膜状冷凝。

影响冷凝传热的因素

影响冷凝传热的因素

影响冷凝传热的因素：

关键在于冷凝液膜的厚度及流动状况。

① 冷凝液膜两侧的温度差△t：

层流：△t↑→δ↑→h↓；

② 流体物性：ρ、μ、λ、γ都影响h

③ 蒸汽的流速和流向：

同向，厚度减薄，使h增大；

逆向，h减小；气速足够大， 液膜被

蒸汽吹离壁面，随流速增加，h↑↑；

④ 蒸汽中不凝气体含量的影响：

空气或其它不凝气体，可能形成膜外气体层，h↓↓。

⑤ 冷凝壁面的影响：

冷凝液积存→δ↑→h↓。

h水平> h垂直；h上排> h下排。应尽量减少垂直列上管子根数：旋转或加附件。

壁面粗糙或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，h下降。可开沟、槽等。

(4.2课下作业，课堂提问或抽查)：例4-3题目中，修改数据如下，其他都不变：

第一层50mm厚度改成：学号后2位+50mm；

第二层20mm厚度改成：学号后2位+20mm。

(4.3课下作业，课堂提问或抽查)：例4-4题目中，修改数据如下，其他都不变：

水蒸气将常压空气由20℃加热到80℃，其中的20 ℃改成：学号后2位。

后2位学号为20的同学：20℃改成60℃ 。