化工原理第二章第一節(jié)講稿

化工原理第二章第一節(jié)講稿2023/4/27第1頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傳熱過(guò)程2023/4/27第2頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本章主要內(nèi)容：1.主要討論傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流給熱的機(jī)理和傳熱方程式及其應(yīng)用；2.冷熱流體通過(guò)固體間壁進(jìn)行換熱的過(guò)程和計(jì)算；3.強(qiáng)化或削弱傳熱的途徑；4.換熱器的基本類型及列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)和性能；2023/4/27第3頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程傳熱：就是由于溫差而引起的熱量傳遞過(guò)程，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過(guò)程。1、化工與傳熱1）絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都要求在一定的溫度下進(jìn)行，為了使物料達(dá)到并保持指定的溫度，就要預(yù)先對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻，并在過(guò)程中及時(shí)取出放出的熱量或補(bǔ)充需要吸收的熱量。2023/4/27第4頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2）一些單元操作過(guò)程，例如蒸發(fā)、蒸餾、干燥等，需要按一定的速率向設(shè)備輸入或輸出熱量。3）在高溫或低溫下操作的設(shè)備，要求保溫，以減少它們和外界傳熱。4）對(duì)于廢熱也需合理的利用與回收。

2、化工生產(chǎn)中傳熱過(guò)程的兩種情況

1）強(qiáng)化傳熱：各種換熱設(shè)備中的傳熱。

2）削弱傳熱：如對(duì)設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失

2023/4/27第5頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傳熱過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用例如：蒸發(fā)、蒸餾、干燥、結(jié)晶等傳熱過(guò)程的基本要求：1.強(qiáng)化傳熱；2.避免傳熱熱量傳遞方向：高溫傳向低溫傳熱過(guò)程的推動(dòng)力：溫差2023/4/27第6頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.傳熱的三種基本方式

1、傳導(dǎo)傳熱

熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱為傳導(dǎo)傳熱，又稱導(dǎo)熱。

特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果固體導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電體：通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的液體機(jī)理復(fù)雜2023/4/27第7頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

特點(diǎn)：物質(zhì)間沒(méi)有宏觀位移，只發(fā)生在靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式。導(dǎo)熱的實(shí)質(zhì)：流體內(nèi)分子的熱運(yùn)動(dòng)或自由電子的運(yùn)動(dòng)。所有物體（固、液、氣）均由分子組成，有溫差、分子振動(dòng)快慢有差異，振動(dòng)速度快的分子將其本身動(dòng)量傳遞給鄰近振動(dòng)速度較慢的分子，熱量就這樣從高溫向低溫的傳遞下去，導(dǎo)熱就其本質(zhì)上講：分子振動(dòng)傳熱。2023/4/27第8頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)流傳熱是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引起的熱量傳遞，對(duì)流傳熱是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生的相對(duì)位移。據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。2、對(duì)流傳熱2023/4/27第9頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一強(qiáng)制對(duì)流

自然對(duì)流

用機(jī)械能（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等）或由于流體相對(duì)位差而迫使流體改變冷與熱各部分的位置，使流體發(fā)生對(duì)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(fā)生對(duì)流而傳熱。

對(duì)流傳熱與流體運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有流體質(zhì)點(diǎn)間的傳導(dǎo)傳熱，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對(duì)流給熱，即包含了傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱。2023/4/27第10頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、輻射傳熱

輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過(guò)程，稱為熱輻射。

輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播。輻射傳熱是物體間相互輻射和吸收能量的結(jié)果。任何物體只要在絕對(duì)零度以上都能發(fā)生輻射能，但是只有物體的溫度差別較大時(shí)，輻射傳熱才成為最主要的傳熱方式。高溫物體輻射能低溫物體2023/4/27第11頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、工業(yè)上的換熱方法1、直接接觸式傳熱

直接接觸式傳熱的特點(diǎn)是冷、熱兩流體在傳熱器中以直接混合的方式進(jìn)行熱量交換，也稱混合式換熱。前提是冷、熱兩種流體可直接混合，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或其他不良影響?；S常用的涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合冷凝器等。2023/4/27第12頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第13頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2、蓄熱式換熱

(間歇操作）

蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成。室中充填耐火磚作為填料，當(dāng)冷、熱流體交替的通過(guò)同一室時(shí)，就可以通過(guò)蓄熱室的填料將熱流體的熱量傳遞給冷流體，達(dá)到兩流體換熱的目的。2023/4/27第14頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第15頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第16頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、間壁式換熱

間壁式換熱的特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體隔開(kāi)，分別在壁的兩側(cè)流動(dòng)，不相混合，通過(guò)固體壁進(jìn)行熱量傳遞。傳熱過(guò)程可分為三步：熱流體將熱量傳給固體壁面（對(duì)流傳熱）熱量從壁的熱側(cè)傳到冷側(cè)（傳導(dǎo)傳熱）熱量從壁的冷側(cè)面?zhèn)鹘o冷流體（對(duì)流傳熱）壁的面積稱為傳熱面，是間壁式換熱器的基本尺寸。

2023/4/27第17頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一兩流體通過(guò)間壁的換熱過(guò)程t2t1T1T2對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體Q熱流體2023/4/27第18頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典型的間壁式換熱器及其傳熱過(guò)程

（1）、套管式換熱器

套管式換熱器是由兩種直徑大小不同的直管組成的同心管，一種流體在內(nèi)管中流動(dòng)，另一種流體在內(nèi)、外兩壁間的環(huán)隙中流動(dòng)，通過(guò)內(nèi)管管壁進(jìn)行熱量交換。內(nèi)管壁的表面積即為傳熱面積。2023/4/27第19頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第20頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第21頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一種流體由封頭的進(jìn)口管進(jìn)入器內(nèi)，流經(jīng)封頭與管板的空間分配至各管內(nèi)（稱為管程）。通過(guò)管束后，從另一端封頭的出口流出換熱器。另一種流體則由殼體的接管流入，在殼體與管束間的空隙流過(guò)（稱為殼程），從殼體的另一端接管流出。殼體內(nèi)往往安裝若干塊與管束相垂直的折流擋板。流體在管束內(nèi)只通過(guò)一次，稱為單程列管式換熱器。若在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，將管束的全部管子平均分隔成若干組，流體每次只通過(guò)一組管子，然后折回進(jìn)入另一組管子，如此往復(fù)多次，最后從封頭接管流出換熱器。這種換熱器稱為多管程列管式換熱器。

（2）、列管式換熱器

列管式換熱器由殼體、管束、管板和封頭等部件組成。

2023/4/27第22頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2023/4/27第23頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一列管式2023/4/27第24頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一夾套式2023/4/27第25頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)態(tài)傳熱：在傳熱體系中各點(diǎn)的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時(shí)間而變。特點(diǎn)：通過(guò)傳熱表面的傳熱速率（單位時(shí)間傳遞的熱量）為常量，熱通量不一定為常數(shù)。傳熱系統(tǒng)中不積累能量（即輸入的能量等于輸出的能量）。非穩(wěn)態(tài)傳熱：若傳熱體系中各點(diǎn)的溫度，既隨位置的變化，又隨時(shí)間變化。特點(diǎn)：傳熱速率、熱通量均為變量。通常連續(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)態(tài)傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)態(tài)傳熱?；み^(guò)程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而我們主要討論穩(wěn)態(tài)傳熱。四、穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱：2023/4/27第26頁(yè)，共27頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、傳熱過(guò)程中的基本物理量傳熱速率（熱流量）Ф=Q/τ

單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，單位為