第二章 传热过程讲诉

从右表数据可 以看出，金属的值 最大，气体的值最 小，一些保温材料 值之所以很小，就 是因为保温材料内 有很大部分空间是 空气的缘故。
物质 导热系数 λ [W/m·K]
金属 建筑材料
5 0.5～2
绝热材料
0.01～0.4
水
0.6
其他液体 气体
0.09～0.7 0.007～0.17
物料的导热系数 值还随温度而变化。但金属和液
化工生产中，间壁式传热设备用得最多。这类设 备通常称作热交换器或换热器。在所有化工厂设备中 换热器约占设置重量的40％左右，因此必须对传热机 理、传热过程的影响因素、传热过程的强化或抑止、 换热设备的传热面积计算，以及主要几种热交换器的 基本结构和性能有所了解。
补充：
传热过程
稳态传热：在传热进行时，物体各点温度不随时 间而变、仅随位置变化的传热过程。
➢ 直接混和式传热（直接接触式传热），冷热流体直接接 触传热，如在真空蒸发操作中，将水蒸气流经混合冷凝器 与冷却水直接接触而冷凝，冷水由液封管流走，只有不凝 气由真空泵抽走，保证在恒定负压下的连续真空蒸发操作。
➢ 间壁式传热，主要通过传导、对流两种方式来传递热量。 多数情况下工艺上不允许冷热流体直接接触，在热交换器 中冷热流体分别流过间壁两侧，热量自热流体传给冷流体。
间内的导热量为定值，故上式可写成：
q
Q
A
dt dn
（2-3）
式中：q － 单位时间内传导的热量，也称导热速率 [J/s]或
[W]； A － 导热面积 [m2]；
－ 比例系数，称为导热系数 [W/m·K]；
dt － 温度梯度 [K/m]，表示热流方向温度变化的强 dn 度。温度梯度越大，说明在热流方向单位长度上的温差也
实践证明，单位时间内的传
热量 dQ 与垂直于热流方向的导
d
热截面面积A和温度梯度 dt 成
dn
正比，即：
dQ A dt （2-1）
d
dn
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或写成：
dQ
d 上式
A 为 导
dt dn
热
基
(2-2) 本方
程
，
或 称 为 傅 立 叶 （ Fourier ）
定律。
图2-1 通过壁面的热传导
在稳定导热时，因导热量Q不随时间而改变，即单位时
补充：
▪ 发生导热时，物体各部分之间不发生宏观相对位移。 ▪ 对于气体，导热是由于气体分子做无规则热运动、
相互碰撞而引起； ▪ 对于固体，导电体的导热是由自由电子的运动而引
起；而非导电体则通过晶格的振动来传递热量。 ▪ 对于液体，可以认为介于气体和固体之间。
在一个均匀（各部分化学组
成、物理状态相同）的物体内 （图2-1），热量以传导方式沿 着方向n通过物体。取热流方向 的微分长度为dn ，在d 瞬间内 的热传量为 dQ。
越大。
式（2-1）、（2-2）、（2-3）等号右边的负号表示热 流方向与温度梯度方向相反，即热量沿着温度降低的方向 传递（温度升高，温度梯度为正）。
导热系数 系温度梯度为1 [K/m]，导热面积为1 [m2]
情况下，单位时间内传递的热量。物质的导热系数数值越 大，说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导 热能力的标志，为物质的物理性质之一。
体的导热系数变化较小。大多数液体的导热系数随温 度升高而减小（水和甘油除外）。
气体的导热系数随温度的升高而加大。在相当大 的压力范围内，气体的导热系数和压力的关系不是很 大，只有在压力大于2000 [大气压]或是小于20 [毫米 汞柱]时，导热系数才随着压力的增加而加大。
工程计算上较常涉及的混和气体或溶液的导热系 数，一般应由实验测定比较可靠，若缺乏实验条件， 也可以按纯物质的数据进行估算。
第二章 传热过程
本章重点：传导传热，对流传热，热交换 器的计算，强化传热的途径。
难 点：传导传热、对流传热机理和基 本方程。
在化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。 例如，为了保证化学反应在一定的温度下进行，对于吸热反 应，就需要外界供给热量，而对于放热反应，则要及时取走 热量；在分离、提纯的操作中，如精馏、蒸发、干燥等操作 中，都发生物相的变化，物质发生了相变，就要吸收或放出 热量，也需要及时供给或取出热量；在预热或冷却过程中， 又需要供给或取走物料在温度变化时所吸收或放出的“显 热”；这些热量传递的过程简称传热。在化工生产中的加热 炉和各种管道需要保温和阻止热量传递，这一类也属于传热 的问题。
通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料； 反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。
影响导热系数λ值的主要因素： ▪ 物质的化学组成； ▪ 物理状态（固态的导热系数大， 气态的小）； ▪ 湿度（湿材料的比干材料的要大）； ▪ 压强（对气体有影响）； ▪ 温度。
各种物质的导热系数都可用实验方法测得，在常温常压 下一些物质的导热系数大致如下：
➢ 蓄热式传热，主要通过传导、对流、辐射三种方式来传递 热量。蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成，室内 填充耐火砖等填料，它的传热方式是，首先将热流体通入 蓄热室将填充物加热，之后再通入冷流体，使冷流体被已 加温的蓄热室加热，达到冷热流体之间的传热目的。一般 这种传热方式只适用于气体，且允许少量物质参混的情况。
非稳态传热：若物体各点温度随位置变化、也随 时间变化的的传热过程。
§1 传导传热
1-1 传导传热
传导传热也称热传导，是依靠物体内自由分子的 运动或分子的振动来传递热量的。物体较热部分的分 子因振动而与相邻的分子碰撞，并将其动能的一部分 传给后者，借此，热能从物体的一部分传至另一部分。 此种作用继续进行，直到整个物体中温度达到完全相 同。
液体混合物的导热系数，可按质量加和法进行估算：
n
m Kixi
i1
(2 4)
式中：m、i － 混合液和各组分的导热系数 [W/m·K]；
搅拌釜式反应器
邻二甲苯氧化制苯酐多管式固定床反应器
重 油 的 催 化 裂 化 流 化 床 反 应 器
乙 苯 加 氢 气 液 塔 式 反 应 器
轻油裂解制乙烯管式非催化反应器
热量的传递有三种基本方式：传导、对流、辐射。 实现传热过程的设备类型（传热中冷热流体的接触方 式）：直接混和式传热（直接接触式传热），间壁式传热、 蓄热式传热。