本章主要内容 传热的基本概念 三种传热方式的计算 稳定传热过程计算 列管式换热器的设计和选用

4.1 概述 4.1.1 传热过程在化工生产中的应用 应用 共性 控制反应温度 满足某些单元操作的温度要求 设备和管路的保温或保冷 废热回收，热能合理利用，节约热能 共性 不论何种传热目的，都可归结为两个方面 强化传热：加热或冷却 削弱传热：保温，减少热损失

载热体：在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，用于供给或取走热量的流体称为载热体。 4.1.2 加热介质与冷却介质 载热体：在化工生产中，物料在换热器内被加热或冷却时，用于供给或取走热量的流体称为载热体。 加热介质：起加热作用的载热体。 冷却介质：起冷却(或冷凝)作用的载热体。

载热体的选择原则 温度需满足工艺要求； 温度易于调节； 不易燃、不易爆，不分解，无毒； 不易结垢，腐蚀性小； 传热性能好； 价廉易得。

4.1.3 传热过程的基本方式 热传导 依靠分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动所产生的热传递现象。 传热微观机理 固体热传导 金属：主要依靠其自由电子的迁移 非金属：通过分子振动而将能量的一部分传给相邻的分子

静态流体热传导 层流流体热传导 液体主要靠原子、分子在其平衡位置的热运动将能量传给相邻的部分 气体中的导热是气体分子作不规则热运动相互碰撞的结果 层流流体热传导 质点只在流动方向上作一维运动，传热方向上无质点的运动，依靠分子运动进行传导传热

热对流 流体内存在温度差的各部分通过质点相对位移和混合而将热量由一处传至另一处的热量传递过程。 热对流的特点 自然对流：由流体内部各处温度不同引起密度不同，促使流体内部质点的相对运动。 强制对流：在某种外力(如风机、泵、搅拌或其他压差等作用)的强制作用下引起质点的相对运动。 热对流的特点 以质点为单位进行热量传递 流体进行湍流运动 质点之间同时进行热量传递和动量传递

热辐射 物体由于热的原因引起物体发射和吸收电磁波(或光子)，以此在高温物体与低温物体之间来传递热能的方式。 特征 以电磁波形式传递热量，可以在真空中传递，无需任何介质； 能量的转移同时伴有能量转化。即发射时从热能转化为辐射能，被吸收时又从辐射能转化为热能； 辐射能与物体的温度有关，只有在高温时，辐射才成为传热的主要方式。

传热：实际上是物体内能的转移，自发地由内能高的物体向内能低的物体转移，直至趋向于稳定(平衡)，我们通常称之为热传递。 4.1.4 传热过程的基本概念 传热：实际上是物体内能的转移，自发地由内能高的物体向内能低的物体转移，直至趋向于稳定(平衡)，我们通常称之为热传递。 物体内能多少的量度就是温度，内能高的物体温度也高，内能低的物体温度也低，因而自发传热的方向是从高温物体向低温物体传热。 由此可知，两物体之间存在温度差是传热发生的充分必要条件，也称为传热发生的推动力。

把高温物体和低温物体都看成以质点为基本单位构成的，那么所有参与传热的质点就构成了温度场。 温度场内每个质点的位置由空间坐标(x,y,z)描述，每个质点都对应一个温度值，另外同一个质点的温度可能还会随着时间发生变化。因此，若准确描述某个质点的温度应由空间坐标和时间共同确定。即

热是什么？ 即通常所说的热力学能，简称热能，是系统内部所有分子动能和分子势能的总和。 热能是广义内能的一部分，当不涉及电子的激发电离，化学反应和核反应时，可以认为热能等同于系统内能。 这里提到的“分子”，是“分子运动论”中的分子，而不是严格化学意义上的分子。 事实上，构成物质的单元是多种的，或是原子（金属），或是离子（盐类），或是分子（有机物）。在热力学中，由于这些微粒做热运动时遵从相同的规律，所以统称分子。

如上所述，

能量传递必须由粒子作为介质而波动传递，能量不能离开物质，所以能量只能在物质的粒子中传递。

系统的热能绝对值是无法确定的，如何衡量系统所含热能的高低？ 热能是系统的状态函数，具有广度性质，与质量(或物质的量)成正比。 温度是系统热能高低的量度。当质量一定时，温度高越，系统热能越高；反之，温度越低时，系统热能越低。

系统热能变化的途径有哪些？ 能量转化 热能转移(热传递) 本章仅研究热传递问题 机械能、电能、辐射能(包括光能)、化学能等都可转化为热能，有些过程可被用于制造加热设备。 目前，可实现的热能转化有机械能、电磁能、化学能。 热能转移(热传递) 由系统内外之间或者系统内的两部分之间热能高者向热能低者转移，直至达到热平衡 本章仅研究热传递问题

传热(热传递)发生的条件是什么？ 热传递方向自发地由高热能部分传向低热能部分，温度也随之发生变化，因此也可以说热能由高温部分向低温部分传递。 由此证明，只有系统与环境之间或者系统内不同部分之间存在温度差，才能发生传热过程。温差是传热发生的必要条件，也是传热发生的推动力。

传导传热和对流传热是由物体中分子热运动完成的，因此传热系统必须是由分子构成的物系，或者说必须存在由分子构成的介质。 构成传热系统的介质由不同种类的分子构成，由于分子组成、结构和分子间作用力不同，使得不同介质的传热能力差异很大，形成了传热热阻。在同样温差下，热阻大小不同导致完成传热过程(达到预定温度)需要的时间差异很大。 分析流体传热时，仍以质点为基本组成单元，在质点之间传热，不同流体介质的质点有不同的热阻。

场内温度不同的质点之间会发生传热过程

温度场 稳定温度场 不稳定温度场 等温面 温度梯度 一维温度场

传热速率与热通量 传热速率(热流量)：单位时间通过传热面的热量，W。 热通量(热流密度)：指单位时间通过单位传热面的热量，W/m2。

载热体 加热剂(加热介质) 冷却剂(冷却介质) 加热蒸气<180℃ 烟道气>700℃ 热水<100℃ 电加热 水和空气：冷却至环境温度 载冷剂与制冷剂<0℃

换热器

1 热 传 导 傅立叶定律与热导率 导热系数

通过单层平壁的稳定热传导 一维热传导 依据傅立叶定律

单层圆筒壁的热传导

通过多层壁的稳定热传导 多层平壁的稳定热传导

多层圆筒壁的稳定热传导

[例2-1]某冷库壁面由0. 076m厚的混凝土外层，0. 100mm厚的软木中间层及0 [例2-1]某冷库壁面由0.076m厚的混凝土外层，0.100mm厚的软木中间层及0.013m厚的松木内层所组成。其相应的热导率为混凝土0.762W/(m·K)，软木0.0433 W/(m·K)，松木0.151 W/(m·K)。冷库内壁面温度为-18℃，外壁面温度为24℃。求进入冷库的热流密度以及松木与软木交界面的温度。

[例2-2] 内径为25. 4mm，外径为50. 8mm的不锈钢管，其热导率为21. 63 W/(m·K)。外包厚度为25 [例2-2] 内径为25.4mm，外径为50.8mm的不锈钢管，其热导率为21.63 W/(m·K)。外包厚度为25.4mm的石棉保温层，其热导率为0.2423 W/(m·K)。管的内壁温度为538℃，保温层的外表面温度为37.8℃，计算钢管单位长度的热损失及管壁与保温层分界面的温度。