【正文】 概述 傳熱是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫度差存在時(shí)，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。無論在能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等其他部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問題。 應(yīng)予指出，熱力學(xué)和傳熱學(xué)兩門學(xué)科既有區(qū)別又有聯(lián)系。熱力學(xué)不研究引起傳熱的機(jī)理和傳熱的快慢，它僅研究物質(zhì)的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一種平衡狀態(tài)變到另一種平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學(xué)研究能量的傳遞速率，因此可以認(rèn)為傳熱學(xué)是熱力學(xué)的擴(kuò)展。熱力學(xué)(能量守恒定律)和傳熱學(xué)(傳熱速宰方程)兩者的結(jié)合，才可能解決傳熱問題：化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切；這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻。例如：①化學(xué)反應(yīng)通常要在一定的溫度下進(jìn)行，為了達(dá)到并保持一定的溫度，就需要向反應(yīng)器輸入或從它輸出熱；②在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設(shè)備輸入或輸出熱：③化工設(shè)備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收等都涉及傳熱的問題。由此可見，傳熱過程普遍地存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用?；どa(chǎn)中對(duì)傳熱過程的要求經(jīng)常有以下兩種情況：① 一種是強(qiáng)化傳熱過程，如各種換熱設(shè)備中的傳熱；②另一種是削弱傳熱過程，如設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。為此必須掌握傳熱的共同規(guī)律。 本章討論的重點(diǎn)是傳熱的基本原理及其在化工中的應(yīng)用4．1．1傳熱的基本方式 根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射傳熱可以靠其中的一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行。 1．熱傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱)若物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)(又稱導(dǎo)熱)。熱傳導(dǎo)的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差，此時(shí)熱量將從高溫部分傳向低溫部分，或從高溫物體傳向與它接觸的低溫物體，直至整個(gè)物體的各部分溫度相等為止。熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中均可進(jìn)行，但它的微觀機(jī)理因物態(tài)而異。固體中的熱傳導(dǎo)屬于典型的導(dǎo)熱方式。在金屬固體中，熱傳導(dǎo)起因于自由電子的運(yùn)動(dòng)；在不良導(dǎo)體的固體中和大部分液體中，熱傳導(dǎo)是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，即原子、分子在平衡位置附近的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的；在氣體中，熱傳導(dǎo)則是由于分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而引起的。對(duì)于純熱傳導(dǎo)的過程，它僅是靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式，也就是說沒有物質(zhì)的宏觀位移。 2，熱對(duì)流 流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對(duì)流(簡(jiǎn)稱對(duì)流)。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。在流體中產(chǎn)生對(duì)流的原固有二：一是因流體中各處的溫度不同而引起密度的差別，使輕者上浮，重者下沉，流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流；二是因泵(風(fēng)機(jī))或攪拌等外力所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，這種對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。應(yīng)予指出，在同一種流體中，有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。在化工傳熱過程中，常遇到的并非單純對(duì)流方式，而是流體流過固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對(duì)流傳熱(又稱為給熱)。對(duì)流傳熱的特點(diǎn)是靠近壁面附近的流體層中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱。由此可見，對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān)。雖然熱對(duì)流是一種基本的傳熱方式，但是由于熱對(duì)流總伴隨著熱傳導(dǎo)，要將兩者分開處理是困難的，因此一般并不討論單純的熱對(duì)流，而是著重討論具有實(shí)際意義的對(duì)流傳熱。 3．熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。所有物體(包括固體、液體和氣體)都能將熱能以電磁波形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)，也就是說它可以在真空中傳播。 自然界中一切物體都在不停地向外發(fā)射輻射能，同時(shí)又不斷地吸收來自其他物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果稱為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳向低溫物體。輻射傳熱的特點(diǎn)是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移，即在放熱處，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以電磁波的形式向空間傳遞；當(dāng)遇到另一個(gè)能吸收輻射能的物體時(shí)，即被其部分地或全部地吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?yīng)予指出，任何物體只要在熱力學(xué)溫度零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。實(shí)際上，上述的三種基本傳熱方式，在傳熱過程中常常不是單獨(dú)存在的，而是兩種或三種傳熱方式的組合，稱為復(fù)雜傳熱。例如，在高溫氣體與固體壁面之間的換熱就要同時(shí)考慮對(duì)流傳熱和輻射傳熱等。4．1．2 傳熱過程中熱、冷流體(接觸)熱交換的方式 傳熱過程中熱，冷流體熱交換可分為三種方式，各種熱交換方式所用換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)也各不相同，簡(jiǎn)述如下。 1．直接接觸式換熱和混合式換熱器 對(duì)某些傳熱過程，例如氣體的冷卻或水蒸氣的冷凝等，可使熱、冷流體直接混合進(jìn)行熱交換。這種換熱方式的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。所采用的設(shè)備稱為混合式換熱器。顯然，僅對(duì)于工藝上允許兩流體互相混合的情況，才能采用這種換熱方式。直接接觸換熱的機(jī)理比較復(fù)雜，它在進(jìn)行傳熱的同時(shí)往往伴有傳質(zhì)過程。圖4—1所示為混合式冷凝器，其中圖(b)較為常見，稱為干式逆流高位冷凝器，被冷凝的蒸汽與冷卻水在器內(nèi)逆流流動(dòng)，上升蒸汽與自上部噴淋下來的冷卻水相接觸而冷凝，冷凝液與冷卻水沿氣壓管向下流動(dòng) 。由于冷凝器通常與真空蒸發(fā)器相連，器內(nèi)壓強(qiáng)為1020 kPa ，因此氣壓管必須有足夠的高度，一般為10—11 m。 2．蓄熱式換熱和蓄熱器蓄熱式換熱是在蓄熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換的一種方式。蓄熱器內(nèi)裝有固體填充物（如耐火磚等），冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。由于不能完全避免兩種流體的混合，所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用得不太多。如圖42.3．間壁式換熱和間壁式換熱器 在化工生產(chǎn)中遇到的多是間壁兩側(cè)流體的熱交換，即冷、熱流體被固體壁面(傳熱面)所隔開，它們分別在壁面兩側(cè)流動(dòng)。固體壁面即構(gòu)成間壁式換熱器。間壁式換熱器的類型很多，它們都是典型的傳熱設(shè)備。 如圖43所示，熱、冷流體通過間壁兩側(cè)的傳熱過程三個(gè)基本步驟：① 熱流體將熱量傳至固體壁面左側(cè)(對(duì)流傳熱)；② 熱量自壁面左側(cè)傳至壁面右側(cè)(熱傳導(dǎo))；③ 熱量自壁面右側(cè)傳至冷流體(對(duì)流傳熱)。通常，將流體與固體壁畫之間的傳熱稱為對(duì)流傳熱過程，將熱、冷流體通過壁面之間的傳熱稱為熱交換過程，簡(jiǎn)稱傳熱過程 間壁式換熱是本章討淪的重點(diǎn)。4．1．3 典型的間壁式換熱器 換熱器是實(shí)現(xiàn)傳熱過程的基本設(shè)備。為便于討淪傳熱的基本原理，先簡(jiǎn)單介紹典型間壁式換熱器，其他類型的換熱器將在4．7節(jié)中詳細(xì)討論。 圖44為簡(jiǎn)單的套管式換熱器。它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起構(gòu)成的。冷、熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙而進(jìn)行熱的交換。 圖4—5為單程管殼式換熱器。一流體由左側(cè)封頭5的接管4進(jìn)入換熱器內(nèi)，經(jīng)封頭與管板6間的空間(分配室)分配至各管內(nèi)，流過管束2后，由另一端的接管流出。另一流體由殼體右側(cè)的接管3進(jìn)人，殼體內(nèi)裝有數(shù)塊擋板7，使流體在殼與管束間沿?fù)醢遄髡哿髁鲃?dòng)，而從另一端的殼體接管流出。通常，把流體流經(jīng)管束稱為流經(jīng)管程，將該流體稱為管程(或管方)流體；把流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為流經(jīng)殼程。將該流體稱為殼程(或殼方)流體。由于管程流體在管束內(nèi)只流過一次，故稱為單程管殼換熱器。 圖46為雙程管殼式換熱能，隔板4將分配室等分為二，管程流體只能先經(jīng)一半管束，待流到另一端分配室折回再流經(jīng)另一半管束，然后從接管流出換熱器。由于管程流體在管束內(nèi)流經(jīng)兩次，故稱為雙程管殼式換熱器。若流體在管束內(nèi)來回流過多次，稱為多程(例如四程、六程等)換熱器。由于兩流體間的傳熱是通過管壁進(jìn)行的，故管壁表面積即為傳熱面積。顯然，傳熱面積愈大，傳遞的熱量愈多。對(duì)于特定的管殼式換熱器，其傳熱面積可按下式計(jì)算，即 應(yīng)予指出，式中管徑d可分別用管內(nèi)徑di、管外徑d?；蚱骄睆絛m(即(di+d。)/2)來表示，則對(duì)應(yīng)的傳熱面積分別為管內(nèi)側(cè)面積Si、外側(cè)面積S?；蚱骄娣eSm。對(duì)于一定的傳熱任務(wù)，確定換熱器的傳熱面積是設(shè)計(jì)換熱器的主題，以后各節(jié)將要圍繞此問題進(jìn)行討淪。 在換熱器中兩流體間傳遞的熱，可能是伴隨有流體相變化的潛熱，例如冷凝或沸騰；亦可能是流體無相變化、僅有溫度變化的顯熱，例如加熱或冷卻。換熱器的熱衡算是傳熱計(jì)算的基礎(chǔ)之一。在換熱器中傳熱的快慢用傳熱速率來表示，傳熱速率是傳熱過程的基本參數(shù)。傳熱速率(又稱熱流量)是指在單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量，用Q表示，單位為W。熱通量(又稱傳熱速度)是指單位傳熱面積的傳熱速率，用q表示，單位為W／m2。熱通量和傳熱速率間的關(guān)系為 由于換熱器的傳熱面積可以用圓管的內(nèi)表面積Si、外表面積So或平均表面積Sm表示，因此相應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相同，計(jì)算時(shí)應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。自然界中傳遞過程的普遍關(guān)系為：傳遞過程速率與過程的推動(dòng)力成正比，與過程的阻力成反比。 對(duì)不同的傳熱情況。找出熱阻的表達(dá)方式，即可求得傳熱速率。為了提高傳熱速率或熱通量，關(guān)鍵在于減小傳熱過程的熱阻。 應(yīng)予指出，傳熱速率和熱通量是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。4．1．5 穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)(例如換熱器)中不積累能量(即輸入的能量等于輸出的能量)的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。穩(wěn)態(tài)傳熱的特點(diǎn)是傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而變，且傳熱速率在任何時(shí)間都為常數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間而變化，則這種傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的開工和停工階段，都為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程?；み^程中遇到的大多是穩(wěn)態(tài)傳熱。因此，本章重點(diǎn)討論穩(wěn)態(tài)傳熱。在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的載熱體稱為加熱劑(或加熱介質(zhì))；起冷卻(或冷凝)作用的載熱體稱為冷卻劑(或冷卻介質(zhì))。對(duì)一定的傳熱過程，待加熱或冷卻物料的初始及終了溫度常由工藝條件決定，因此需要提供或取出的熱量是一定的。熱量的多少?zèng)Q定了傳熱過程的操作費(fèi)用。但應(yīng)指出，單位熱量的價(jià)格因載熱體而異。例如，當(dāng)加熱時(shí)，溫度要求愈高，價(jià)格愈貴；當(dāng)冷卻時(shí)，溫度要求愈低，價(jià)格愈貴。因此為了提高傳熱過程的經(jīng)濟(jì)效益，必須選擇適當(dāng)溫位的載熱體。同時(shí)選擇載熱體時(shí)還應(yīng)考慮以下原則： ①載熱體的溫度易調(diào)節(jié)控制； ②載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時(shí)不易分解； ③載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設(shè)備 ④價(jià)格便宜，來源容易。 工業(yè)上常用的加熱劑有熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽及煙道氣等。它們所適用的溫度范圍如表4—1所示。若所需的加熱溫度很高，則需采用電加熱。工業(yè)上常用的冷卻劑有水、空氣和各種冷凍劑。水和空氣可將物料最低冷卻至環(huán)境溫度，其值隨地區(qū)和季節(jié)而異，一般不低于2030℃。在水資源緊缺的地區(qū)，宜采用空氣冷卻。一些常用冷卻劑及其適用溫度范圍如表42所示。41 常用加熱劑及其適用溫度范圍加熱劑熱水飽和蒸汽聯(lián)苯混合物熔巖（KNO3 53%,NaNO2 40%, NaNO3 7%)煙道氣礦物油適用溫度/℃40100100180255380142530100018025042 常用冷卻劑及其適用溫度范圍冷卻劑水（自來水、河水、井水）空氣鹽水氨蒸汽適用溫度/℃080300~1515~30 熱傳導(dǎo)4． 基本概念和傅里葉定律 1．溫度場(chǎng)和溫度梯度 ， 物體或系統(tǒng)內(nèi)的各點(diǎn)間的溫度差，是熱傳導(dǎo)的必要條件。由熱傳導(dǎo)方式引起的熱傳遞速率(簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱速率)決定于物體內(nèi)溫度的分布情況。溫度場(chǎng)就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。 一般情況下，物體內(nèi)任一點(diǎn)的溫度為該點(diǎn)的位置以及時(shí)間的函數(shù)，故溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 x，y，z—物體內(nèi)任一點(diǎn)的空間坐標(biāo)； t—溫度，℃或K； θ—時(shí)間，s。 若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變，此溫度場(chǎng)為非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，這種溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，即為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為在特殊的情況下．若物體內(nèi)的溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向發(fā)生變化，此溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)的一維溫度場(chǎng)。 溫度場(chǎng)中同一時(shí)刻下相同溫度各點(diǎn)所組成的面積為等溫面。由于某瞬間內(nèi)空間任一點(diǎn)上不可能同時(shí)有不同的溫度，故溫度不同的等溫面彼此不能相交。 由于某瞬間內(nèi)空間任一點(diǎn)由于等溫面上溫度處處相等，故沿等溫面將無熱量傳遞，而沿與等溫面相交的任何方向，因溫度發(fā)生變化則有熱量的傳遞。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向?yàn)樽畲?。通常，將溫度?t+△t)與t兩相鄰等溫面之間的溫度差△t與兩面間的垂直距離△n之比值的極限稱為溫度梯度。溫度梯度的數(shù)學(xué)定義式為 補(bǔ)充內(nèi)容:一、熱傳導(dǎo)的基本概念和傅立葉定律 1．傅里葉(Fourier)定律 傅立葉定律為熱傳導(dǎo)的基本定律，表示通過等溫表面的導(dǎo)熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，即式中Ｑ—導(dǎo)熱速率，即單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱，其方向與溫度梯度的方向相反，Ｗ；Ｓ—等溫表面的面積，m2； λ —比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m℃)。式47中的負(fù)號(hào)表示熱流方向總是和溫度梯度的方向相反，如圖4—7所示