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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。 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。 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。 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。 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。 §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。 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 ，在 瞬间内的热传量为 。 实践证明，单位时间内的传热量 与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度 成正比，即： （2-1） 或写成： (2-2) 上式为导热基本方程，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，即单位时间内的导热量为定值，故上式可写成： （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]； － 温度梯度 [K/m]，表示热流方向温度变化的强度。温度梯度越大，说明在热流方向单位长度上的温差也越大。 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。 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： 从右表数据可以看出，金属的值最大，