传热过程
§4－1 概述
4－1.1 化工生产中的传热过程
1、传热过程在化工生产中的应用
例如：蒸发、蒸馏、干燥、结晶等
由于化工生产过中传热过程的普遍性，使得换热设备的费用在总投资费用中所占的比重甚高。据统计：
在一般石油化工企业中占30~40%
在炼油厂中占40~50%
因此，认识传热过程，掌握一般换热设备运行的规律，充分利用反应热、余热、废热，对化工生产具有十分重要的意义。
2、传热过程的基本要求：1.强化传热；2.避免传热
在生产中，传热过程不外乎两类：
尽量强化传热过程 加热
冷却
尽量削弱传热过程 低温设备的绝热
高温设备的保温
3、热量传递方向：高温传向低温
4、传热过程的推动力：温差
5、三种类型换热器
(1) 直接混合式——将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗澡”吧，老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加热，此即直接混合式。如图2-1所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。
图4-1 直接混合传热示意图
(2)蓄热式——先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体、此即蓄热式换热器。如图4-2所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。
图4-2 蓄热式示意图
(3)间壁式——热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图4-3所示。
图4-3 间壁式换热器——列管换热器。
换热器有三种类型，从传热机理来讲，传热又有三种方式，即热传导、热对流、热辐射。传热将从三种方式来展开论述。
4－1.2 传热中的一些基本物理量和单位
热量Q：是能量的一种形式， J
传热速率 是指单位时间传递的热量，W
热流密度q：单位面积上的传热速率，W·m-2
潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变化 J/kg
比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，J·K-1·kg-1
显热：
4－1.3 定态传热和非定态传热
定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变．特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。
非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。
通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论定态传热。
§4－2 传导传热
先讨论两个问题；冬天，铁凳与木凳温度一样，但我们坐在铁凳子上要比坐在木凳子上，感到冷得多，这是为什么？一杯热牛奶，放在水里比摆在桌子上要冷得快，为什么？
人体温度是37℃左右，冬天坐在凳子上，人体的热量就向凳子传递，由于铁比木头传热速度快得多，人体表面散热越快，而体内向表面补充热量又跟不上，所以感觉凉。此题，说明同样是固体，材质不同，传热速率是不同的。
第二个问题，也是传热速率问题。说明水的传热速率比空气的传热速率来得大。
在两个问题中，热量的传递都不是通过流体的运动实现的。实质是传导传热（热传导）问题。
传导传热的机理
一个物体的两部分存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为传导传热（或热传导）。
传导传热的本质是物体内部微观粒子的热运动而引起的热量传递
物质的三态均可以充当热传导介质，但导热的机理因物质种类不同而异，具体为：
固体金属：自由电子运动在晶格之间；
液体和非金属固体：晶格结构的振动；即分子、原子在其平衡位置的振动。
气体：分子的不规则运动。
4－2.1 热传导基本方程－－傅立叶定律
热传导遵循傅立叶定律，它是一个经验性定律。
在一个均匀（各部位化学组成物理状态相同）的物体内，如图，热量以传导方式沿着单方向n（单向传导）通过物体。
取热流方向的微分厚度为d
，在dτ的瞬间内传递的热量为dQ
实验证明，单位时间内的传热量与温度梯度
及导热面积A成正比。
（1）
上式为导热基本方程，又称傅立叶定律。
式中：
－传热速率，W(J/S)
Q－传导的热量
－时间
“－”－表示传热方向与温度升高的方向相反。即热量沿着温度降低的方向传递。（因为梯度以温度升高的方向为正）
－导热系数，W/mk
－温度梯度
导热系数：
物性之一：是物质导热能力的标志,与物质种类、热力学状态（T、P）有关。
物理含义：代表单位温度梯度下的热通量大小，即：当物体两个面（等温面）间温差为1K，厚度为1m时，每经过1m2传热面积所能传导的热量。故物质的l越大，导热性能越好。
一般地， l导电固体> l非导电固体， l液体> l气体；当T时， l气体， l水，其它液体的 l ¯。
数据来源：物质的导热系数可以通过实验测定，也可以查资料、计算
4－2.2 平面壁的定态热传导
1、单层平面壁的热传导
壁厚δ
导热系数λ 均为常数
传热面积A
平壁温度只沿着垂直于壁面的方向变化。
对于稳定传热，导热速率不随时间而变。（1）式分离变量积分：
（2）
式中，
，称为导热热阻 K/W，与电子欧姆定律 
类似。
2、多层平壁导热
§4－3 对流传热
热对流是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递过程。热对流仅发生在流体中。
对流方式
自然对流-------因流体中各处温度不同引起密度差异而使流体质点产生相对位移
强制对流--------因搅拌等外力而使质点产生相对位移
4－3.1 对流传热机理
1、对流传热过程分析
δ：传热边界层厚度 δb：层流内层 δf：虚拟厚度
上图表示垂直放置的列管式热交换器中一根管的节点剖面示意图。
这种传热方式经常碰到：即对流传热是指流体与固体壁面的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。
它分三个阶段: 1、热量自热流体传到固体壁面的一侧
2、从壁面的一侧传到另一侧
3、从壁面的一侧传到冷流体
在靠近壁面有一厚度为δb的层流内层存在，穿过δb的热量只能靠传导。这是由于流体质点运动方向与传热方向垂直又不混合，流体的导热系数λ又小，尽管δb很薄，但对传热的阻力却很大，故传过一定的热量温度梯度较大。通过实验测定：δb内的温度变化往往占一侧流体温度变化的90%以上。所以对传热速率往往具有决定性的影响。
在层流内层以外的过渡区。流体质点的运动开始出现混合，但仍有温度梯度存在。热量由层流内层经过渡区传到湍流主体内。在湍流主体内，流体质点充分混合，温度趋于一致。
由上所述，对流传热是层流内层的导热和层流内层以外的对流传热的总称。
对流传热 受热传导的控制
受流动规律的支配
所以对流传热为一复杂的过程。为了便于处理起见，我们把对流传热看作为相当于通过厚度为δ的传热边界层的导热过程（将温度梯度有显著变化的区域称为传热边界层）。而在传热边界层中包括了真实的层流内层的厚度δb和与层流内层外的与其热阻相当的虚拟厚度δf 。
即δ=δb＋δf
即把层流内层之外的热阻折合成的厚度δf 。
必须指出：δf是不存在的，它完全是为了处理问题的方便而假设的。
2、对流传热基本方程（牛顿传染方程）
把流体对流传热过程看作是通过传热边界层的导热，可以把对流传热用理论上较为成熟的导热原理来处理。
（a）、当壁面向冷流体给热时
（1）
式中：tw— 壁面温度
t — 冷流体的温度
δ— 传热边界层的厚度
实际上传热边界层的厚度δ不能测定，因为δ包括虚拟的厚度δf 。
令
=λ/δ为传热膜系数（也叫传热分系数），单位（
），则（1）变为，
（2）
（b）、热流体对壁面传热时
（3）
（2）、（3）为对流传热基本方程，又叫牛顿冷却定律。
的物理意义：单位时间内，单位传热面积上，温差为1k时，所能传递的热量。所以是对流给热强度的标志。（↑，传热效果好）。
4－3.2 对流传热膜系数
1 影响因素
牛顿冷却定律似乎简单，实际上并未减少计算上的困难，而是将难以测定的传热边界层厚度δ概括在传热膜系数中了。
通过理论分析和实验表明，影响对流给热系数的因素有以下几方面：
(1).流动型态
层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
湍流：质点充分混合且层流底层变薄，a较大。但Re，动力消耗大。
(2).引起流动的原因
自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，a也较小。
强制对流：外力作用引起的流动运动，一般u较大，故a较大。
(3).流体的物性
当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响a较大的物性有：r，m，l，cp。
(4).是否发生相变
主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r远大于cp）。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，情况复杂。
(5).传热面的形状、大小和位置
不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使a增大。
（a）形状：比如管、板、管束等；
（b）大小：比如管径和管长等；
（c）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。
2 传热过程的特征数
影响因素之多，以致要建立一个普遍适用的计算式是十分困难的。目前常用因次分析的方法。因次分析大意：通过实验测得的数据
将有关影响因素综合为数群 再将某些数群关联成准数方程，得到α的关连式。
① 努塞尔（Nusselt）准数
准数反映的是对流使给热系数增大的倍数。
② 雷诺（Reynolds）准数
雷诺（Reynolds）准数
即反映流体所受的惯性力与粘性力之比，表征流体的运动状态对对流传热的影响。的大小可以判别流型。
③ 格拉斯霍夫（Grashof）准数
格拉斯霍夫准数
是雷诺准数的一种变形，它表征着自然对流的流动状态。
④ 普兰特（Prandtl）准数
反映流体物性对对流传热的影响
注：由于由因次分析法导出的不是最终的表达式，只能用实验方法得到各参数的具体值，因此要特别注意不同的实验条件得出的不同的参数值。即
① 公式的应用范围。
② 特征尺寸的取法。
特征尺寸是指对流给热过程产生直接影响的几何尺寸。对管内强制对流给热，如为圆管，特征尺寸取管内径
；如为非圆形管道，通常取当量直径
对大空间内自然对流，取加热（或冷却）表面的垂直高度为特征尺寸，因加热面高度对自然对流的范围和运动速度有直接影响。
③ 定性温度
在给热过程中，流体的温度各处不同，流体的物性也必随之而变。因此，在计算各准数的数值时，用什么温度为基准来查取所需的物性数据？
考虑到给热过程的热阻主要集中在层流内层，可选壁温
和流体主体温度
的算术平均值，即
作为定性温度，并称之为平均膜温。
但是，以膜温作为定性温度在使用上是很不方便，因为计算
值，须先知道壁温，而计算壁温又必须先知道。因此必须进行联立求解方程求出壁温和。也就是必须采用试差法多次计算。为了简单方便，我们一般取流体主体的平均温度作为定性温度。
3、传热膜系数的特征关联式
对于流体在圆形直管内无相变，强制对流时的的关联式为，
（4）
当流体被加热时；m = 0.4
当流体被冷却 m = 0.3
可变为，
（4）式的应用范围：
① Re≥104，若. Re≤104，则需校正。
若
（为过渡区）用（4）算出的应乘以校正系数
即
若
为滞流
流体进出口算术平均温度下的流体粘度
壁温下的流体粘度
②
（不同书有不同的数值）
对于空气和水，Pr准数可直接查表
③ 管长与管径之比，
若< 50，则需校正
α 短 = α长（1.02~1.07） 若L／d＜30
α 短＝α长［1＋（d／L）0.7］
④ 粘度
，若
，则需校正
0.14
－流体平均温度下的粘度
－壁温下的流体粘度
由于壁温难以确定，故建议
当液体被加热时，
当液体被冷却时，
对于气体．不论是加热或冷却 ，
除上述四项应用范围外，还有定性温度，决定流体物性数据的温度称为定性温度
定性尺寸：流体在圆管内流动时，ｄ取管内径
4、沸腾和冷凝时的传热膜系数
(1)液体的沸腾传热
工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。
大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。
强制对流沸腾是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成复杂的汽—液两相流动，在流动过程中沿途吸热，直至全部汽化。
工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下α大，tW小。
(2)蒸汽冷凝的对流传热
蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。
(3)蒸汽冷凝的方式
膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。
滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的5~10倍甚至更高。
实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。
(4)影响冷凝传热的其它因素
汽流速和流向 蒸汽流动会在汽—液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。
凝性气体 蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。
热蒸汽 温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽，实验表明，在大气压力下，过热30℃的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540℃的蒸汽的给热系数高30%，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和蒸汽进行计算。
§4－4 交换的计算
在实际生产中，需要冷热两种流体进行热交换，但不允许它们混合。此时，冷、热两流体分别处在间壁两侧，传热操作是热流体经管壁（或器壁）向冷流体传热的过程，该过程称为热交换或换热。
4－4.1 总传热速率方程
热量的传递属于：对流→导热→对流类型
即, 热流体的热量
管外壁
管内壁冷流体
下面分别讨论
1、热量管外壁
（1）
式中：A1－ 外壁面积
2、外壁内壁
（2）
Am－ 平均传热面积
3、内壁
冷流体
（3）
A2－内壁面积 对于稳定传热
三式相加得
令
由于温差沿着传热壁面变化
∴，热交换基本方程 
（4）
式中K—传热系数，单位与
相同 即（W/m2k）
—对数平均温度差
若传热面为平壁，则
这时
（5）
若传热面为圆筒壁，但管子的直径较大，或管壁及垢层均较薄，
即d外/ d内< 2时，近似认为d内=d外=dm=d
这时k的计算式采用平壁的计算式，即
这时A多采用外壁面积。
若传热面积有垢层时，
（6）
讨论: 若传热壁面是新的，且壁面本身热阻较小，
若传热壁面是旧的且壁面和垢层均很薄， 热阻可忽略
（6）式简化为，
由此得出两个结论
A、在数值上：K<
，K<
设
，将分别除以分子和分母。
， ∵，
∴，
B、若
，K值接近于热阻较大的一项的值
∴ 在传热过程中，要提高K值，设法提高
值最小的一项，才会有显著的效果，即对传热更有利。
由
可知，提高
，则
（提高湍动程度）则δ↓
∴，
提高。
4－4.2 换热过程的热量衡算
在换热过程中，若忽略热损失，则 
1、无相变靠显热换热。
即流体在换热过程中无相变，仅靠物理显热进行热交换。
（7）
式中：
－质量流量，kg/s
C－流体进出口平均温度下的比热，
－流体进出换热器的温度
2、有相变，靠潜热换热
式中 D－流体的冷凝量或蒸发量，kg/s
H－流体的冷凝潜热或蒸发潜热，J/Kg
4－4.3 传热温差
1、恒温传热
高沸点液体的饱和蒸气冷凝，低沸点饱和液体的沸腾气化
两种流体进行热交换时，在任何时刻，两种流体的温度均不发生变化，即热流体始终为T，冷流体为t，这时
2、变温传热
在传热过程中间壁一侧或两侧的流体温度随着传热壁面位置的不同而不同。
变温传热大致有以下四种情况
一侧变温 两侧变温
对于间壁两侧都变温的传热过程，平均温度差随着换热器内流体流向的不同而不同。
3、逆流、并流时对数平均温度差
工业上最常用的是逆流和并流。平均温度差要用冷热流体进出口温度差的对数平均值计算。
即 
（9）
（10）
在计算中，取数值大的为
，小的为
，以保证分子和分母都是正数。
若 
可用算术平均值代替对数平均值，即
4、 流体流向的选择
只讨论逆流和并流的情况
(1)、从平均温度差考虑
假定，T1、T2、t1、t2
、K 均为定值
由于
根据 
知 
<
，换热面积小，设备就小。
(2)、从载热介质的用量考虑
因此，达到同一传热效果（加热或冷却），逆流比并流所用载热介质要少。
但并不是说逆流处处比并流优越，并流初期传热速率大，后期小，对于粘稠冷液体的加热，若采用并流，使其在进入换热器后迅速提高温度，降低粘度，有利于提高传热效果。
另外，并流容易控制加热或冷却的温度。
4－4.3 强化传热的途径
传热过程的强化占有十分重要的地位，设计和开发高效换热设备, 可以达到节能降耗的经济目的。
相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。
不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。
(1) 增加传热温差
用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度；在水冷器中降低水温以增大温差；冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差.
(2)提高传热系数
提高K值，必须设法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。
对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。
(3)增大传热面积
用螺纹管或螺旋槽管代替光管，在圆管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片，称之为扩展表面，都能有效提高传热速率。但是，扩展表面的温度低于基管的温度，传热量的增加率低于传热面积的增加率。
§4－5 热交换器
热交换器也称换热器，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三类，即间壁式、混合式、蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，以下主要讨论此类换热器。
4－5.1 列管式换热器（管壳式换热器）
列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。
优点：单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。
根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式
（1）固定管板式 壳体与传热管壁温度之差大于50°C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。
特点：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。
（2）浮头式 两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。
特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。
（3）U型管式 把每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。
特点：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热
4－5.2 其它热交换器
1、夹套式换热器
2、蛇管式换热器
3、螺旋板式换热器
4、板式换热器
5、热管