第三章　传热操作技术

第一节　概　　述

一、传热的基本方式及原理

根据传热机理的不同，热量传递有三种基本方式：热传导、对流传热和辐射传热，但根据具体情况，热量传递可以以其中一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。在无外功输入时，热流方向总是由高温处向低温处流动。

1.热传导（又称导热）

热量不依靠宏观混合运动而从物体中的高温区向低温区移动的过程叫热传导，简称导热，热传导在固体、液体和气体中都可以发生。

2.对流传热

对流传热是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，因而对流传热只能发生在有流体流动的场合，在化工生产中经常遇到的对流传热有热能由流体传到固体壁面或由固体壁面传入周围流体两种，对流传热可以由强制对流引起，也可以由自然对流引起，前者是将外力（泵或搅拌器）施加于流体上，从而使流体微团发生运动；而后者则是由于流体内部存在温度差，形成流体的密度差，从而使微团在固体壁面与其附近流体之间产生上下方向的循环流动。

3.辐射传热

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。热辐射与热传导和对流传热的最大的区别就在于它可以在完全真空的地方传递而无需任何介质。

工业上经常遇到的是两流体间的换热问题。换热器是化工生产传热过程中最常用的设备之一，图3-1为简单套管式换热器，它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的，冷热流体分别流经内管和环隙而进行热的传递。

在管壳式换热器中，一种流体在管内流动（管程流体），而另一种流体在壳与管束之间从管外表面流过（壳程流体），为了保证壳程流体能够横向流过管束，以形成较高的传热速率，在外壳上装有许多挡板。视换热器端部结构的不同，可采用一个或多个管程。若管程流体在管束内只流过一次，则称为单程管壳式换热器。

换热器的传热一般是通过热传导和热对流等方式来实现的，传热的快慢用传热速率来表示。传热速率Q是指单位时间内通过传热面的热量，其单位为W。热通量则是指单位面积的传热速率，其单位为W/m2。由于换热器的传热面积可以用圆管的内表面积、外表面积或平均面积表示，因此相应的热通量的数值各不相同，计算时应标明选择的基准面积。

二、套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

1.对流传热速率方程

根据传递过程普遍关系，壁面与流体间的对流传热速率应该等于推动力和阻力之比，即

对流传热速率=对流传热推动力÷对流传热阻力=系数×推动力

若以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为：

　　        （3-1）

式中　dQ——局部对流传热速率，W；

dS——微分传热面积，m2；

t——换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃；

tw——换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度，℃；

α——比例系数，又称局部对流传热系数，W/（m2·℃）。

2.对流传热系数αi的测定

在该传热实验中，空气走内管，蒸汽走外管。

对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

　　        （3-2）

式中　αi——管内流体对流传热系数，W/（m2·℃）；

Qi——管内传热速率，W；

Si——管内换热面积，m2；

Δtm——内壁面与流体间的温差，℃。

Δtm由式（3-3）确定：

　　        （3-3）

式中　t1，t2——冷流体的入口、出口温度，℃；

tw——壁面平均温度，℃。

因为换热器内管为紫铜管，其热导率很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示。

管内换热面积：

Si=πdiLi　　        （3-4）

式中　di——内管管内径，m；

Li——传热管测量段的实际长度，m。

由热量衡算式：

　　        （3-5）

其中质量流量由下式求得：

　　        （3-6）

式中　Vm——冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；

——冷流体的定压比热容，kJ/（kg·℃）；

ρm——冷流体的密度，kg /m3。

和ρm可根据定性温度tm查得，tm=为冷流体进出口平均温度。t1，t2，tw，Vm可采取一定的测量手段得到。

3.对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

　　        （3-7）

式中，，，。

物性数据λm、、ρm、μm可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特数Pr变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

　　        （3-8）

这样通过实验确定不同流量下的Re与Nu，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三、物料流向及能量平衡

如图3-2所示为一典型的传热装置流程图。下面以此装置为例，来说明物料流向及能量平衡。本装置所采用的换热器为单管程列管换热器，冷空气走管程，水蒸气走壳程，通过逆流间壁式接触来达到换热的目的。

空气由旋涡气泵提供，经过换热器加热之后放空。

水蒸气由蒸汽发生器提供，在蒸汽分配器内缓冲之后进入换热器壳程，与空气换热之后冷凝成液体，之后排污。

热流体以对流方式将热量传递给管壁，之后热量以热传导方式由管壁的外侧传递至内侧，传递至内侧的热量又以对流方式传递给冷流体。操作稳定之后，在整个换热器中，在单位时间内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。