化工原理第三章 传热-学习要点.docx

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化工原理第三章 传热-学习要点
一、 传热基本概念与分类
传热是热力学中的一个基本过程，它描述了热量从高温区域传递到低温区域的现象。在化工生产中，传热是一个至关重要的环节，它直接影响到反应速率、产品质量和设备效率。传热的基本概念可以从三个方面来理解：传导、对流和辐射。
(1)传导传热是热量通过固体材料从高温区域向低温区域传递的过程。这种传热方式主要依赖于物质的导热系数。导热系数是衡量物质导热能力的一个物理量，其数值越大，表示物质导热能力越强。例如，铜的导热系数约为401W/(m·K)，/(m·K)。在实际应用中，金属管道常被用作热交换器，因为它们能够有效地传递热量。以石油化工行业为例，加热炉中的金属管道需要具备良好的导热性能，以确保燃料燃烧产生的热量能够迅速传递到反应物中。
(2)对流传热是指流体（液体或气体）在流动过程中，热量通过流体内部或流体与固体表面之间的接触传递的现象。对流传热的特点是热量传递速度较快，且受流体流动状态的影响较大。流体的流动状态可以分为层流和湍流两种。层流时，流体流动平稳，热量传递主要通过分子间的碰撞来实现；而湍流时，流体流动剧烈，热量传递主要通过涡流和湍流脉动来实现。例如，在冷却塔中，水与空气之间的热量传递主要通过对流传热实现。冷却塔的设计需要考虑水流量、空气流速以及塔内填料等因素，以确保对流传热效率最大化。
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(3)辐射传热是指物体通过电磁波的形式将热量传递给其他物体的过程。辐射传热的特点是不依赖于介质，可以在真空中进行。辐射传热的强度与物体的温度、表面积以及辐射率有关。辐射率是衡量物体辐射能力的一个物理量，其数值越大，表示物体辐射能力越强。例如，太阳辐射到地球表面的热量主要通过辐射传热实现。在化工设备中，辐射传热常用于加热或冷却过程。如红外加热器，它通过辐射传热将热量传递给被加热物体，广泛应用于食品、塑料等行业的加热过程。
在实际工程应用中，传热过程往往是传导、对流和辐射三种方式的综合。例如，在热交换器中，热量可以通过管壁（传导）传递给流体（对流传热），同时，管壁和流体表面也可以通过辐射传热将热量传递给周围环境。了解和掌握传热的基本概念与分类，对于优化化工生产过程、提高设备效率具有重要意义。
二、 传热基本方程与传热系数
(1)传热基本方程是描述热量传递速率的数学表达式，它包括牛顿冷却定律、傅里叶定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。牛顿冷却定律描述了物体与周围环境之间的热量交换，公式为Q=hA(Ts-Tw)，其中Q为热量传递速率，h为传热系数，A为传热面积，Ts和Tw分别为物体表面温度和环境温度。例如，在冷却塔中，通过调整冷却水的流量和流速，可以控制传热系数h，从而提高冷却效果。
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(2)传热系数是衡量传热效率的重要参数，它反映了物体或材料传递热量的能力。传热系数的单位为W/(m²·K)。在工业应用中，常用传热系数来评价热交换器的设计和运行效果。例如，不锈钢材料的导热系数约为16W/(m·K)，/(m·K)。在热交换器的设计过程中，需要综合考虑材料的传热系数，以优化传热效果。以板式热交换器为例，其传热系数通常在1000-2000W/(m²·K)之间，远高于传统的管壳式热交换器。
(3)传热系数受多种因素影响，如材料的热导率、几何形状、温度差和流体流动状态等。在实际工程中，可以通过实验和计算来确定传热系数。例如，在核反应堆的设计中，传热系数的计算对确保核燃料的安全性至关重要。传热系数的计算公式为K=h·A/T，其中K为传热系数，h为传热系数，A为传热面积，T为温差。通过优化设计参数，可以提高核反应堆的传热效率，降低核燃料的损耗。
三、 传热过程的分析与计算
(1)传热过程的分析与计算是化工设计中的重要环节，涉及多种方法和理论。其中，热平衡方程是分析传热过程的基础，它描述了热量在不同物体或系统之间的传递。例如，在一个热交换器中，热平衡方程可以表示为Q1+Q2=0，其中Q1为热源向系统传递的热量，Q2为系统向冷源传递的热量。在实际应用中，热平衡方程常用于确定热交换器的设计参数，如传热面积和传热系数。
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(2)在传热过程的计算中，傅里叶定律是核心理论之一，它描述了稳态传热中热量在物体内部或物体之间的传递速率。傅里叶定律的数学表达式为Q=-kA(dT/dr)，其中Q为热量传递速率，k为材料的热导率，A为传热面积，dT/dr为温度梯度。通过求解傅里叶方程，可以计算出物体内部的温度分布。例如，在石油化工行业中，利用傅里叶定律计算油罐壁温，以确保油罐的安全运行。
(3)传热过程的计算往往需要考虑流体流动的影响。雷诺数是衡量流体流动状态的无量纲数，用于判断流体是层流还是湍流。当雷诺数小于2000时，流体为层流；当雷诺数大于4000时，流体为湍流。在实际工程中，雷诺数的计算对于确定流体的流动状态和传热系数至关重要。例如，在冷却塔的设计中，通过计算雷诺数，可以确定流体流动的稳定性，从而选择合适的冷却塔结构。冷却塔的效率与其传热面积和流体流动状态密切相关，因此在设计时需要综合考虑这些因素。