第4章 传 热

 
  【本章学习要求】  
 

    熟练掌握热传导的基本原理,傅立利定律,平壁与圆筒壁的稳定热传导及计算;掌握对流传热的基本原理,牛顿冷却定律,对流传热系数关联式的用法和条件;熟练运用传热速率方程并对热负荷、平均温度差、总传热系数进行计算;要求能够根据计算结果及工艺要求选用合适的换热器。了解列管换热器的结构特点及其应用。

 
  【掌握内容】  
  (1)传热计算:热量衡算,平均温度差的计算;
(2)热传导的基本定律、多层平壁和圆筒壁的导热计算;
(3)对流传热方程式,管内强制湍流对流给热系数的计算式及应用范围和条件;
(4)总传热系数的计算及强化传势过程的途径;
(5)列管式换热器的主要构造。
 
  【熟悉内容】  
  (1)传热的基本方程及流体流动方向的选择,垢层热阻计算。
(2)热幅射的基本概念,两固体间热幅射传热量的计算。
(3)传热系数的测定和估算。
 
  【了解内容】  
  (1)加热方法和热载体。
(2)各种换热器的结构特点及应用。
(3)列管式换热器工艺设计应考虑的问题、设计计算方法和步骤。
 
 
 
 
第1节 概 述
 
  1 传热在化工生产中的应用  
     
      化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行的,为此需向反应物加热到适当的温度;而反应后的产物常需冷却以移去热量。在其他单元操作中,如蒸馏、吸收、干燥等,物料都有一定的温度要求,需要加入或输出热量。此外,高温或低温下操作的设备和管道都要求保温,以便减少它们和外界的传热。近十多年来,随能源价格的不断上升和对环保要求增加,热量的合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。
    化工对传热过程有两方面的要求:
(1)强化传热过程:在传热设备中加热或冷却物料,希望以高传热速率来进行热量传递,使物料达到指定温度或回收热量,同时使传热设备紧凑,节省设备费用。
(2)削弱传热过程:如对高低温设备或管道进行保温,以减少热损失。
 
     
  2 传热的基本方式  
     
       任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。
(1)热传导
    热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分,或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导,又称导热。
  特点:在纯的热传导过程中,物体各部分之间不发生相对位移,即没有物质的宏观位移。
从微观角度来看,气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。
  气体:气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果;
  导电固体:自由电子在晶格间的运动;良好的导电体中有相当多的自由电子在晶格之间运动,正如这些自由电子能传导电能一样,它们也能将热能从高温处传到低温处;
  非导电固体:非导电体的导热是通过晶格结构的振动来实现的;
  液体:存在两种不同的观点,类似于气体和类似于非导电固体。

(2)对流
    流体内部质点发生相对位由于引起质点发生相对位移的原因不同,可分为自然对流和强制对流。移而引起的热量传递过程,对流只能发生在流体中。
  自然对流:流体原来是静止的,但内部由于温度不同、密度不同,造成流体内部上升下降运动而发生对流。
  强制对流:流体在某种外力的强制作用下运动而发生的对流。

(3)热辐射
    辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射能,其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体放热时,热能变为辐射能,以电磁波的形式在空间传播,当遇到另一物体,则部分或全部被吸收,重新又转变为热能。热辐射不仅是能量的转移,而且伴有能量形式的转化。此外,辐射能可以在真空中传播,不需要任何物质作媒介。

 
     
  3 传热过程中冷热流体的接触方式
 
     
       化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。根据冷热流体的接触情况,工业上的传热过程可分为三大类:直接接触式、蓄热式、间壁式。

(1)直接接触式传热
    在这类传热中,冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换,又称为混合式传热。
  优点:方便和有效,而且设备结构较简单,常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。
  缺点:在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。

(2)蓄热式传热
    这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时,即可通过填料将从热流体来的热量,传递给冷流体,达到换热的目的。
  优点:结构较简单,可耐高温,常用于气体的余热或冷量的利用。
  缺点:由于填料需要蓄热,所以设备的体积较大,且两种流体交替时难免会有一定程度的混合

(3)间壁式传热
    在多数情况下,化工工艺上不允许冷热流体直接接触,故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多,工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开,以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。
    套管换热器是由两根不同直径的直管组成的同心套管,如下图所示。一种流体在内管内流动,而另一种流体在内外管间的环隙中流动,两种流体通过内管的管壁传热,即传热面为内管壁的表面积。
    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。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。

 
     
  4 热载体及其选择
 
     
       为了将冷流体加热或热流体冷却,必须用另一种流体供给或取走热量,此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂;而起冷却作用的热载体称为冷却剂。

(1)加热剂
    工业中常用的有热水(40~100℃)、饱和水蒸气(100~180℃)、矿物油或联苯等低熔混合物(180~540℃)、烟道气(500~1000℃)等。用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法,其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应,调节其压强就可以控制加热温度,使用方便。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制。

(2)冷却剂
    工业中常用的有水(20~30℃)、空气、冷冻盐水、液氨(-33.4℃)等等。水又可分为河水、海水、井水等,水的传热效果好,应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区,宜采用空气冷却,但空气传热速度慢。

 
     
  5 传热过程
 
     
 

(1)传热速率
    热流量Q:单位时间内通过整个传热面传递的热量,W。
    热流密度q:又称热通量,单位时间内通过单位传热面传递的热量,W/m2
                           
           式中:A─总传热面积,m2

(2)稳态与非稳态传热
    稳态传热:传热系统中传热速率、热通量及温度等有关物理量分布规律不随时间而变,仅为位置的函数。连续生产过程的传热多为稳态传热。
    非稳态传热:传热系统中传热速率、热通量及温度有关物理量分布规律不仅要随位置而变,也是时间的函数。

(3)间壁式传热过程
    如上图所示的套管换热器,它是由两根不同直径的管子套在一起组成的,热冷流体分别通过内管和环隙,热量自热流体传给冷流体,热流体的温度从T1降至T2,冷流体的温度从t1上升至t2。这种热量传递过程包括三个步骤:
  ①热流体以对流传热方式把热量Q1传递给管壁内侧;
  ②热量Q2从管壁内侧传导以热传导方式传递给管壁的外侧管壁
  ③外侧以对流传热方式把热量Q3传递给冷流体
    对于稳态传热:

 
   
 
     
 
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