工業(yè)傳熱過(guò)程機(jī)理與傳熱安全分析

1、工業(yè)傳熱過(guò)程機(jī)理與傳熱安全分析 一、 傳熱過(guò)程機(jī)理分析根據(jù)傳熱的機(jī)理的不同，熱量傳遞有3種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。傳熱可依靠其中一種或幾種方式進(jìn)行。不管以何種方式傳熱，熱量自發(fā)傳遞的方向總是由高溫處向低溫處傳遞的。熱傳導(dǎo)又稱為導(dǎo)熱，是由于物質(zhì)的分子、原子或電子的熱運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，使熱量從物體的高溫部分向低溫部分傳遞的過(guò)程。任何緊密接觸的物體，不論其內(nèi)部有無(wú)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只要存在溫度差，就必然發(fā)生熱傳導(dǎo)?？梢?jiàn)熱傳導(dǎo)不但發(fā)生在固體中，而且也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。氣體、液體、固體的熱傳導(dǎo)不但發(fā)生在固體中，而且也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。氣體、液體、固體的熱傳導(dǎo)進(jìn)行的機(jī)理各不相同。在氣體中，熱

2、傳導(dǎo)是由不規(guī)則的分子熱運(yùn)動(dòng)引起的；在大部分液體和不良導(dǎo)體的固體中，熱傳導(dǎo)是由分子或晶格的振動(dòng)傳遞動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，良好的導(dǎo)電體也是良好的導(dǎo)熱體。熱傳導(dǎo)不能在真空中進(jìn)行。熱對(duì)流是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。由于引起流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因不同，對(duì)流又可分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。由于外力(泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等作用)而引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，稱為強(qiáng)制對(duì)流；由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異，使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱為自然對(duì)流。在流體發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，往往伴隨著自然對(duì)流。但一般強(qiáng)制對(duì)流的強(qiáng)度比自然對(duì)流強(qiáng)度大得多。流體中發(fā)生對(duì)流傳熱時(shí)，導(dǎo)熱是不能避免的，通常把流體與固體

3、壁面間的熱量傳遞稱之為對(duì)流傳熱(或給熱)。因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過(guò)程，稱為熱輻射。它是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的方法。具體地說(shuō)，物體將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空氣中進(jìn)行傳送，當(dāng)遇到另一個(gè)能吸收輻射能的物體時(shí)，即被其部分或全部吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果?？芍?，輻射傳熱不僅是能量傳遞，同時(shí)還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。熱輻射不需要任何媒介，換言之，可以在真空中傳播，這是熱輻射不同于其他傳熱方式的另一特點(diǎn)。應(yīng)予指出，只有物體溫度較高時(shí)，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。實(shí)際上，傳熱過(guò)程往往不是以某種傳熱方式單獨(dú)出現(xiàn)，而是以兩種或三種傳熱方式的組合。例如生產(chǎn)

4、中普遍使用的間壁式換熱器中的傳熱，主要是以熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)相結(jié)合的方式進(jìn)行的。下面將結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)傳導(dǎo)傳熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱分別介紹?；どa(chǎn)中的熱交換通常發(fā)生在兩流體之間。在換熱過(guò)程中，溫度較高放出熱量的流體稱為熱流體，溫度較低吸收熱量的流體稱為冷流體。同時(shí)，根據(jù)換熱目的的不同，熱流體(或冷流體)又有其他的名稱。若換熱的目的是為了將冷流體加熱，此時(shí)熱流體稱為加熱劑，常見(jiàn)的加熱劑有水蒸氣(一般也稱為加熱蒸汽)等；若換熱的目的是為了將熱流體冷卻(或冷凝)，此時(shí)冷流體稱為冷卻劑(或冷凝劑)，常見(jiàn)的冷卻劑(或冷凝劑)有冷水、冷凍鹽水和空氣等。二、 典型換熱過(guò)程安全分析在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)熱量交換

5、的設(shè)備稱為熱量交換器，簡(jiǎn)稱為換熱器。根據(jù)換熱器換熱的方法的不同，通常有如下幾種類型。(一) 幾種典型換熱方式(1)間壁式換熱 間壁式換熱是指在間壁式換熱器進(jìn)行的換熱，間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在此類換熱器中，需要進(jìn)行熱量交換的兩流體被無(wú)數(shù)固體壁面分開(kāi)，互不接觸，熱量由熱流體(放出熱量)通過(guò)壁面?zhèn)鹘o冷流體(吸收熱量)。該類換熱器的特點(diǎn)是兩流體進(jìn)行了換熱而不混合。生產(chǎn)中通常要求兩流體進(jìn)行換熱時(shí)不能有絲毫混合，因此，間壁式換熱器應(yīng)用最廣，形式多樣，各種管式和板式結(jié)構(gòu)的換熱器均屬此類。(2)直接接觸式換熱 直接接觸式換熱是指在直接接觸式換熱器進(jìn)行換熱，直接接觸式換熱器又稱為混合式換熱

6、器。在此類換熱器中，兩流體直接接觸，相互混合進(jìn)行換熱。該類型換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效率高，適用于兩流體允許混合的場(chǎng)合。常見(jiàn)的這類換熱器有涼水塔、洗滌塔、噴射冷凝器等。(3)蓄熱式換熱 蓄熱式換熱是指在蓄熱式換熱器進(jìn)行的換熱，蓄熱式換熱器又稱為回流式換熱器。這種換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。熱、冷流體交替進(jìn)入換熱器，熱流體將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱體中，然后由冷流體全取走，從而達(dá)到換熱的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，效率低，且不能完全避免兩流體的混合，如石油化工中的蓄熱式裂解爐。(二) 典型換熱器安全設(shè)計(jì)分析前已述及，

7、根據(jù)換熱方法的不同，有3種類型的換熱器，其中以間壁式換熱器應(yīng)用最廣。為便于結(jié)合工程實(shí)際討論傳熱的基本原理及應(yīng)用，先簡(jiǎn)單介紹兩種典型的間壁式換熱器。如圖91所示，套管換熱器是由兩個(gè)直徑不同的同心圓管套在一起而構(gòu)成的。一種流體在管內(nèi)流動(dòng)，另一種流體在環(huán)隙中流動(dòng)，通過(guò)同管壁面進(jìn)行熱量交換，因此內(nèi)管壁面面積即為傳熱面積。如圖92所示，為一固定管板式列管換熱器，主要由殼體、封頭、管束、管板等部件構(gòu)成。操作時(shí)一種流體由封頭上的接管3進(jìn)入器內(nèi)，經(jīng)封頭與管板間的空間(分配室)分配至各管內(nèi)，流過(guò)管束后，從另一端封頭上的接管4流出換熱器。另一種流體由殼體上的接管3流人，殼體內(nèi)裝有若干塊折流擋板7，流體在殼體內(nèi)沿折流擋板作折流流動(dòng)，從殼體上的接管4流出換熱器。兩流體在換熱器內(nèi)隔著管壁進(jìn)行換熱。通常將流經(jīng)管內(nèi)的流體稱為管程(管方)流體；將流經(jīng)管外的流體稱為殼程(殼方)流體。由于在圖92所示的換熱器內(nèi)，管程流體和殼程流體均只一次流過(guò)換熱器，沒(méi)有回頭，故稱為單管程列管換熱器。為改善換熱器的傳熱，工程上常采用多程換熱器，圖93為一雙管程單殼程列管換熱器，封頭內(nèi)隔板4將分配室一分為二，管程流體只能先通過(guò)一半管束，流到另一端分配室后再折回流過(guò)另一半管束，然后流出換熱器。由于流體在管束內(nèi)流經(jīng)兩次，故稱為雙管程列管換熱器。若流體在管束內(nèi)來(lái)回流過(guò)多次，則稱為多管程。一般除單管程外，管程數(shù)為