幾乎所有的化工生產(chǎn)過(guò)程都伴有傳熱操作

1、6、傳熱6.1 概述6.1.1 概述幾乎所有的化工生產(chǎn)過(guò)程都伴有傳熱操作，進(jìn)行傳熱的目的通常是： 加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度； 換熱，以回收利用熱量或冷量； 保溫，以減少熱量或冷量的損失。如高溫設(shè)備的保溫，低溫設(shè)備的保冷?；瘜W(xué)工業(yè)能耗高，僅次于冶金工業(yè)，因此，應(yīng)合理利用能源、節(jié)約能源。通常，傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中占很大比例，有些可達(dá)40%左右，所以傳熱是化工重要的單元操作之一。同時(shí)，熱能合理利用對(duì)降低產(chǎn)品成本和環(huán)境保護(hù)有重要意義。（1）傳熱過(guò)程中冷熱流體的接觸方式熱水空氣填料涼水塔根據(jù)冷熱流體的接觸情況，工業(yè)上的傳熱過(guò)程可分為三中基本方式，每種傳熱方式所用換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)也迥然不同。

2、直接接觸式傳熱對(duì)某些傳熱過(guò)程，例如熱氣體的直接水冷及熱水的直接空氣冷卻等，可使冷、熱流體直接接觸進(jìn)行傳熱。這種接觸方式傳熱面積大，設(shè)備簡(jiǎn)單。如涼水塔，其中裝填填料，填料可以增大接觸面積，增大湍動(dòng)程度，增大傳熱系數(shù)。由于冷熱流體直接接觸，這種傳熱方式必伴有傳質(zhì)過(guò)程。 間壁式傳熱在多數(shù)情況下，工藝上不允許冷、熱流體直接接觸，因此直接接觸式傳熱過(guò)程在工業(yè)上并不很多。工業(yè)上應(yīng)用最多的是間壁式傳熱過(guò)程。間壁式換熱器類型很多，其中最簡(jiǎn)單而又最典型的結(jié)構(gòu)是套管換熱器。在套管式換熱器中，冷熱流體分別通過(guò)環(huán)隙和內(nèi)管，熱量自熱流體傳給冷流體，這種熱量傳遞過(guò)程包括三個(gè)步驟：a 熱流體靠對(duì)流傳熱將熱量傳給金屬壁一側(cè)給

3、熱；b熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)的形式傳至另一側(cè)導(dǎo)熱；c 熱量以對(duì)流傳熱形式從壁面?zhèn)鹘o冷流體給熱。冷、熱流體之間進(jìn)行的熱量傳遞總過(guò)程通常稱為傳熱（或換熱）過(guò)程，而將流體與壁面之間的熱量傳遞過(guò)程稱為給熱過(guò)程。T1熱流體T2t1冷流體t2套管換熱器熱流體Tt冷流體Q給熱導(dǎo)熱間壁給熱間壁兩側(cè)傳熱過(guò)程 蓄熱式換熱器首先使熱流體通過(guò)蓄熱器中固體壁面，用熱流體將固體填充物加熱，然后停止熱流體，使冷流體通過(guò)固體表面，用固體填充物所積蓄的熱量加熱冷流體。這樣交替通過(guò)冷、熱流體達(dá)到換熱的目的。為將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給或取走熱量，此流體稱為載熱體。起加熱作用的載熱體稱為加熱劑；而起冷卻作用的載

4、熱體稱為冷卻劑。（2）載熱體及其選擇工業(yè)上常用的加熱劑有熱水、飽和水蒸汽、礦物油、聯(lián)苯混合物、熔鹽和煙道氣等。當(dāng)要求溫度小于180時(shí)，常用飽和水蒸汽。飽和水蒸汽冷凝放出潛熱，潛熱大大于顯熱，因此所需的蒸汽量小，且相變過(guò)程不發(fā)生溫度變化。（注：若不將飽和水蒸汽中的不凝性氣體及時(shí)排走，會(huì)大大降低傳熱效果。）工業(yè)上常用的加熱劑及其使用溫度范圍可參見(jiàn)教材p231表6-1。常用的冷卻劑是水、空氣和各種冷凍劑。水和空氣可將物料最低冷卻至周圍環(huán)境的溫度。當(dāng)溫度不很低時(shí)，水是最適宜的冷卻劑。在選用載熱體時(shí)為提高傳熱過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，必須根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)溫位的載熱體，同時(shí)還應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面問(wèn)題： 載熱體的溫度

5、應(yīng)易于調(diào)節(jié)； 載熱體的飽和蒸氣壓宜低，加熱時(shí)不會(huì)分解； 載熱體毒性要小，使用安全，對(duì)設(shè)備應(yīng)基本上沒(méi)有腐蝕； 載熱體應(yīng)價(jià)格低廉而且容易得到。6.1.2 傳熱過(guò)程 化工生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的是間壁式換熱器，因此我們以間壁式換熱器來(lái)討論傳熱過(guò)程。（1）傳熱速率傳熱過(guò)程的速率可用以下兩種方式表示： 熱流量：即單位時(shí)間內(nèi)熱流體通過(guò)整個(gè)換熱器的傳熱面?zhèn)鬟f給冷流體的熱量（W=J/s），因此與傳熱面有關(guān)。 熱流密度（熱通量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位傳熱面積所傳遞的熱量（W/m2）,即與熱流量不同，熱流密度與傳熱面積大小無(wú)關(guān)，完全取決于冷、熱流體之間的熱量傳遞過(guò)程，是反映具體傳熱過(guò)程速率大小的特征量。工業(yè)上的傳熱過(guò)程包括定

6、態(tài)和非定態(tài)傳熱情況，但是大多涉及到的都屬于定態(tài)傳熱過(guò)程，對(duì)于定態(tài)傳熱過(guò)程和以及有關(guān)的物理量都不隨時(shí)間而變。（2）換熱器的熱流量（）對(duì)于定態(tài)傳熱過(guò)程，熱流密度不隨時(shí)間而變，但沿著管長(zhǎng)是變化的，因此作為傳熱結(jié)果，冷、熱流體的溫度沿管長(zhǎng)而變，冷、熱流體的溫差也必將發(fā)生相應(yīng)的變化。設(shè)換熱器的傳熱面積為，由可推出換熱器的熱流量為間壁兩側(cè)，冷、熱流體的溫差（）沿管長(zhǎng)而變，因此為計(jì)算換熱器的熱流量，還必須找出熱流密度沿傳熱面的變化規(guī)律。（3）非定態(tài)傳熱過(guò)程工業(yè)上不少傳熱過(guò)程是間歇進(jìn)行的，即隨著傳熱的進(jìn)行，流體的溫度隨時(shí)間而變，因此是非定態(tài)過(guò)程。如用飽和蒸汽加熱攪拌釜內(nèi)的液體就屬于非定態(tài)傳熱過(guò)程。對(duì)此換熱器，夾套內(nèi)為蒸汽冷凝，因而各處溫度相同，釜內(nèi)液體充分?jǐn)嚢韪魈帨囟染?，故在任何時(shí)刻傳熱面各點(diǎn)的熱流密度相同。但是，作為傳熱結(jié)果，釜內(nèi)液體溫度隨時(shí)間不斷上升，熱流密度隨時(shí)間不斷減小。對(duì)非定態(tài)傳熱問(wèn)題通常關(guān)心的是一段時(shí)間內(nèi)所傳遞的累積總熱量。設(shè)夾套傳熱面積為，則因此，要求，只知道熱流密度的計(jì)算式是不夠的，還須知道隨時(shí)間的變化規(guī)律。（4）傳熱機(jī)理任何熱量的傳遞只能通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行。固體內(nèi)部的熱量傳遞只能以傳導(dǎo)的方式進(jìn)行