傳熱在化工生產(chǎn)中的應用

1、第四章 傳熱第一節(jié) 概述一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應用傳熱是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學第二定律可知，凡是有溫度差存在時，熱就必然從高溫處傳遞到低溫處，因此傳熱是自然界和工程技術領域中極普遍的一種傳遞現(xiàn)象。無論在能源、宇航、化工、動力、冶金、機械、建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等其它部門中都涉及到許多有關傳熱的問題?；瘜W工業(yè)與傳熱的關系尤為密切。這是因為化工生產(chǎn)中的很多過程和單元操作，都需要進行加熱和冷卻。例如，化學反應通常要在一定的溫度下進行，為了達到并保持一定的溫度，就需要向反應器輸入或從它輸出熱；又如在蒸發(fā)、蒸餾、干燥等單元操作中，都要向這些設備輸入或輸出熱。此外，

2、化工設備的保溫，生產(chǎn)過程中熱能的合理利用以及廢熱的回收等都涉及傳熱的問題。由此可見，傳熱過程普遍地存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。二、傳熱基本方式熱的傳遞總是由于物體內(nèi)部或物體之間的溫度不同引起的，熱量總是自動地從高溫物體傳給低溫物體。根據(jù)傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式：傳導、對流和熱輻射。（一）熱傳導(又稱導熱)若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(又稱導熱)。·熱傳導的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差，此時熱量將從高溫部分傳向低溫部分，或從高溫物體傳向與它接觸的低溫物體，直至整個物體的各部分溫度相等為止。

3、熱傳導在固體、液體和氣體中均可進行，但它的微觀機理因物態(tài)而異。固體中的熱傳導屬于典型的導熱方式。在金屬固體中，熱傳導起因于自由電子的運動；在不良導體的固體中和大部分液體中，熱傳導是通過晶格結構的振動，即是原子、分子在其平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的；在氣體中，熱傳導則是由于分子不規(guī)則運動而引起的。對于純熱傳導的過程，它僅是靜止物質(zhì)內(nèi)的一種傳熱方式，也就是說沒有物質(zhì)的宏觀位移。（二）熱對流流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程稱為熱對流(簡稱對流)。熱對流僅發(fā)生在流體中。在流體中產(chǎn)生對流的原因有二：一是流體中各處的溫度不同而引起密度的差別，使輕者上浮、重者下沉，流體質(zhì)點產(chǎn)生相對位移，這種對流稱

4、為自然對流；二是因泵(風機)或攪拌等外力所致的質(zhì)點強制運動.這種對流稱為強制對流。流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也不同。應予指出，在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。在化工傳熱過程中，常遇到的并非單純對流方式，而是流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程，即是熱由流體傳到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對流傳熱(又稱為給熱、。對流傳熱的特點是靠近壁面附近的流體層中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱。由此可見，對流傳熱與流體流動狀況密切相關。雖然熱對流是一種基本的傳熱方式，但是由于熱對流總伴隨著熱傳導，要將兩者分開處理是困難的，因此一般并不

5、討論單純的熱對流，而是著重討論具有實際意義的對流傳熱。（三）熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。所有物體(包括固體、液體和氣體)都能將熱能以電磁波形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì).也就是說它可以在真空中傳播。自然界中一切物體都在不停地向外發(fā)射輻射能，同時又不斷地吸收來自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。物體之間相互輻射和吸收能量的總結果稱為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳向低溫物體。輻射傳熱的特點是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移，即在放熱處，熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以電磁波的形式向空間傳遞；當遇到另一個能吸收輻射能

6、的物體時，即被其部分地或全部地吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋柚赋?，任何物體只要在熱力學溫度零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。實際上，上述的三種基本傳熱方式，在傳熱過程中常常不是單獨存在的，而是兩種或三種傳熱方式的組合，稱為復雜傳熱。例如，在高溫氣體與固體壁面之間的換熱就要同時考慮對流傳熱和輻射傳熱等。三、間壁式換熱器過程簡述在化工生產(chǎn)中遇到的多是間壁兩側(cè)流體的熱交換，即冷、熱流體被固體壁面(傳熱面)所隔開，它們分別在壁面兩側(cè)流動。固體壁面即構成間壁式換熱器。間壁式換熱器的類型很多，它們都是典型的傳熱設備。如圖4-1，4-,2所示，熱、冷流體通過間壁兩側(cè)的

7、傳熱過程包括以下三個步驟：(1)熱流體將熱量傳至固體壁面左側(cè)(對流傳熱)。(2)熱量自壁面左側(cè)傳至壁面右側(cè)(熱傳導)。(3)熱量自壁面右側(cè)傳至冷流體(對流傳熱)。通常，將流體與固體壁面之間的傳熱稱為對流傳熱過程，將熱、冷流體通過壁面之間的傳熱稱為熱交換過程，簡稱傳熱過程。圖4-1  間壁兩側(cè)流體間傳熱間壁式換熱圖4-2  套管式換熱器l一內(nèi)管2一外管在換熱器中，熱量傳遞的快慢可用以下兩個指標來表示。傳熱速率Q（熱流量）指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量。整個換熱器的傳熱速率稱為熱負荷，它表征了換熱器的生產(chǎn)能力，單位W。熱通量q指單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。在一定的傳熱

8、速率下，q越大，所需的傳熱面積越小。因此，熱通量是反映傳熱強度的指標，又稱為熱流強度，單位W/m2。第二節(jié)熱傳導一、 熱傳導的基本定律（一）熱傳導基本定律在一個均勻的物體內(nèi)，熱量以熱傳導的方式沿任意方向通過物體，取傳熱方向上的微分長度為，其濕度變化為。實踐證明，單位時間內(nèi)傳導的熱量與導熱面積、溫度梯度成正比，即：，稱為熱傳導基本定律，或稱傅里葉定律。式中負號表示導熱方向與溫度梯度方向相反。（二）熱導率將上式變形為：由此式可知，導熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。因此，導熱系數(shù)表征物質(zhì)導熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。導熱系數(shù)的數(shù)值與物質(zhì)的組成、結構、密度、溫度及壓強有關。各種物質(zhì)的

9、導熱系數(shù)通常用實驗方法測定。導熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大。一般來說，金屬的導熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體較小，氣體最小。工程計算中常見物質(zhì)的導熱系數(shù)可從有關手冊中查得，一般情況下各類物質(zhì)的導熱系數(shù)大致范圍見表41。表中數(shù)據(jù)表明了氣體、液體和固體的導熱系數(shù)的數(shù)量級范圍。表4-1  物質(zhì)導熱系數(shù)的數(shù)量級物質(zhì)種類氣體   液體非導固體金屬  絕熱材料A，W(m-)0.0060.60.070.70.23.015420<0.251、固體的導熱系數(shù)在所有的固體中，金屬是最好的導熱體。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。金屬的導熱系數(shù)大多隨其純度的增高而增大

10、，因此，合金的導熱系數(shù)一般比純金屬要低。非金屬的建筑材料或絕熱材料的導熱系數(shù)與溫度、組成及結構的緊密程度有關，通常隨密度增加而增大，隨溫度升高而增大。對大多數(shù)固體，丸值與溫度大致成線性關系，即                            式中固體在溫度為t時的導熱系數(shù)，W(m·)；固體在O時的導熱系

11、數(shù)，W(m·)；a，常數(shù)，又稱溫度系數(shù)，1。對大多數(shù)金屬材料，a,為負值；對大多數(shù)非金屬材料，a，為正值。   2、液體的導熱系數(shù)   液體可分為金屬液體和非金屬液體。液態(tài)金屬的導熱系數(shù)比一般液體的要高。在液態(tài)金屬中，純鈉具有較高的導熱系數(shù)。大多數(shù)液態(tài)金屬的導熱系數(shù)隨溫度升高而降低。在非金屬液體中，水的導熱系數(shù)最大。除水和甘油外，液體的導熱系數(shù)隨溫度升高略有減小。一般說來，純液體的導熱系數(shù)比其溶液的要大。溶液的導熱系數(shù)在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可按純液體的入值進行估算。有機化合物水溶液的導熱系數(shù)估算式為    &

12、#160;           式中  a組分的質(zhì)量分率；下標m表示混合液，i表示組分的序號。有機化合物的互溶混合液的導熱系數(shù)估算式為               3、氣體的導熱系數(shù)氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在相當大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導熱系數(shù)隨壓強的變化甚微，可以忽略不計。只有在過高或過低的壓強(高于kPa或低于3kPa

13、)下，才考慮壓強的影響，此時隨壓強增高導熱系數(shù)增大。氣體的導熱系數(shù)很小，對導熱不利；但是有利于保溫、絕熱。工業(yè)上所用的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因為其空隙中有氣體，所以其導熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。二、通過平壁的定常熱傳導（一）單層平壁的熱傳導單層平壁的熱傳導，如圖43所示。假設平壁材料均勻，導熱系數(shù)丸不隨溫度而變(或取平均導熱系數(shù))；平壁內(nèi)的溫度僅沿垂直于壁面的上方向變化，因此等溫面是垂直于工軸的平面；平壁面積與厚度相比是很大的，故從壁的邊緣處損失的熱可以忽略。對此種定態(tài)的一維平壁熱傳導，導熱速率、傳熱面積和導熱系數(shù)都為常量，由傅里葉定律知，分離變量積分得，或上式表明，導熱速率正比于傳熱推

14、動力，反比于熱阻R。圖4-3  單層平壁的熱傳導(二) 多層平壁的熱傳導圖4-4  三層平壁的熱傳導以三層平壁為例，如圖49所示。各層的壁厚分別為1、2和3，導熱系數(shù)分別為1、2和3。假設層與層之間接觸良好，即相接觸的兩表面溫度相同。各表面溫度為t1、t2、t3和t4，且t1t2t3t4。在定態(tài)導熱時，通過各層的導熱速率必相等，即Q=Ql=Q2=Q3。由等比定律可得三、通過圓筒壁的定常熱傳導化工生產(chǎn)中常遇到圓筒壁的熱傳導，它與平壁熱傳導的不同處在于圓筒壁的傳熱面積不是常量，隨半徑而變；同時溫度也隨半徑而變。(一)單層圓筒壁的熱傳導圖4-5單層圓筒壁的熱傳導單層圓筒壁的熱傳導

15、如圖45所示。若圓筒壁很長，沿軸向散熱可忽略，則通過圓筒壁的熱傳導可視為一維定態(tài)，熱傳導。設圓筒的內(nèi)半徑為r1，外半徑為r2，長度為L。圓筒內(nèi)、外壁面溫度分別為t1和t2，且t1>t2。若在圓筒半徑r處沿半徑方向取微分厚度dr的薄壁圓筒，其傳熱面積可視為常量，等于；同時通過該薄層的溫度變化為dt。仿照平壁熱傳導公式，通過該薄圓筒壁的導熱速率可以表示為，分離變量積分得，為便于理解和對比，將上式如下轉(zhuǎn)換成：，由上二式比較可知，圓筒壁的熱阻為（二）多層圓筒壁的熱傳導多層(以三層為例)圓筒壁的熱傳導，如圖46所示。假設各層間接觸良好，各層的導熱系數(shù)分別為1、2、3，厚度分別為b1=(r2-r1)

16、、b2=(r3-r2)、b3=(r4-r3)，則三層圓筒壁的導熱速率方程式為，也可改寫為圖4-6  多層圓筒壁熱傳導第三節(jié)對流傳熱一、對流傳熱基本議程和對流傳熱系數(shù)如前所述，流體流過固體壁面(流體溫度與壁面溫度不同)時的傳熱過程稱為對流傳熱。它在化工傳熱過程(如間壁式換熱器)中占有重要的地位。對流傳熱過程機理較復雜，其傳熱速率與很多因素有關。對流傳熱是借流體質(zhì)點的移動和混合而完成的，因此對流傳熱與流體流動狀況密切相關。在“流動流體”一章中曾指出，當流體流過固體壁面時，由于流體粘性的作用，使壁面附近的流體減速而形成流動邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度。當邊界層內(nèi)的流動處于滯流狀況時，稱為滯

17、流邊界層；當邊界層內(nèi)的流動發(fā)展為湍流時，稱為湍流邊界層。但是，即使是湍流邊界層，靠近壁面處仍有一薄層(滯流內(nèi)層)存在，在此薄層內(nèi)流體呈滯流流動。滯流內(nèi)層和湍流主體之間稱為緩沖層。由于滯流內(nèi)層中流體分層運動，相鄰層間沒有流體的宏觀運動，因此在垂直于流動方向上不存在熱對流，該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(實際上，在滯流流動時的傳熱總是要受到自然對流的影響，使傳熱加劇)。由于流體的導熱系數(shù)較低，使滯流內(nèi)層內(nèi)的導熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點的劇烈混合并充滿旋渦；因此湍流主體中溫度差(溫度梯度)極小，各處的溫度基本上相同。在緩沖層區(qū)，熱對流和熱傳導的作用

18、大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。圖413表示冷、熱流體在壁面兩側(cè)的流動情況和與流體流動方向相垂直的某一截面上的流體溫度分布情況。圖4-7 對流傳熱的溫度分布情況由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象。對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層，因此，減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。二、影響對流傳熱系數(shù)的因素（1） 流體的物理性質(zhì)如：導熱系數(shù)、比熱容、密度和粘度。（2） 流體的相態(tài)變化通常在傳熱過程中若流體發(fā)生相變（沸騰或冷凝），其對流傳熱系數(shù)比無相變時要大得多。（3） 強制對流的流動狀態(tài)反映流體流動型態(tài)的物理量是特征數(shù)（4） 自然對流的影響（5） 傳熱面的形狀特征與

19、相對位置三量綱三、量綱分析法在對流傳熱中的應用四、流體無相變時的對流傳熱系數(shù)（一）管內(nèi)強制對流1、圓形直管內(nèi)強制湍流的傳熱系數(shù)許多研究者對低粘度流體（小于2倍常溫水的粘度）在光滑圓管中湍流傳熱進行的大量實驗證實：或應用條件：（1） 應用范圍，管長與管徑之比，低粘度流體，光滑管。（2） 定性溫度取流體進、出口溫度的算術平均值（3） 特征尺寸、數(shù)中的取管內(nèi)徑第四節(jié) 傳熱計算化工原理中所涉及的傳熱過程計算主要有兩類：一類是設計計算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負荷，確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核計算，即計算給定換熱器的傳熱量、流體的流量或溫度等。兩者都是以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計算的基礎。應用前

20、述的熱傳導速率方程和對流傳熱速率方程時，需要知道壁面的溫度。而實際上壁溫常常是未知的，為了避開壁溫，故引出間壁兩側(cè)流體間的總傳熱速率方程。一、 熱量衡算在換熱器計算中，首先需要確定換熱器的熱負荷。若換熱器保溫良好，熱損失可以忽略不計，對于定常傳熱過程，根據(jù)能量守恒定律，過程傳遞的熱量必等于熱流體的負焓變，并等于冷流體的焓變。若流體在換熱過程中沒有相變化，可列出熱量衡算式為： (W)若換熱器中流體發(fā)生相變化，應考慮相變化前后焓變的影響。如：若熱流體為飽和蒸汽，換熱過程中在飽和溫度下發(fā)生冷凝，而冷凝體無相變化，則若冷凝液出口溫度低于飽和溫度時，則應有二、傳熱速率方程換熱器的熱負荷通常是由工藝要求確

21、定的，在一定的熱負荷下，需要多大的傳熱面積才能完成任務呢？經(jīng)驗表明，在定常傳熱情況下，換熱器的熱負荷即傳熱速率正比于傳熱面積和兩流體間的溫度差，并同樣可表示為傳熱推動力和傳熱熱阻之比。在列管式換熱器中，兩流體間的傳熱通常是通過管壁進行的，故管壁表面積可視作傳熱面積。應予指出，管徑可根據(jù)情況選用管內(nèi)徑、管外徑或平均直徑，則對應的傳熱面積分別為管內(nèi)表面積、管外表面積或平均表面積。對于一定的傳熱任務，若能上式確定傳熱面積，即可在選定管子規(guī)格以后，確定管子的長度或根數(shù)，并進而完成換熱器的工藝設計或選型工作。但是，要使用傳熱速率方程，必須首先了解傳熱系數(shù)和傳熱平均溫度差的計算方法。三、傳熱平均溫度差間壁

22、兩側(cè)流體傳熱平均溫度差的計算，必須考慮兩流體的溫度沿傳熱面的變化情況以及流體相互間的流向。流向可分為并流、逆流、錯流和折流四類，(a)錯流(b)折流在圖418(a)中，兩流體的流向互相垂直，稱為錯流；在圖418(b)中，一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復折流，稱為簡單折流。若兩流體均作折流，或既有折流又有錯流，則稱為復雜折流。（一）恒溫傳熱與變溫傳熱熱、冷流體在定常的熱交換過程中，溫度變化情況可分為以下兩類。（1）恒溫傳熱沿傳熱壁面的不同位置上，兩種液化的溫度皆不變化，稱為恒溫傳熱。（2）變溫傳熱若間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿著傳熱壁面在不斷變化，稱為變溫傳熱。單側(cè)流體溫度變化的情況兩側(cè)流體

23、溫度均在變化時的情況。圖4-16  兩側(cè)流體變溫時的溫差變化(a)逆流     (b)并流(a) 逆流，即冷、熱流體在傳熱面兩側(cè)流向相反；(b) 并流，即冷、熱流體在傳熱面兩側(cè)流向相同。（二）平均溫度差的計算假定：為定常傳熱過程，、均為常數(shù)；沿傳熱面、和K值均不變；換熱器的熱損失可以忽略。由換熱器的熱量衡算微分式知根據(jù)前述假定(1)和(2)，由上式可得常量  ， 常量如果將對及作圖，由上式可知-和-都是直線關系，可分別表示為：  及上兩式相減，可得： 由上式可知與也呈直線關系。將上述諸直線定性地繪于圖417中。由圖417可以

24、看出，-的直線斜率為  將式4-34代人上式可得   由前述假定(3)知K為常量，故積分上式得 則            (4-48)    式4-44是適用于整個換熱器的總傳熱速率方程式。該式是傳熱計算的基本方程式。由該式可知平均溫度差。等于換熱器兩端溫度差的對數(shù)平均值，即             

25、0;      (4-49)上式中的。稱為對數(shù)平均溫度差，其形式與第一節(jié)中所述的對數(shù)平均半徑相同。同理，在工程計算中，當2時，可用算術平均溫度差代替對數(shù)平均溫度差，其誤差不超過4%。換熱器兩端溫差相差越大，對數(shù)平均值就越小于算術平均值。在極限情況下，當換熱器兩端溫差有一個為零時，對數(shù)平均溫差也為零，這意味著傳遞指定的熱量，需要無限大的傳熱面。用這個觀點來分析逆流和并流操作的差別，在冷、熱流體進出口溫度各自相同的條件下，由于并流操作兩端溫差較大，其對數(shù)平均值必小于逆流操作。因此，就增加傳熱過程推動力而言，逆流操作優(yōu)于并流操作，可以減少傳熱面積。逆流操作的另一優(yōu)點是可以節(jié)約冷卻劑或加熱劑的用量。因為并流時，總是低于；而逆流時，卻可能高于。這樣，對于同樣的傳熱量，逆流冷卻時，冷卻介質(zhì)的溫升可以并流時大，冷卻劑的用量就可少些。同理，逆流加熱時，加熱劑的用量也可少于并流。當然，在這種情況下，平均溫差和傳熱面積都將變化，逆流的平均溫度差就不一定比并流大。應用式4-49時，取換熱器兩端的中數(shù)值大者為,小者為，這樣計算較為簡便。（三）折流和錯流的平均溫度差對于折流和錯流的平均溫度差，可先按逆流進行計算，然后再乘以校正系數(shù)。即溫度差校正系數(shù)與冷、熱流體的溫度變化有關，是P和R兩因