化工-第三章1課件

第三章傳熱過程及換熱器4.2傳導(dǎo)傳熱（導(dǎo)熱）4.3對流傳熱（給熱）4.4間壁式熱交換的計算4.5換熱器的選擇及傳熱過程的強化4.1概述本章內(nèi)容一、概述傳熱過程——系統(tǒng)內(nèi)由于溫度的差異使熱量從高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過程為熱量傳遞過程，簡稱傳熱過程。傳熱在化工中的重要性：化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)通常是在一定的溫度下進行；在其他單元操作中物料都有一定的溫度要求，需要加入或輸出熱量。非常溫下操作的設(shè)備和管道需保溫，以便減少對外界的傳熱。能源價格的不斷上升和對環(huán)保要求增加，熱量的合理利用和廢熱的回收越來越得到人們的重視。工業(yè)上的換熱方式為了調(diào)節(jié)和控制物料的溫度，以滿足工藝要求，常需要對物料進行加熱或冷卻。需要加熱的物料，常用一種熱流體來供給熱量；需要冷卻的物料，又常用一種冷流體來吸收它的熱量。這種用來對物料供熱或吸熱的流體統(tǒng)稱為載熱體（載冷體），物料和載熱體之間的傳熱過程稱為熱交換（換熱）。工業(yè)上的傳熱過程中，冷、熱流體的換熱方式有三種：直接接觸式、蓄熱式、間壁式。二、傳熱的三種基本方式熱量傳遞的基本方式有傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱三種。傳導(dǎo)傳熱（熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱）：熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的溫度較低的另一物體的過程。特點：發(fā)生在相互接觸的物質(zhì)之間和物質(zhì)內(nèi)部，傳熱靠微觀粒子的運動而完成，無物質(zhì)的宏觀運動。輻射傳熱（熱輻射）：由于溫差而引起的電磁波傳遞熱量的過程。特點：不需要任何介質(zhì)作媒介，可在真空中傳播。熱輻射的電磁波波長主要位于0.38～100μm波段內(nèi)，屬于可見光線和紅外范圍。任何物體只要在絕對零度以上都會發(fā)射電磁波形式的熱射線。當(dāng)物體的溫度高于400℃才有明顯的熱輻射。在實際問題中，傳熱方式很少單獨存在，常常兩種或三種共存。按用途分：可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。按冷、熱流體熱量交換的原理和方式：可分為混合式、蓄熱式、間壁式。按結(jié)構(gòu)分：夾套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、翅片式、板翅式、熱管式等三、常見換熱器間壁式換熱器間壁式換熱器中，熱量自熱流體傳給冷流體的過程包括三個步驟：壁面另一側(cè)將熱量傳給冷流體（給熱）。熱量通過固體壁面的熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）；熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)（給熱）；蛇管式換熱器（1）沉浸式蛇管換熱器結(jié)構(gòu)：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應(yīng)容器所需要的形狀，沉浸在容器內(nèi)，冷熱流體在管內(nèi)外進行換熱。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，便于防腐，能承受高壓。缺點：傳熱面積不大，蛇管外對流傳熱系數(shù)小。為了強化傳熱，容器內(nèi)加攪拌。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好。缺點：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。用途：用于冷卻或冷凝管內(nèi)液體。結(jié)構(gòu)：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進行換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進行重新分配。噴淋式換熱器套管式換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使平均對數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應(yīng)用方便。缺點：結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。用途：廣泛用于超高壓生產(chǎn)過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。結(jié)構(gòu)：由不同直徑組成的同心套管，可根據(jù)換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。因冷熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，因此，列管式換熱器必須從結(jié)構(gòu)上考慮熱膨脹的影響，采取溫差補償措施。根據(jù)溫差補償措施，列管式換熱器可分為：固定管板式：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。浮頭式：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。U型管式：結(jié)構(gòu)較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱。板式換熱器板式換熱器特點：制作簡便，結(jié)構(gòu)緊湊，能節(jié)約金屬材料；缺點是操作壓力和溫度都不能太高?？煞譃槠桨迨綋Q熱器和螺旋板式換熱器。平板式換熱器優(yōu)點：傳熱效率高，總傳熱系數(shù)大，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，安裝檢修方便。缺點：耐溫、耐壓性較差，易滲漏，處理量小。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效率高，不易堵塞，結(jié)構(gòu)緊湊，A/V大，成本較低。缺點：操作壓力、溫度不能太高，螺旋板難以維修，流體阻力較大。螺旋板式換熱器板翅式換熱器板翅式換熱器是一種傳熱效果好，結(jié)構(gòu)更為緊湊的板式換熱器。它是由多個單元體組成的，所謂的單元體是在兩塊平行的金屬薄板之間夾入波紋狀或其他形狀的翅片，兩邊以側(cè)條密封的結(jié)構(gòu)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)高度緊湊，傳熱效率高，允許較高的操作壓力。缺點：制造工藝復(fù)雜，檢修清洗困難。逆流錯流熱管換熱器熱管是一種新型傳熱元件，它是在一根裝有毛細吸芯金屬管內(nèi)充以定量的某種工作液體，然后封閉并抽除不凝性氣體。當(dāng)加熱段受熱時，工作液體遇熱沸騰，產(chǎn)生的蒸汽流至冷卻段放出潛熱。冷凝液沿毛細結(jié)構(gòu)的吸液芯在毛細管滲透力作用下回流至加熱段再次沸騰。特點：有相變對流傳熱系數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡單，壁溫均勻。傳熱的一些基本概念溫度場——物體內(nèi)各點溫度的分布情況

物體內(nèi)任一點的溫度是該點的位置和時間的函數(shù)t=f(x,y,z,τ)溫度空間坐標(biāo)時間等溫面——在某個時刻相同溫度的各點所組成的平面。

定態(tài)場——溫度場內(nèi)各點的溫度不隨時間而變化，t=f(x,y,z)非定態(tài)場——各點溫度隨時間而變化，t=f(x,y,z,τ)熱流量Φ——也稱傳熱速率，指單位時間內(nèi)通過全部傳熱面積所傳遞的熱量，單位J/s或w；恒壓比熱Cp——指壓強恒定時（常指1atm絕對壓）單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高1K時所需的熱量，單位為