化工-第三章1课件

第三章传热过程及换热器4.2传导传热（导热）4.3对流传热（给热）4.4间壁式热交换的计算4.5换热器的选择及传热过程的强化4.1概述本章内容一、概述传热过程——系统内由于温度的差异使热量从高温向低温转移的过程为热量传递过程，简称传热过程。传热在化工中的重要性：化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行；在其他单元操作中物料都有一定的温度要求，需要加入或输出热量。非常温下操作的设备和管道需保温，以便减少对外界的传热。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。工业上的换热方式为了调节和控制物料的温度，以满足工艺要求，常需要对物料进行加热或冷却。需要加热的物料，常用一种热流体来供给热量；需要冷却的物料，又常用一种冷流体来吸收它的热量。这种用来对物料供热或吸热的流体统称为载热体（载冷体），物料和载热体之间的传热过程称为热交换（换热）。工业上的传热过程中，冷、热流体的换热方式有三种：直接接触式、蓄热式、间壁式。二、传热的三种基本方式热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。传导传热（热传导，导热）：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温度较低的另一物体的过程。特点：发生在相互接触的物质之间和物质内部，传热靠微观粒子的运动而完成，无物质的宏观运动。辐射传热（热辐射）：由于温差而引起的电磁波传递热量的过程。特点：不需要任何介质作媒介，可在真空中传播。热辐射的电磁波波长主要位于0.38～100μm波段内，属于可见光线和红外范围。任何物体只要在绝对零度以上都会发射电磁波形式的热射线。当物体的温度高于400℃才有明显的热辐射。在实际问题中，传热方式很少单独存在，常常两种或三种共存。按用途分：可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。按冷、热流体热量交换的原理和方式：可分为混合式、蓄热式、间壁式。按结构分：夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、翅片式、板翅式、热管式等三、常见换热器间壁式换热器间壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤：壁面另一侧将热量传给冷流体（给热）。热量通过固体壁面的热传导（导热）；热流体将热量传到壁面一侧（给热）；蛇管式换热器（1）沉浸式蛇管换热器结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容器内，冷热流体在管内外进行换热。优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小。为了强化传热，容器内加搅拌。优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果，只能安装在室外。用途：用于冷却或冷凝管内液体。结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。喷淋式换热器套管式换热器优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。因冷热流体温度不同，壳体和管束受热不同，其膨胀程度也不同，因此，列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取温差补偿措施。根据温差补偿措施，列管式换热器可分为：固定管板式：结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。浮头式：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。U型管式：结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热。板式换热器板式换热器特点：制作简便，结构紧凑，能节约金属材料；缺点是操作压力和温度都不能太高。可分为平板式换热器和螺旋板式换热器。平板式换热器优点：传热效率高，总传热系数大，结构紧凑，操作灵活，安装检修方便。缺点：耐温、耐压性较差，易渗漏，处理量小。

优点：结构紧凑，传热效率高，不易堵塞，结构紧凑，A/V大，成本较低。缺点：操作压力、温度不能太高，螺旋板难以维修，流体阻力较大。螺旋板式换热器板翅式换热器板翅式换热器是一种传热效果好，结构更为紧凑的板式换热器。它是由多个单元体组成的，所谓的单元体是在两块平行的金属薄板之间夹入波纹状或其他形状的翅片，两边以侧条密封的结构。优点：结构高度紧凑，传热效率高，允许较高的操作压力。缺点：制造工艺复杂，检修清洗困难。逆流错流热管换热器热管是一种新型传热元件，它是在一根装有毛细吸芯金属管内充以定量的某种工作液体，然后封闭并抽除不凝性气体。当加热段受热时，工作液体遇热沸腾，产生的蒸汽流至冷却段放出潜热。冷凝液沿毛细结构的吸液芯在毛细管渗透力作用下回流至加热段再次沸腾。特点：有相变对流传热系数大，结构简单，壁温均匀。传热的一些基本概念温度场——物体内各点温度的分布情况

物体内任一点的温度是该点的位置和时间的函数t=f(x,y,z,τ)温度空间坐标时间等温面——在某个时刻相同温度的各点所组成的平面。

定态场——温度场内各点的温度不随时间而变化，t=f(x,y,z)非定态场——各点温度随时间而变化，t=f(x,y,z,τ)热流量Φ——也称传热速率，指单位时间内通过全部传热面积所传递的热量，单位J/s或w；恒压比热Cp——指压强恒定时（常指1atm绝对压）单位质量物质温度升高1K时所需的热量，单位为