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化工原理 第四章 传热及传热设备 第一节 概 述 一、传热在化工生产中的应用 在物体内部或者物系间,只要存在温度差,就会自动发生从高温处向低温处的热量传递。温度差就是传热过程的推动力。在化学工业生产中传热应用极为广泛，传热过程所涉及的主要问题有三类： 1.物料的加热与冷却。例如化工生产中的许多单元操作如蒸发、干燥、蒸馏等操作过程中,都需要供给一定热量,一般的化学反应也都伴随着热量的传递,而且都要求将温度控制在一定范围内,因此需要不断地输入和输出热量。 2.热量与冷量的回收利用。在能源短缺的今天,热量与冷量都是能量,有效回收利用热量与冷量以节约能源是非常重要的,也是降低生产成本的重要措施之一。例如利用锅炉排出的烟道气的废热,预热燃料燃烧所需要的空气等。 3.设备与管路的保温。有许多设备与管路是在特定高温或低温下操作,为了减少热量与冷量的损失,总是在设备与管路的表面包上绝热材料的保温层,以尽量避免传热。 由此可见,传热是化工生产中必不可少的基本操作,能量的充分利用是化工生产、尤其是大型生产中极为重要的课题。 第一节 概 述 二、传热的基本方式 热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。 根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。 1.热传导：又称传导传热,简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间,热量会自动地从高温向低温传递的方式。本质上它是依靠物体内分子的热振动和自由电子的运动而进行热能的传递。在热传导中物体中的分子不发生相对位移,如铁棒的传热等 。固体、液体和气体都能以这种方式传热。 2.热对流：又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。 第一节 概 述 3.热辐射：又称辐射传热,是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后,又重新全部或部分地转变为热能的过程。因此辐射传热,不仅是能量的传递，还同时伴随有能量形式的转化。另外,辐射传热不需要任何介质作媒介,它可以在真空中传播。这是热辐射与热传导及热对流的根本区别。一般只有物体温度大于400℃时,才有明显的热辐射。 实际上，以上三种传热方式很少单独存在，一般都是两种或三种方式同时出现。在一般换热器内，辐射传热量很小，往往可以忽略不计，只需考虑热传导和热对流两种传热方式。 第一节 概 述 三、工业生产上的换热方法 参与传热的流体称为载热体。在传热过程中，温度较高而放出热能的载热体称为热载热体或加热剂；温度较低而得到热能的载热体称为冷载热体或冷却剂、冷凝剂。 冷、热两种流体在换热器内进行热交换，实现热交换的方法有以下三种： 1.直接接触式换热 其特点是冷、热两流体在换热器中直接接触，如图4-1所示，在混合过程中进行传热，故也称为混合式换热。 混合式换热器适用于用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合。常用于气体的冷却或水蒸气冷凝。 第一节 概 述 2.蓄热式换热 其特点是冷、热流体间的热交换是通过蓄热器的周期性加热和冷却来实现的。该换热器是由热容量较大的蓄热室构成,室内装有耐火砖等固体填充物,如图4-2所示。操作时冷、热流体交替的流过蓄热室,利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 由于这类换热设备的操作是间歇交替进行的,并且难免在交替时发生两股流体的混合,所以这类设备在化工生产中使用的不太多。 第一节 概 述 3.间壁式换热 其特点是冷、热流体被一固体壁面隔开,分别在壁面的两侧流动,不相混合。传热时热流体将热量传给固体壁面,再由壁面传给冷流体。这是生产中使用最广泛的一种形式。适用于两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合,如锅炉烧水。 化工生产中最常遇到的换热过程就是间壁式换热