第四章化工

第四章传热第一节概述（一）传热过程在化工生产中的应用加热或冷却换热强化传热过程保温削弱传热过程传热过程即热量传递过程。在化工生产过程中，几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作，如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许多设备或管道在高温或低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失，则需要保温（或隔热）；近十多年来，随着能源价格的不断上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以上所讲到的情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过程具有相当重要的地位。化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类：一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用；另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热等，则要求传热速率越低越好。二、传热的三种基本方式传热的基本方式热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射。1、热传导又称导热。当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，藉此，热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。在热传导过程中，没有物质的宏观位移。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另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移气体：分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体：导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体：机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。2、对流又称热对流、对流传热。在流体中，主要是由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。对流传热过程中往往伴有热传导。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起，则称为强制对流(forcedconvection)；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流(naturalconvection)。3、辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的。如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁(如管壁)传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行。三、冷热流体的接触方式1．直接接触式冷热流体直接混合进行热量交换。2．蓄热式冷热流体交替流过换热器。优点：结构较简单；耐高温。缺点：设备体积大；有一定程度的混合。3．间壁式冷热流体通过换热壁面热交换。1）套管换热器传热面为内管壁的表面2）列管换热器传热面为壳内所有管束壁的表面积四、热载体及其选择加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等。冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却温度30°C水；加热温度180°C饱和水蒸气五、间壁式换热器中的传热过程1．基本概念热负荷Q’：同种流体温升或温降时，吸收或放出的热量，单位J/s或W。传热速率Q：热流量，单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。热流密度q：热通量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/(s.m2)或W/m2。2．冷热流体通过间壁的传热过程3.冷热流体通过间壁的传热过程3.冷热流体通过间壁的传热过程定态传热：Q1=Q2=Q3=Q总传热速率方程：式中：K──总传热系数，W/(m2.℃)或W/(m2.K)；Q──传热速率，W或J/s；A──总传热面积，m2；△tm──两流体的平均温差，℃或K。工业生产中冷、热两种流体的热交换，大多数情况下不允许两种流体直接接触，要求用固体壁隔开，这种换热器称为间壁式换热器。图4-1所示的套管式换热器是其中的一种。它是由两根管子套在一起组成的。两种流体分别在内客与两根管的环隙中流动，进行热量交换。热流体的温度由T1降至T2；冷流体的温度由t1升至t2。间壁两侧流体的换热情况可用图4-2表示。由于热流体与冷流体之间有温度差Δtm，则热量通过间从热流体传给冷流体。单位时间内的传热量，即传热速率(heattransferrate)Q，与传热面积A及两流体的温度差Δtm成正比，为Q=KAΔtm(4-1)式中K----------比例系数，称为总传热系数W/m2·K(或W/m2·℃)；Q-----------传热速率，J/s(或W)；A-----------传热面积，m2；Δtm-------两流体的平均温度差，K(或℃)。式(4-1)称传热速率方程式或传热基本方程式，它是换热器设计最重要的方程式。当所要求的传热速率Q、温度差Δtm及总传热系数K已知时，可用传热速率方程式计算所需要的传热面积A。如图4-2所示，热流体靠对流传热将热量传给管壁，在管壁中靠热传导将热量从一侧传到另一侧，再靠对流传热将热量从管壁传给冷流体。因此，要掌握传热过程的原理，首先要分别研究热传导和对流传热的基本原理。四、换热器的热负荷计算热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量。换热器中冷、热两流体进行热交换，若忽略热损失，则根据能量守恒原理，热流体放出的热量Q1必等于冷流体吸收的热量Q2，Q1=Q2，称此为热量衡算式。热量衡算式与传热速率方程式为换热器传热计算的基础。设计换热器时，根据热负荷要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。下面介绍热负荷计算。（一）无相变化时热负荷计算1．比热法当物质与外界交换热量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。在恒压条件下，单位质量的物质升高1℃所需的热量，称为定压比热或定压热容。以符号cp表示，单位为kJ/kg·K(或kJ/kg·℃)。（二）有相变化时热负荷计算当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计算。例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量，或液体沸腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量，可用下式计算Q=Gr汽化(或蒸汽冷凝)潜热，单位为kJ/kg。潜热等于饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。例4-1试计算压力为147.1kN/m2，流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50℃时所放出的热量。解此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二是水温降至50℃时所放出的显热。蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1水由110.7℃降温至50℃时放出的热量Q2共放出热量QQ=Q1+Q2第二节热传导一、有关热传导的基本概念只要物体内部有温度差存在，就有热量从高温部分向低温部分传导。所以研究热传导必须涉及物体内部的温度分布。1.温度场和等温面温度场：某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场。等温面：温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面。因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度，所以不同的等温面彼此不能相交。2.温度梯度温度梯度是一个点的概念。温度梯度是一个向量。方向垂直二、导热系数1.固体的导热系数λ在数值上等于单位温度梯度下的热通量。λ是分子微观运动的宏观表现。常用的固体导热系数见表4-1。在所有固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m·K，不锈钢的导热系数仅为16W/m·K。2.液体的导热系数液体分成金属液体和非液体两类，前者导热系数较高，后者较低。在非金属液体中，水的导热系数最大，除去水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度升高而略有减小。一般来说，溶液的导热系数低于纯液体的导热系数。表4-2和图4-6列出了几种液体的导热系数值。表4-2液体的导热系数液体温度，℃导热系数，λW/m·K醋酸50%200.35丙酮300.17苯胺0~200.17苯300.16氯化钙盐水30%300.55乙醇80%200.24甘油60%200.38甘油40%200.45正庚烷300.14水银288.36硫酸90%300.36硫酸60%300.43水300.623.气体的导热系数气体的导热系数随温度升高而增大。在通常的压力范围内，其导热系数随压力变化很小，气体的导热系数很小，故对导热不利，但对保温有利。常见的几种气体的导热系数值见表4-3。表4-3气体的导热系数气体温度，℃导热系数，λW/m·K氢00.17二氧化碳00.015空气00.024空气1000.031甲烷00.029水蒸汽1000.025氮00.024乙烯00.017氧00.024乙烷00.018三、对流传热1．对流传热的基本概念对流传热是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，帮与流体的流动情况密切相关。工业上遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固体壁面之间的热交换，变化即流体将热量传给固体壁面或者由壁面将热量传给流体的过程称之为对流传热（或称对流给热、放热）。在第一章流体流动中已指出，流体产生流动的原因可以是流体以外力（如泵、鼓风机等）作用下而造成的强制对流，亦可是由流体内部的温度差而引起流体的密度差产生的自然对流。俚流体的流动类型只有层流与湍流两种。当流体作层流流动时，各层流体平等流动，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要民热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。而当液体为湍流流动时，无论流体主体的湍动程度多大，紧邻壁面处总胡一薄层流体顺着壁面作层流流动（即层流底层），同理，此层内在垂直于流体流动方向上的热量传递，仍是以热传导方式为主进行。由于大多数流体的导热系数较小，帮热阻主要集中在层流底层中，因此，温度差也主要集中在该层中。在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，过渡区内的热量传递是传导与对流的共同作用。而在油流全体中，由于流体的质点剧烈混合，可以认为无传热阻力，即温度梯度已消失。在处理上，将有温度梯度存在的区域称为传热边界层（thermalboundarylayer）或温度边界层，当然，传热的主要热阻即在此层中。图4-11中表示对流传热时A-A截面上的温度分布情况。由上述分析可见，对流传热与流体的流动情况及流体的性质等有关，其影响因素很多。2、对流传热过程的分析层流底层：温度梯度大，式主要以热传导方式进行。湍流核心：温度梯度小，对流方式。过渡区域：热传导和对流方式。传热的基本关系a——对流传热系数，W/m2·K（或W/m2·℃）。3.影响对流传热系数的主要因素引起流动的原因：（1）自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。（2）强制对流：由于外力和压差而引起的流动。α强α自实验表明，影响对流传热系数的主要因素有：1、流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变化。有相变化时对流传热系数比无相变化时大的多；2、流体的物理性质：影响较大的物性有密度р、比热Cp、导热系数λ、粘度μ等；3、流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；4、流体对流的状况：自然对流，强制对流；5、传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。由上述分析可见，影响对流传热的因素很多，故对流传热系数的确定是一个极为复杂的问题。在一般情况下，对流传热系数沿不能推导出理论计算式，而只能通过实验测定。四、传热过程的计算1．总传热系数管外对流管壁热传导管内对流对于定态传热2．传热平均温度差的计算按照参与热交换的两种流体在沿着换热器壁面流动时各点