第4章 传热过程及换热器1

1第4章传热过程及换热器4.1化工生产中的传热过程及常见换热器1．化工生产中的传热过程系统内温度的差异使热量从高温向低温转移的过程称之为热量传递过程，简称传热过程。化工生产中的传热过程比比皆是，所有化学反应都要在一定温度下进行，为了满足工艺条件，必须适当地供给热量或移走热量；单元操作中的蒸发、精馏、干燥等过程也需要按一定速率供给热量或移走热量；许多设备和管道都在高温或低温下运行，应尽量减少它们与外界的传热，需要保温；为节约能源、降低成本，化工企业需要热量回收和综合利用等。可见，传热过程不但为化工生产过程提供了必要的温度条件，保证了过程的热量平衡，满足了生产的要求，而且也是化学工业提高经济效益、保护环境的重要措施。通常，传热设备在化工企业设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热过程是化工生产十分重要的单元操作之一。化工生产对传热的要求有两类，一是要求热量的传递速率要高，如上述的化学反应的加热或冷却，目的是增大设备的传热强度、提高生产能力或减小设备尺寸、降低生产费用；另一类则是要求尽量避免热量传递，如设备和管道的保温、保冷，需要采用隔热等方法减小传热速率。传热过程也分为定态传热和非定态传热两种，换热器传热面上各点温度不随时间而改变的过程称为定态传热，反之，称为不定态传热。工业生产中的连续换热操作多属于前者，间歇操作或连续操作的换热器开工之时多属于非定态传热。定态传热时传热速率亦不随时间而变化，即传热速率为常量。工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。①直接接触式在某些传热过程中，例如热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等，采用冷、热流体直接接触进行换热。这种方式传热面积大，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是由塔型的外壳及若干促进冷、热流体密切接触的内件（如填料）等构成。②间壁式在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合，而往往是将冷、2热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热，所采用的设备叫间壁式换热器，其型式很多，稍后专门介绍。③蓄热式这种传热过程中，首先使热流体流过换热器，将器内固体填充物（如耐火砖等）加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，吸取热量而被加热，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传热目的。一般来说，蓄热式换热只适用于气体，对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷、热流体之间的少量掺混，如果这种掺混也是不允许的话，便不能采用蓄热式换热器。2．传热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。○1传导传热系统温度较高部分的粒子（气体、液体的分子，固体的原子，导电固体的自由电子）因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。热传导过程的特点是，粒子只是在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。②对流传热对流传热也称热对流，是指流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。工程上，对流传热是指流体流经固体壁面与该表面发生的热量交换，又称给热。流体的对流因其粒子产生相对宏观位移的原因不同分为两种，一种是由于流体内部各处温度不同而造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；另一种是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。强制对流较自然对流传热效果好。○3辐射传热辐射传热亦称热辐射，是一种热量以电磁波传递的方式。当物体受热而引起内部原子激发，热能变为辐射能以电磁波形式向周围空间发射，射到另一物体时辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能，这种能量传播过程称为热辐射。热辐射的特点是不需要任何传热介质，而可在真空中传递。物体的温度只要在绝对零度以上，都可以发射电磁波形式的热射线。高温物体向低温物体发射热射线，低温物体也同时向高温物体发射热射线，只不过高温物体向低温物体辐射的能量多而已。实验证明，物体的温度高于400℃才有明显的热辐射，而化工生产中一般间壁式换热器中的传热过程温度都不很高，过程中因辐射而传递的热量大多情况下可忽略不计，故本章主要讨论热传导和热对流。3需要指出的是，实际化工生产中的传热过程很少以一种方式进行，而往往是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。3．间壁式换热器化工生产中最常遇到的传热过程是两种流体间的热交换，间壁式换热器是实现这种过程的基本设备，也是化工生产中的常见换热器。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：①热流体将热量传到壁面一侧；②热量通过固体壁面的热传导；③壁面的另一侧将热量传给冷流体。即整个热交换为给热一导热一给热的串联过程。间壁式换热器依传热面的结构可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器的传热面是由管子做成的，包括套管式、列管式、蛇管式、喷淋式和翅片管式等；板式换热器的传热面是由板材做成的，包括夹套式、螺纹板式、螺旋板式等。图4－1为简单的套管换热器，它是由不同直径的两根管子同心地套在一起组成的。冷、热两种流体分别流经内管和环隙进行热交换，其传热面为内管的壁面。图4—2为单程列管式换热器。一流体由左侧封头5的接管4进入器内，经封头与管4板6间的空间（分配室）分配至各管内，流过管束2后，由另一端的封头流出换热器。另一流体由壳体右侧的接管3进入，壳体内装有数块折流板7，使流体在壳与管束之间，沿折流板作折流运动，从另一端的壳体接管流出换热器。通常把流体流经管束称为管程，将该流体称为管程流体；把流体流经管间环隙称为壳程，将该流体称为壳程流体。由于管程流体在管束内只流过一次，故称为单程列管式换热器。图4—3为双程列管式换热器。隔板4将分配室等分为二，管程流体只能先流经一半管束，待流到另一分配室折回而再流经另一半管束，然后从接管流出换热器。由于管程流体在管束内流经两次，故称为双程列管式换热器。管程流体在管束内来回流过几次，就称为与次数相同程数的换热器。列管换热器中两流体间的传热是通过管壁进行的，故平均管壁总面积即为它的传热面积。换热器传热的快慢用热流量由来表征，热流量是指单位时间通过传热面的热量，其单位为W或kW；换热器传热性能的优劣一般用面积热流量q来评价，面积热流量亦称热流密度，是指单位传热面积的热流量，其单位为W·m-2。4.2传导传热1.热传导基本方程——傅里叶定律5如图4－4所示，当均匀物体两侧有温度差（t1一t2）时，热量以传导的方式通过物体由高温向低温传递。实验证明：单位时间物体的导热量dQ／d与导热面积A和温度梯度dt／d呈正比。写为等式：dQdtAdd(4─1)该式为热传导基本方程，也称为傅里叶（Fourier）定律。定态传热时：=QdtAd(4─2)式中dt／d——温度梯度，K·m-1，表示传热方向上因距离而引起温度变化的程度，其方向垂直于传热面，并以温度增加的方向为正，由于热量传递方向与温度梯度相反，故在式中加一个负号；A——导热面积，m2；——比例系数，热导率，也称为导热系数，W·m-1·K-1。热导率是表征物质导热能力的一个参数，为物质性质之一。热导率越大，物质的导热能力越强。热导率的大小与物质的组成、结构、状态（温度、湿度、压强）等因素有关。各种物质的热导率由实验测定，一般而言，金属的热导率大，非金属固体材料的热导率小，液体的热导率更小，气体的热导率最小（约为液体的1／10）。各种物质的热导率可从附录或化工手册中查取。2．间壁式换热器壁面的热传导化工生产中间壁式换热器的传热面有平面壁和圆筒壁两种结构形式之分，同时也有单层和多层之别。（1）平面壁的定态热传导平面壁指间壁几何结构为平面的传热面，有时亦将直径很大的圆筒壁面近视似地当6平面壁处理，如夹套式反应釜的传热面、炉灶的传热面等。平面壁热传导的特点是沿传热方向导热面积A不发生变化。如图4—5所示的同一材料的单层平面壁，在定态传热条件下，其热导率不随时间发生变化，传热面的温度仅沿垂直于壁面的热量传递方向变化、但不随时间变化。按傅里叶定律分离变量并积分可得：=Q/=-A/(4─3)依据：过程速率＝过程推动力/过程阻力，单层平面壁的热流量也可写为：=12()/ttA=/()tA=t/R(4─4)式中/A──称为热阻，记作R,K·W-1（2）圆筒壁的定态热传导圆筒壁的热传导在化工生产中极为普遍，各种管式换热器的传热面均为圆筒壁面等。圆筒壁面热传导的特点是传热面积A沿热量传递方向而变化，即传热面积A随圆筒的半径而变化。7如图4—6所示，热量由管内壁面向管外壁面定态传导，考察厚度为dr的薄层，由博里叶定律有：=-Adt／d=-2rldtdr分离变量并积分：22112rtrtdrldtr整理得：12212()1/lnlttrr（4─5）改写之122()/mlttr＝12//()mmtttAA，（4─6）式中12rr为圆筒壁厚，2121lnmrrrrr为半径的对数平均值，2121lnmAAAAA为面积的对数平均值，当圆筒壁面的半径较大且其厚度较薄时，即21/rr＜2的情况下，可以用算术平均值取代对数平8均值计算圆筒壁的rm和Am，其计算误差＜4％，可以满足工艺要求。比较式（4—4）、（4—5）和（4—6）可知，圆筒壁面热阻为：21ln2mrrRlA（3）多层壁面的定态热传导实际生产中，间壁式换热器的传热面往往是多层的。如图4—7所示为三层不同材料组成的复合平面壁。定态导热时各分层的传热速率分别为：该式为多层平面壁的热流量式，可以看出，过程的总推动力为各层推动力之和，总阻力为各层热阻之和，即对多层壁面的定态热传导，传9热推动力和传热阻力具有加和性。由过程分析还可得到：或此式说明多层壁面的定态热传导，各分层温度降与该层的热阻呈正比。这些结论也适用于多层圆筒壁的定态热传导。由式（4—5）和（4—6），按以上相同方法可推得多层圆筒壁的热流量式为：（4—8）应注意的是，对多层壁面的定态热传导，无论多层平壁还是多层圆筒壁，各层热流量均相等且等于总过程的热流量。但对多层平壁，各层的面积热流量相等，而多层圆筒壁各层的面积热流量不相同，这是由于后者传热面积沿传热方向发生变化之故。各层交界面上的温度求取：10（4—10）式中对多层平壁因各层的传热面积相等，Al，A2，A3可消去；对多层圆筒壁，式中各层厚度1()iiirr，各层面积,,2mimiAlr。例4－1硫酸生产中SO2气体是在沸腾炉中焙烧硫铁矿而得到的，若沸腾炉的炉壁是由23cm厚的耐火砖（实际各区段的砖规格略有差异）、23cm厚的保温砖（粘土轻砖）、5cm厚的石棉板及10cm厚的钢壳组成。操作稳定后，测得炉内壁面温度t1为900℃，外壁面温度t5为80℃。试求每平方米炉壁面由热传导所散失的热量，并求炉壁各层材料间交界面的温度为多少？由于沸腾炉直径大，可以将炉壁看作平面壁，已知：耐火砖11105.1KmW，保温砖1122.0KmW，石棉砖11309.0KmW,钢壳11440KmW解：由题意根据多层平壁热流量公式，得：求耐火砖与保温砖的交界面温度t22111/qtt=806.8℃求保温砖与石棉板的交界面温度t33222/qtt=317.5℃求石棉板与钢壳的交界面温度t4114333/qtt=81.1℃计算结果表明，各分层热阻越大则温度降越大，沸腾炉壁主要温度降在保温砖和石棉板层。例4—2A型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm厚的不锈钢板（11116KmW），粘附内壁的污垢层厚lmm（1126.0KmW），釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气（t1＝105℃）进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90℃，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层（设内壁面温度不变）作比较。解：13iittq=7579W·m-2无污垢层时：1311/ttq=48000W·m-2计算结果表明，反应釜内壁面有无污垢层，面积热流量相差数倍，在有的