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第三章 传 热
第3章 传热
Heat transfer
3.1.1 传热在化工生产过程中的应用：
1）加热或冷却，使物料达到指定的温 度；
2）通过换热，回收利用热量；
3）保温，以减少热损失。
3.1 概述
化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况；
一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；
另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。
为此必须掌握传热的共同规律。
传热方向：高温→低温
传热极限：温度相等
传热推动力：温度差
传热应用：科研、生产、生活
3.1.2 传热的基本方式
热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。
1、热传导（导热）
　机理：当物体内部或两物体间存在温度差时，高温物体将一部分热量传递给低温物体。
（导热不能在真空中传播）
特点：物体中的分子或质点不发生宏观的相对位移。
例如：金属固体—自由电子扩散
运动
不良导体和液体—通过振动能从一分子传递到另一分子。
气体—分子不规则运动
2、对流（热对流、对流传热）
机理：由于流体中质点的相对位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式。
分为：自然对流：流体的运动是由于流体内部各 处温度不同而引起局部的密度差异所致。
强制对流：若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、泵或其它外界压力等）所 引起。
实质：流体质点携带着热能在不断的流动中，把热能给出或吸热的过程。
3、辐射
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。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。
特点：不仅产生能量的转移，还伴随能量形式的转换。
本章中限研究热量从高温自动地向低温部分的传递过程。
思考：
暖水瓶保温原理？
3.1.3 工业上换热方法
一、混合式换热和混合式换热器
特点：冷热流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程实现的。
优点：传热速度快，效率高，设备简单。
例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、冷流体直接混合进行热交换。
典型设备：如凉水塔、
喷洒式冷却塔、混合
式冷凝器
适用范围：无价值的
蒸气冷凝，或其冷凝
液不要求是纯粹的物
料等，允许冷热两流
体直接接触混合的场合。
废蒸气
冷水
热水
二、间壁式换热和间壁式换热器
特点：冷热流体被固体壁面所隔开，换热时两流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。
如图所示，热、冷流体通过间壁两侧的传热过程包括以下三个步骤：
(1)热流体将热量传至固体壁面左侧(对流传热)。
(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导)。
(3)热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热)。
通常，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称传热过程。
主要特点：
冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。
优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。
缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。
典型设备：列管式换热器、套管式换热器。
适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。
冷溶液进
冷溶液出
热溶液进
热溶液出
套管式换热器
1
2
3
3
6
6
5
4
4
5
7
单程列管式换热器
双程列管式换热器
列管式换热器
换热器的外形
换热器的管束
返回
三、蓄热式换热和蓄热器
特点：冷热两流体间的热量交换是通过壁面周期性的加热和冷却来实现的。
主要用于气体间的换热。如石油化工中的蓄热式裂解炉。
蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖等)，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常在生产中采用二个并联的蓄热器交替地使用，如图所示
蓄热器
四、生产中常用的加热和冷却方法
载热体：使工艺物料被加热或被冷却的流体。（参与热交换的两流体）
热载热体：起加热作用的载热体，在换热过程中放出热量。（加热剂）
冷载热体：起冷却作用的载热体，在换热过程中获得热量。（冷却剂）
（一）载热体的选用原则
（1）满足工艺要求的温度。
（2）载热体的温度要易于调节。
（3）饱和蒸汽压低，热稳定性好。
（4）载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变质。
（5）为了安全起见，载热体应无毒或毒性较小、不易燃、不易爆、腐蚀性小、安全可靠。
（6）价格低廉、来源广泛。
此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热体，则还有比体积、粘度、热导率等物性参数的要求。
（二）常用加热剂和加热方法
（1）饱和水蒸气加热
它的主要优点是：①可以通过调节蒸汽压力，准确地调节温度；②蒸汽冷凝时的膜系数很大，换热器的传热面积可以小一些；③蒸汽的汽化潜热很大，且加热均匀，在传热量一定时，所需蒸汽用量较小。
饱和水蒸气加热的主要缺点是加热温度不高，通常不超过180℃，相应的压力为1003kPa。
（2）矿物油加热
优点是：来源容易、加热均匀、不需加压。常压下加热温度可达到225℃（超过250℃易分解）。
缺点是：油的黏度大，且黏度随使用时间增大而增大，膜系数逐渐减小。加热效果不如水蒸气，易着火，只能利用显热。
如采用机油、汽缸油等。
（3）有机载热体加热
有机载热体即联苯混合物，它是26.5%的联苯和72.5%二苯醚的混合物，俗称导生。沸点高（258℃）。
导生具有化学稳定性，在380℃以下可长期使用不变质（370℃可使用750～1100天）。其加热温度范围很广，用常压液体加热可达255℃；用饱和水蒸气加 热可达380℃。导生的粘度比矿物油小，故传热效果较好。
导生具有可燃性，但无爆炸危险，其毒性很轻微。主要缺点是它极易渗透软性石棉填料，使用时所有管道连接处需用金属垫片的可采用焊接。
（4）熔盐加热
常用熔盐为7%NaNO3、40%NaNO2、和53%KNO3组成的低熔点混合物。起熔点为142℃，当要求加热温度超过380℃时，可考虑选用这种载体。它的最高加热温度达530℃。但比热容小，仅为1.3kJ/(kg·K)。
（5）烟道气加热
加热温度超过500℃时，大多采用烟道气，温度可高达1000℃或更高。使用烟道气加热应防止局部过热，当用气体或液体燃料时，可采用自控系统调节和控制温度。
（6）电加热 使用电加热可达较高温度，而且清洁、方便、易于控制。化工生产中常用电阻加热和电感加热。
①电阻加热 将电阻丝绕在被加热的设备上，通电后能转变为热能，即达到加热目的。其最高加热温度可达1100℃，但在防火防爆的环境中使用很不安全。
②电感加热 当电流通过导体时，在导体周围产生磁场。若为交流电，则在导体四周产生的磁场为交变磁场。在这交变磁场的感应下，金属表面产生感应的交变涡电流，涡流损耗转变为热能，称为电感加热。
（三）常用冷却剂与冷却方法
（1）水 水是化工生产中使用最广泛的冷却剂，用量很大，约占总耗水量的80%。水的比热容和膜系数都比较大，能够将流体冷却到较低的温度，因此得到广泛应用。
冷却水可以是江水、河水、海水、井水或循环水等。水温随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在15～30℃以上的场合。
为了防止溶解在水中盐类的析出，在换热器传热表面形成水垢，一般控制冷却水的终温不超过40～50℃。若需要将流体冷却到5～10℃或更低温度时，则需要采用经冷却降温的低温水（如冷冻盐水或冷冻剂）作冷却剂。
（2）空气 空气是取之不竭的冷却剂，用空气代替水作冷却剂可以减少污水处理的问题。在水源不足的地区，更显出它的优越性。空气的温度随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在30℃以上的场合。由于空气的对流传热效果差，要求庞大的换热设备。大型企业中采用空气冷却在经济上是合理的，所以正得到逐步推广。
3.1.4 稳定传热和非稳定传热
稳定传热：各点温度分布不随时间改变仅随位置改变。
特点：单位时间内通过传热间壁的热量是一个常量。
化工生产中所研究的多为稳定传热。
非稳定传热：各点温度随位置和时间而变
只有设备处于开、停车阶段，间歇操作属于非稳定传热。

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