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《化工单元操作》
项目二 传热
任务一 了解传热过程及其应用
一、传热在化工生产中的应用
根据热力学第二定律可知，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较低的物体。
① 为化学反应创造必要的条件
② 为单元操作创造必要的条件
③ 提高热能的综合利用率
④ 隔热与节能
二、传热过程的类型
化工生产过程中对传热的要求可分为两种情况：一是强化传热，如各种换热设备中的传热，要求传热速率快，传热效果好。另一种是削弱传热，如设备和管道的保温，要求传热速率慢，以减少热量（或冷量）的损失。
化工传热过程既可连续进行也可间歇进行。
若传热系统（例如换热器）中的温度仅与位置有关而与时间无关，此种传热称为稳态传热，其特点是系统中不积累能量（即输入的热量等于输出的热量），传热速率（单位时间传递的热量）为常数。若传热系统中各点的温度既与位置有关又与时间有关，此种传热称为非稳态传热，间歇生产过程中的传热和连续生产过程中的开、停车阶段的传热一般属于不稳定传热。化工生产中的传热大多可视为稳态传热，因此，本模块只讨论稳态传热。
三、载热体及其选择
参与换热的流体称为载热体 。
热流体 -----冷流体 ；加热剂 、冷却剂（或冷凝剂）
1. 载热体的选用原则
① 载热体应能满足所要求达到的温度。
② 载热体的温度调节应方便。
③ 载热体的比热容或潜热应较大。
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 为了操作安全起见，载热体应无毒或毒性较小，不易燃易爆，对设备腐蚀性小。
⑥ 价格低廉，来源广泛。
2. 常用加热剂和冷却剂
工业中常用的加热剂有热水（40～100℃）、饱和水蒸气（100～180℃）、矿物油（180～250℃）、导生油（联苯或二苯醚的混合物）（255～380℃）、熔盐（142～530℃）、烟道气（500～1000℃）等，除此外还可用电来加热。
当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸汽作加热剂。其优点是饱和水蒸汽的压强和温度一一对应，调节其压强就可以控制加热温度，使用方便；饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热远大于显热，因此所需的蒸汽量小；蒸汽冷凝时的膜系数很大，对流传热的阻力小；价廉、无毒、无失火危险。其缺点是饱和水蒸汽冷凝传热能达到的温度受压强的限制，不能太高（一般<180℃）。
常用的冷却剂有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4℃）等。水的来源广泛，热容量大，应用最为普遍。
四、传热的基本方式
(一) 传导传热
1、定义
传导传热又称热传导或导热，是由于物质的分子、原子或电子的运动或振动，而将热量从物体内高温处向低温处传递的过程。
2、机理
在气体中，热传导是由不规则的分子热运动引起的；在大部分液体和不良导体的固体中，热传导是由分子或晶格的振动传递动量来实现的；在金属固体中，热传导主要依靠自由电子的迁移来实现，因此，良好的导电体也是良好的导热体。
(二) 对流传热
1、定义
对流传热也叫热对流，是指流体中质点发生宏观位移而引起的热量传递。
2、机理
热对流仅发生在流体中。由于引起流体质点宏观位移的原因不同，对流又可分为强制对流和自然对流。由于外力（泵、风机、搅拌器等作用）而引起的质点运动，称为强制对流。由于流体内部各部分温度不同而产生密度的差异，造成流体质点相对运动，称为自然对流。
结论：强制对流 PK 自然对流（？）
（三）热辐射
1、定义
因热的原因物体发出辐射能的过程，称为热辐射。它是一种通过电磁波传递能量的方式。
2、机理
物体将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能。
热辐射不需要任何媒介，换言之，可以在真空中传播。
只有物体温度较高时，辐射传热才能成为主要的传热方式。
注意：传热过程往往不是以某种传热方式单独出现，而是两种或三种传热方式的组合。
传热实例：热水瓶
任务二 认知传热设备
一、换热器的分类
(一) 按作用原理分类
1. 直接接触式换热器
两流体直接混合进行的换热。例：
气体冷却塔
浴室温水加热
结构简单，传热效率高，适用于两流体允许混合的场合。
2. 间壁式换热器
两流体被固体壁面分开，互不接触。
冷流体t1
t2
热流体T1
T2
热流体T1
T2
冷流体t1
t2
低温流体
高温流体
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.蓄热式换热器 借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。
（二）按换热器的用途分类
1. 加热器 用于把流体加热到所需的温度，被加热流体在 加热过程中不发生相变。
2. 预热器 用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率。
3. 过热器 用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态。
4. 蒸发器 用于加热液体，使之蒸发汽化。
5. 再沸器 是蒸馏过程的专用设备，用于加热已冷凝的液 体，使之再受热汽化。
6. 冷却器 用于冷却流体，使之达到所需的温度。
7. 冷凝器 用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化。
(三) 按换热器传热面的形状和结构分类
1. 管式换热器 管式换热器通过管子壁面进行传热。按传热管的结构不同，可分为列管式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器和翅片管式换热器等几种。管式换热器应用最广。
2. 板式换热器 板式换热器通过板面进行传热。按传热板的结构形式，可分为平板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器和热板式换热器等几种。
3. 特殊形式换热器 这类换热器是指根据工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器。如回转式换热器、热管换热器、同流式换热器等。
(四)按换热器所用材料分类
1. 金属材料换热器 金属材料换热器是由金属材料制成，常用金属材料有碳钢、合金钢、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金等。由于金属材料的导热系数较大，故该类换热器的传热效率较高，生产中用到的主要是金属材料换热器。
2. 非金属材料换热器 非金属材料换热器由非金属材料制成，常用非金属材料有石墨、玻璃、塑料以及陶瓷等。该类换热器主要用于具有腐蚀性的物料。由于非金属材料的导热系数较小，所以其传热效率较低。
二、间壁换热器的结构与性能特点
(一) 管式换热器
1. 套管换热器
优点是结构简单，能耐高压，传热面积可根据需要增减。
缺点是单位传热面积的金属耗量大，管子接头多，检修清洗不方便。
2. 蛇管换热器
(1) 沉浸式蛇管换热器
优点是结构简单，造价低廉，便于防腐，能承受高压。其缺点是管外对流传热系数小，常需加搅拌装置
(2) 喷淋式蛇管换热器
优点是检修清洗方便，传热效果好等。其缺点是体积庞大，占地面积多，冷却水耗用量较大，喷淋不均匀等。
3.列管换热器
当壳体与换热管的温差较大（大于50℃）时，产生的温差应力（又叫热应力）具有破坏性，易引起设备变形，或使管子弯曲、从管板上松脱，甚至造成管子破裂或设备毁坏。因此必须从结构上考虑这种热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。常见的温差补偿措施有：补偿圈补偿 、浮头补偿 、U形管补偿 。
4. 翅片管换热器
化工生产中常遇到气体的加热或冷却问题。因气体的对流传热系数较小，所以当换热的另一方为液体或发生相变时，换热器的传热热阻主要在气体一侧。此时，在气体一侧设置翅片，既可增大传热面积，又可增加气体的湍动程度，减少了气体侧的热阻，提高了传热效率。
(二) 板式换热器
1.夹套换热器
优点是结构简单，容易制造，可与反应器或容器构成一个整体。缺点是传热面积小，器内流体处于自然对流状态，传热效率低，夹套内部清洗困难。
2. 平板式换热器
优点是结构紧凑，单位体积设备提供的传热面积大；组装灵活，可随时增减板数；板面波纹使流体湍动程度增强，从而具有较高的传热效率；装拆方便，有利于清洗和维修。其缺点是处理量小；受垫片材料性能的限制，操作压力和温度不能过高。
3. 螺旋板式换热器
4. 板翅式换热器
(三) 热管换热器
特点是热量传递分汽化、蒸汽流动和冷凝三步进行，由于汽化和冷凝的对流强度都很大，蒸汽的流动阻力又较小，因此热管的传热热阻很小。因此，它特别适用于低温差传热的场合。热管换热器具有传热能力大、结构简单、工作可靠等优点。
三、列管换热器的型号
列管换热器的型号由五部分组成：
1——换热器代号；
2——公称直径DN ，mm；
3——管程数NP ，有Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ 四种；
4——公称压力PN ，MPa；
5——公称换热面积SN ，m2。
例如，公称直径为600mm、公称压力为1.6MPa、公称换热面积为55m2、双管程固定管板式换热器的型号为：G600Ⅱ－1.6－55，其中G为固定管板式换热器的代号。
四、换热器的选用
在化工生产中，经常要求在各种不同的条件下进行热量交换，每种类型的换热器都有其优缺点。
在选择换热器的类型时，要考虑的因素很多，例如材料、压强、温度、温度差、压强降、结垢腐蚀情况、流动状态、传热效果、检修和操作等。
现在虽然新型换热器不断出现，使用也日趋广泛，但是老式的换热器（如蛇管式换热器和夹套式换热器）仍有其适用的场合，如用在釜式反应器中的换热，而其他类型的换热器就难以完成此种传热任务。管壳式换热器在传热效果、紧凑性及金属耗量方面显然不如新型换热器（如平板式换热器、螺旋板式换热器），但它具有结构简单，可在高温、高压下操作及材料范围广等优点，因此管壳式换热器仍然是使用最普遍的。当操作温度和压强（<5MPa）不太高，处理量较少，或处理腐蚀性流体而要求采用贵重金属材料时，就宜采用新型换热器。
作业
思考题：P109页2、3、4

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