福州大学化工原理电子教案传热 6、传热 61概述 6.1.1 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作,进行传热的目的通常是: ①加热或冷却,使物料达到指定的温度; ②换热,以回收利用热量或冷量 ③保温,以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温,低温设备的保冷。 化学工业能耗高,仅次于冶金工业,因此,应合理利用能源、节约能源 通常,传热设备在化工厂设备投资中占很大比例,有些可达40%左右,所以传热是化工重要的单元操 作之一。同时,热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义 (1)传热过程中冷热流体的接触方式 根据冷热流体的接触情况,工业上的传热过程可分为三中基本方式,每种传热方式所用换热设备的结 构也迥然不同。 热水 ①直接接触式传热 对某些传热过程,例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等,可 使冷、热流体直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大,设备简单。如凉 水塔,其中装填填料,填料可以増大接触面积,增大湍动程度,增大传热系数 填料 由于冷热流体直接接触,这种传热方式必伴有传质过程。 ②间壁式传热 在多数情况下,工艺上不允许冷、热流体直接接触,因此直接接触式传热 过程在工业上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器 凉水塔 类型很多,其中最简单而又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中,冷热流体分别通过环隙和内 管,热量自热流体传给冷流体,这种热量传递过程包括三个步骤: a热流体靠对流传热将热量O传给金属壁一侧—一给热: b热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧一—导热; c热量以对流传热形式从壁面传给冷流体—一给热 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热(或换热)过程,而将流体与壁面之间的热量传 递过程称为给热过程 12 热流体 给热 热流体 ///////// 间壁 给热冷流体导热 冷流体 套管换热器 间壁两侧传热过程 ③蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面,用热流体将固体填充物加热,然后停止热流体,使冷流体通过 固体表面,用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体达到换热的目的
福州大学化工原理电子教案 传热 - 1 - 6、传热 6.1 概述 6.1.1 概述 几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是： ① 加热或冷却，使物料达到指定的温度； ② 换热，以回收利用热量或冷量； ③ 保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。 化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。 通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达 40%左右，所以传热是化工重要的单元操 作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。 （1）传热过程中冷热流体的接触方式 根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三中基本方式，每种传热方式所用换热设备的结 构也迥然不同。 ① 直接接触式传热 对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可 使冷、热流体直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉 水塔，其中装填填料，填料可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数 K 。 由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。 ② 间壁式传热 在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热 过程在工业上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器 类型很多，其中最简单而又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内 管，热量自热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤： a 热流体靠对流传热将热量 Q 传给金属壁一侧——给热； b 热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热； c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。 冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传 递过程称为给热过程。 ③ 蓄热式换热器 首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体通过 固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体达到换热的目的。 热水 空气 填料 凉水塔 T1 热流体 T2 t1 冷流体 t2 套管换热器 热流体 T t 冷流体 Q 给热 导热 间壁 给热 间壁两侧传热过程
福州大学化工原理电子教案传热 为将冷流体加热或热流体冷却,必须用另一种流体供给或取走热量,此流体称为载热体。起加热作用 的载热体称为加热剂:而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 (2)载热体及其选择 工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。当要求温度小于 l80℃时,常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热,潜热大大于显热,因此所需的蒸汽量小,且相变 过程不发生温度变化。(注:若不将饱和水蒸汽中的不凝性气体及时排走,会大大降低传热效果。) 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材p231表6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温度。当温度不很 低时,水是最适宜的冷却剂 在选用载热体时为提高传热过程的经济性,必须根据具体情况选择适当温位的载热体,同时还应考虑 以下几个方面问题: ①载热体的温度应易于调节 ②载热体的饱和蒸气压宜低,加热时不会分解; ③载热体毒性要小,使用安全,对设备应基本上没有腐蚀 ④载热体应价格低廉而且容易得到 61.2传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器,因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程 (1)传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示 ①热流量Q:即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量(W=J/s),因此Q与 传热面A有关。 ②热流密度(热通量)q:单位时间通过单位传热面积所传递的热量(W/m2),即 do da 与热流量Q不同,热流密度与传热面积A大小无关,完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程,是 反映具体传热过程速率大小的特征量。 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况,但是大多涉及到的都属于定态传热过程,对于定态传 热过程Q和q以及有关的物理量都不随时间而变 (2)换热器的热流量(O) 对于定态传热过程,热流密度不随时间而变,但沿着管长是变化的,因此作为传热结果,冷、热流体 的温度沿管长而变,冷、热流体的温差也必将发生相应的变化。 设换热器的传热面积为A,由q=d4可推出换热器的热流量为 0=dA 间壁两侧,冷、热流体的温差(ˆ-1)沿管长而变,因此为计算换热器的热流量,还必须找出热流密 度沿传热面的变化规律 (3)非定态传热过程 工业上不少传热过程是间歇进行的,即随着传热的进行,流体的温度随时间而变,因此是非定态过程。 如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程 对此换热器,夹套内为蒸汽冷凝,因而各处温度相同,釜内液体充分搅拌各处温度均一,故在任何时 刻传热面各点的热流密度相同。但是,作为传热结果,釜内液体温度随时间不断上升,热流密度随时间不 减
福州大学化工原理电子教案 传热 - 2 - 为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。起加热作用 的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。 （2）载热体及其选择 工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。当要求温度小于 180℃时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变 过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。） 工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材 p231 表 6-1。 常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温度。当温度不很 低时，水是最适宜的冷却剂。 在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体，同时还应考虑 以下几个方面问题： ① 载热体的温度应易于调节； ② 载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解； ③ 载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀； ④ 载热体应价格低廉而且容易得到。 6.1.2 传热过程 化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。 （1）传热速率 传热过程的速率可用以下两种方式表示： ① 热流量 Q ：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量（W=J/s），因此 Q 与 传热面 A 有关。 ② 热流密度（热通量） q ：单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）,即 A Q q d d = 与热流量 Q 不同，热流密度与传热面积 A 大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是 反映具体传热过程速率大小的特征量。 工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过程，对于定态传 热过程 Q 和 q 以及有关的物理量都不随时间而变。 （2）换热器的热流量（ Q ） 对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化的，因此作为传热结果，冷、热流体 的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应的变化。 设换热器的传热面积为 A ，由 A Q q d d = 可推出换热器的热流量为 = A Q q d A 间壁两侧，冷、热流体的温差（ T − t ）沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还必须找出热流密 度沿传热面的变化规律。 （3）非定态传热过程 工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时间而变，因此是非定态过程。 如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。 对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一，故在任何时 刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断上升，热流密度随时间不 断减小
福州大学化工原理电子教案传热 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量Q1。设夹套传热面积为A,则 Or=a adr 因此,要求r,只知道热流密度q的计算式是不够的,还须知道q随时间的变化规律。 (4)传热机理 任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行 流体与换热器壁面之间的给热过程往往冋时包含对流与传导,对髙温流体还有热辐射。热传导、对流 热需介质,能量形式不变;而辐射传热无须介质,但能量形式发生变化(热→波→热)。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的
福州大学化工原理电子教案 传热 - 3 - 对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量 QT 。设夹套传热面积为 A ，则 d d T A Q q = = 0 QT A q d 因此，要求 QT ，只知道热流密度 q 的计算式是不够的，还须知道 q 随时间的变化规律。 （4）传热机理 任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。 固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。 流体与换热器壁面之间的给热过程往往同时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流 传热需介质，能量形式不变；而辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。 工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的