学习情境四、换热操作解读.ppt

化学工程系 * 李丽 学习目标： 传热是在化工中很多过程传热是自然界和工 程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有 温度差的 存在就有热的传递，也就是说温差的存 在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在化 工中很多过程都直接或间接的与传热有关 一、传热在化工生产中的应用 热力学第二定律：只要存在温度差，热量会自发从高温传 递向低温，直至温度相等 传热方向： 传热极限： 传热推动力： 高温→低温 温度相等 温度差 传热应用：科研、生产、生活、化工、医药、能源 、动力、冶金等部门 传热在化工生产过程中的应用： 1）化学反应中的供热、移热； 2）化工单元操作中的供热、移热； 3）化工生产中热能的综合利用和余热回收； 4）隔热与节能 二、传热过程的类型 稳态传热：各点温度分布不随时间而改变； 非稳态传热：各点温度随位置和时间而变； 说明：连续生产过程中的传热多为稳态传热 要求传热速率大 要求传热速率小 三、载热体及其选择 载热体及其选择 ：加热剂，冷却剂 任务一、 换热流程与换热设备的认识 在化工生产过程中，传热通常是在两种流体间进行的， 故称换热要实现热量的交换，必须要采用特定的设备，通 常把这种用于交换热量的设备通称为换热器。

一、换热流程 图4-2 多段中间换热式转化器 1-催化剂床层；2-内部换热器；3-外部换热器 （一）换热器的分类 1. 按换热器的用途分类 名称应用 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 预热器用于流体的预热，以提高整套工艺装置的效率 过热器用于加热饱和蒸汽，使其达到过热状态 蒸发器用于加热液体，使之蒸发汽化 再沸器是蒸馏过程的专用设备，用于加热塔底液体，使之受热汽化 冷却器用于冷却流体，使之达到所需的温度 冷凝器用于冷凝饱和蒸汽，使之放出潜热而凝结液化 二、换热设备 2.按换热器的作用原理分类 名称特点应用 间壁式 换热器 两流体被固体壁面分开，互不接触， 热量由热流体通过壁面传给冷流体 适用于两流体在换热过 程中不允许混合的场合 应用最广，形式多样 混合式 换热器 两流体直接接触，相互混合进行换热 结构简单，设备及操作费用均较低， 传热效率高， 适用于两流体允许混合 的场合，常见的设备有 凉水塔、洗涤塔、文氏 管及喷射冷凝器等 蓄热式 换热器 借助蓄热体将热量由热流体传给冷流 体结构简单，可耐高温，其缺点是设 备体积庞大，传热效率低且不能完全避 免两流体的混合。

煤制气过程的气化炉、 回转式空气预热器 中间载 热体式换 热器 将两个间壁式换热器由在其中循环的 载热体（又称热媒）连接起来，载热体 在高温流体换热器中从热流体吸收热量 后，带至低温流体换热器传给冷流体 多用于核能工业、冷冻 技术及余热利用中热 管式换热器即属此类 （1）间壁式换热器 （2）混合式换热器 干式逆流高位冷凝器 （3）蓄热式换热器 （4）中间载热体式换热器 热管式换热器 3.按换热器传热面形状和结构分类 （1）管式换热器 （2）板式换热器 （3）特殊型式换热器 （二）间壁式换热器的结构型式 1.列管换热器 U形管式换热器 填料函式换热器 1－活动管板；2－填料压盖；3－填料；4－填料函；5－纵向隔板 釜式换热器 2.套管换热器 每一段套管称为一程，程数可根据所需传热面积的多少而增 减换热时一种流体走内管，另一种流体走环隙，传热面为 内管壁 3. 蛇管换热器 蛇管换热器根据操作方式不同，分为沉浸式和喷淋式两类 沉浸式蛇管的形式 喷淋式蛇管换热器 4. 夹套换热器 主要用于反应器的加热或冷却它 由一个装在容器外部的夹套构成， 与反应器或容器构成一个整体，器 壁就是换热器的传热面。

夹套内通蒸气时，应从上部入，冷 凝水从底部排出；夹套内通液体载 热体时，应从底部进入，从上部流 出 夹套换热器 （三）其他类型换热器 螺旋板式换热器 结构特点：由焊在中心隔板 上的两块金属薄板卷制而成 ，两薄板之间形成螺旋形通 道，两板之间焊有定距柱以 维持通道间距，螺旋板的两 端焊有盖板两流体分别在 两通道内流动，通过螺旋板 进行换热 螺旋板式换热器 翅片式换热器 在换热管的外表面或内表面或同时装有许多翅片，常 用翅片有纵向和横向两类 平板式换热器 板式换热器及常见板片的形状 由若干块长方形薄金属板叠加排列，夹紧组装于支架上构成 两相邻板的边缘衬有垫片，压紧后板间形成流体通道板片是 板式换热器的核心部件，常将板面冲压成各种凹凸的波纹状 内部结构 常见板片 板翅式换热器 任务二 传热方式一---热传导 热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的 根据传热机理不同，热量传递有3种基本方式 任务二重 点 热传导又称导热，借助物质的分子、原子 或自由电子的运动将热量从物体温度较高的 部位传递到温度较低的部位的过程热传导 可发生在物体内部或直接接触的物体之间 在热传导过程中，没有物质的宏观位移。

傅里叶（Jean Baptiste Joseph Fourier，1768～1830））数学 家、物理学家最早使用定积分 符号，改进符号法则及根数判别 方法傅立叶级数（三角级数） 创始人1768年3月21日，生于 法法国中部欧塞尔的一个裁缝家 庭，8岁时沦为孤儿，就读于地 方军校，1795年任巴黎综合工科 大学助教，傅里叶在1807年就写 成关于热传导的基本论文，推导 出著名的热传导方程由于对热 传导理论的贡献于1817年当选为 巴黎科学院院士，1822年成为科 学院终身秘书 热传导时在传热方向上热量传递过程包括三个 步骤：热流体将热量传递到间壁的一侧；热量自间 壁一侧传递至另一侧；热量由壁面向冷流体传递 一、傅里叶定律 二、导热系数 1.导热系数是表征物质导热性能的一个物性参数 ，λ越大，导热性能越好导热性能的大小与物 质的组成、结构、密度、温度及压力等 2.有关物质的导热系数通常由实验测定 3.在工程计算中，为简便起见通常使用平均导热 系数，即取壁面两侧温度下λ的平均值或平均温 度下的λ值 1.固体的导热系数 2.液体的导热系数 一般液体的导热系数较低，水和水溶液相 对稍高，液态金属的导热系数比水要高出一个 数量级。

3.气体的导热系数 气体的导热系数比液体更小，对导热不利 ，但有利于保温、绝热 三、导热速率的计算 【例4-2】某炉壁由内向外依次为耐火砖、保温砖和普通建筑砖 组成耐火砖：λ1=1.4w/(m.k),δ1=220mm;保温砖： λ2=0.15w/(m.k) ,δ2=120mm建筑转： λ3=0.8w/(m.k), δ3=230mm 已测得炉壁内外表面温度为900℃和60℃.求单位面积的热损失 和各层间接触面的温度 解： w/（m2） ℃ ℃ ℃ ℃ 1）单层圆筒壁热传导 传热多涉及圆筒壁中的导热问题薄层的温度变化为dt，则根 据傅立叶定律通过该薄层的导热速率可表示为 积分整理后，得 该式为单层圆筒壁的导热速率公式  单层圆筒壁热传导 2. 圆筒壁的导热速率 2）多层 圆筒壁的热传导 对于层与层之间接触良好的多层圆筒壁定常热传导，与多 层平壁类似，也是串联热传递过程 对n层圆筒壁 四、保温 1.保温材料 对保温材料的要求是导热系数小；密度小、吸湿性小、机 械强度大、膨胀系数小；化学稳定性好；经济、耐用、施 工方便 2.保温结构 保温层主要由绝热层及保护层组成。

保温层结 构示意图 伴热管 1-金属丝网；2-保护层 ；3-金属薄板； 1-绝热层 ；薄铝片；保护层 ； 4-箍带；5-铁丝 ；6-绝热层 4-间隙；5-主管道；6-蒸汽伴热管 3.保温层厚度 保温层越厚，热损失就越小，但费用也随之增加确定 保温层厚度时，应从技术经济的角度综合考虑 设备 或管路的 表面温度℃ 50100150200250300 允许热损 失（ W/m2） 5893116140163186 设备 或管路的 表面温度℃ 50100150200250300 允许热损 失（ W/m2） 116163203244279308 常年运行设备或管路的允许热损失 季节运行设备或管路的允许热损失 任务三、 热对流（对流传热） 一、 对流传热的分析  热对流与流体运动 状况有关，热对流 还伴随有流体质点 间的热传导，工程 上通常将流体与固 体之间的热交换称 为对流传热，即包 含了热传导和热对 流 二、 对流传热基本方程—牛顿冷却（Newton）定律 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。

其传 热速率可用牛顿冷 却定律表示 三、 对流传热膜系数 1.影响对流传热膜系数的因素 1）无相变传热对流传热膜系数的关联式 流体无相变传热时 的对流传热膜系数的关联式为 2.对流传热系数特征数关联式 努塞尔特准数 Nu= ； 雷诺准数 Re= ； 普兰特准数 Pr= ； 格拉斯霍夫准数Gr= ⅱ. 高粘度液体 ⅰ. 低粘度流体（小于2倍常温水的粘度） 或 无相变流体在圆直管内作强制湍流时的对流传热系数: 2)流体在圆形直管内强制层流时的对流传热系数 在管径较小和温差不大的情况下，即Gr＜25000， Re ＜ 2300, 0.6 ＜ Pr ＜ 6700， RePrd/l ＞ 10的情况下 ， 当Gr＞25000时，上式乘以校正系数f 3)流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热 系数 当2300≤Re≤10000时，属于过渡区，对流传热系数可以先 按照湍流计算，然后乘以校正系数φ， 4）无相变流体在管外强制对流时的对流 传热系数 或 管子正方形排列[如图4-]时： 正三角形排列[如图4-]时： 5）流体有相变化时的对流传热 低粘度流体： ，流体被冷却时， 应用条件：1） 2) 特性尺寸 l=d内 3）定性温度 当流体被加热时， 圆形管内过渡流时的对流给热系数为： 高粘度流体：  若流体为气体，则 若流体被加热，则 若流体被冷却，则 膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，形成液膜，液膜层就形 成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。

若凝液籍重力沿壁下流，则 液膜越往下越厚，给热系数随之越小 滴状冷凝：凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个 小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁 滚下没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷 凝的5~10倍甚至更高 (1) 蒸汽冷凝的方式 发生在蒸汽冷凝和壁面之间的传热称为冷凝对流传热， 简称冷凝传热 冷凝传热速率与蒸汽的冷凝方式密切相关蒸汽冷凝主 要有两种方式：膜状冷凝和滴状冷凝 （2）液体沸腾 将液体加热到操作条件下的饱和温度时，整个液 体内部，都将会有气泡产生，这种现象称为液体 沸腾发生在沸腾液体与固体壁面之间的传热称 为沸腾对流传热，简称为沸腾传热 工业上液体沸腾的方法主要有两种：一种是将加 热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾， 称为池内沸腾；另一种是液体在管内流动时受热 沸腾，称为管内沸腾 任务四、传热方式三----热辐射 热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程 任何物体，只要其温度高于绝对零度，都 会不停地向外界的其他物体辐射能量，同时 ，又不断地吸收来自其他物体的辐射能当 物体向外界辐射的能量与从外界吸收的辐射 能不相等时，该物体与外界就必然产生热量 传递，这种传热方式称为辐射传热。

一、基本概念 理论上讲，物体可同时发射从0～∞的各种电磁波但 是，在工业上所遇到的温度范围内，有实际意义的热辐射 波长位于0.38～1000 之间，而且大部分集中在红外线区 段的0.76～20 范围内。