文档介绍：第四章      传热
第一节    概述
4-1 传热过程在化工生产中的应用
传热(heat transfer 或 heat transmission)过程即热量传递过程。在化工生产过程中,几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度,反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中,由于反应物需要吸收或放出一定的热量,故又要不断地导入或移出热量;有些单元操作,如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等,都有一定的温度要求,所以也需要有热能的输入或输出,过程才能进行;此外,许多设备或管道在高温或低温下操作,若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失,则需要保温(或隔热);近十多年来,随着能源价格的不断上涨,回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以上所讲到的情况,都与热量传递有关。可见,在化工生产中,传热过程具有相当重要的地位。
化工生产中常遇到的传热问题,通常有以下两类:一类是要求热量传递情况好,亦即要求传热速率高,这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑,从而降低设备费用;另一类是像高温设备及管道的保温,低温设备及管道的隔热等,则要求传热速率越低越好。我们学****传热的目的,主要是能够分析影响传热速率的因素,掌握控制热量传递速率的一般规律,以便能根据生产的要求来强化和削弱热量的传递,正确地选择适宜的传热设备和保温(隔热)方法。
本章主要讨论热量从高温向低温稳定地自发进行传递的过程。
  4-2 传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输入时,根据热力学第二定律,热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分,或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理不同,传热的基本方式有三种:传导(conduction)、对流(convection)和辐射(radiation)。
一、    热传导
又称导热。当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时,物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞,并将能量的一部分传给后者,藉此,热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。在热传导过程中,没有物质的宏观位移。
二、    对流
又称热对流、对流传热。在流体中,主要是由于流体质点的位移和混合,将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。对流传热过程中往往伴有热传导。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热;若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起,则称为强制对流(forced convection);若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的,则称为自然对流
(natural convection)。
三、辐射
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体,只要其绝对温度不为零度,都会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。这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。
实际上上述三种传热方式很少单独存在,而往往是同时出现的。如化工生产中广泛应用的间壁式换热器,热量从热流体经间壁(如管壁)传向冷流体的过程,是以导热和对流两种方式进行。
4-3     间壁式换热器中的传热过程
工业生产中冷、热两种流体的热交换,大多数情况下不允许两种流体直接接触,要求用固体壁隔开,这种换热器称为间壁式换热器。图4-1所示的套管式换热器是其中的一种。它是由两根管子套在一起组成的。两种流体分别在内客与两根管的环隙中流动,进行热量交换。热流体的温度由T1降至T2;冷流体的温度由t1升至t2。间壁两侧流体的换热情况可用图4-2表示。由于热流体与冷流体之间有温度差Δtm,则热量通过间从热流体传给冷流体。单位时间内的传热量,即传热速率(heat transfer rate)Q,与传热面积A及两流体的温度差Δtm成正比,为
Q=KAΔtm (4-1)
式中 K----------比例系数,称为总传热系数(Overall heat transfer coefficient),W/m2·K(或W/m2·℃);
Q-----------传热速率,J/s(或W);
A-----------传热面积, m2;
Δtm-------两流体的平均温度差,K(或℃)。
式(4-1)称传热速率方程式或传热基本方程式,它是换热器设计最重要的方程式。当所要求的传热速率Q、温度差Δtm及总传热系数K已知时,可用传热速率方程式计算所需要的传热面积A。
如图4-2所示,热流体靠对流传热将热量传给管壁,在管壁中靠热传导将热量从一侧传到另一侧,再靠对流传热将热量从管壁传给冷流体。因此,要掌握