文档介绍：第四章传热( Heat transfer )
1、掌握内容
传热基本方式、工业换热方式及适用范围;传热基本方程式及其相关参数的计算方法;傅立叶定律及其应用;传热系数计算及测定方法,换热面积的确定方法;强化传热的方法与途径。
2、理解内容
热负荷与传热速率间的关系,传热机理、传热膜概念,有相变传热过程的膜系数计算,列管换热器的选型方法。
3、了解内容
工业换热器的类型、结构、操作原理。
本章学****要求:
第一节概述
传热是因温差导致的能量传递过程,又称热传递。由热力学第二定律可知,在有温度差存在时,热量会自发地从高温处传递到低温处。因此,传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的能量传递现象。无论是在能源、化工、冶金等工业部门,还是在农业、环境保护等行业中都会涉及到传热问题。
一、传热在化工生产中的应用
化学工业与传热的关系尤为密切。因为无论是生产中的化学反应过程,还是物理过程(即化工单元操作),几乎都伴有热量的传递。主要应用有以下方面:
1、为化学反应过程创造必要的条件;
众所周知,化学反应是化工生产的核心,多数化学反应都有一定的温度条件且伴随着反应热。例如:氨合成反应的操作温度为470~520℃;氨氧化法制备***过程的反应温度为800℃等等。为了达到要求的反应温度,必先对原料进行加热;而这两个过程的反应又都是可逆放热反应,为了保持最佳反应温度、加快正反应速度,则必须及时移走反应放出的热量(若是吸热反应,要保持反应温度,则需及时补充热量)。
以合成氨生产过程为例:
2、为物理单元操作创造必要的条件;
对某些单元操作过程(如蒸发、结晶、蒸馏和干燥等)往往需要输入或输出热量,才能保证操作的正常进行。如蒸馏操作中,为使塔釜内的液体不断气化,就需要向塔釜内的液体输入热量,同时,为了使塔顶的蒸气冷凝得到回流液和液体产品,就需要从塔顶蒸气中移出热量。
3、提高热能的综合利用和余热的回收;
仍以合成氨生产过程为例,合成塔出口的合成气温度很高,为将合成气中的反应产物氨与反应原料氮、氢气加以分离必须要降温,为提高热量的综合利用和回收余热,可用其副产蒸气或加热循环气等。
因此,传热是化工生产过程中的常规单元操作之一。
化工生产中对传热过程的要求通常有以下两种情况:
一是强化传热,即加大传热过程速率的过程。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,也即减小传热速率的过程。要求传热速率慢,以减少热量或冷量的损失。如设备和管道的保温过程。
为此,必须掌握传热的共同规律。
化工传热过程可连续亦可间歇进行。对于前者,传热系统中不积累热量,即输入系统的热量等于输出系统的热量,称为稳定传热(又称定态传热)。稳定传热的特点是传热速率为常数,并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。对于后者,传热系统中各点的温度不仅随位置变化且随时间变化,称为不稳定传热(又称非定态传热)。本章中除非另有说明,只讨论稳定传热。
二、传热的基本方式
根据机理的不同,传热有三种基本方式:热传导、热对流和热辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。
(一)热传导
热传导又称导热,是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。当物质内部在传热方向上无质点宏观迁移的前提下,只要存在温度差,就必然发生热传导。可见热传导不仅发生在固体中,同时也是流体内的一种传热方式。
在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热,是凭借流体分子的振动碰撞来实现的,换言之,这两类传热过程也应属于导热的范畴。
所以说:固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热均属于导热。
很显然,导热过程的特点是:在传热过程中传热方向上无质点块的宏观迁移。
(二)热对流
热对流是利用流体质点在传热方向上的相对运动来实现热量传递的过程,简称对流。根据造成流体质点在传热方向上的相对运动的原因不同,又可分为强制对流和自然对流。
若相对运动是由外力作用引起的,则称为强制对流。如传热过程因泵、风机、搅拌器等对流体做功造成传热方向上质点块的宏观迁移。
若相对运动是由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异,使流体质点发生相对运动的,则称为自然对流。
例如,我们可以观察到燃烧炉上方的空气是晃动的,这是因为靠近炉子表面的空气被加热升温后,密度减小而上浮,离炉子表面较远的空气温度相对较低,由于密度较大而下沉,冷、热气团形成自然对流的结果。
流体在发生强制对流时,往往伴随着自然对流,但一般强制对流过程的速率比自然对流的大得多,故在工业换热设备中,流体中的热对流过程通常控制为强制对流方式。
(三)热辐射
热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说,物体先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