讲义4-1

天津渤海职业技术学院 精品资源共享课 1 3 模块四 化工传热与换热器

第1节 概述 4.1.1 传热在化工生产过程中的应用 传热，即热量传递，是自然界中普遍存在的现象，传热与化学工业的关系甚为密切。 因为无论生产中的化学过程（化学反应操作），还是物理过程（化工单元操作），几乎都伴有热量的传递。 传热在化工生产过程中的应用主要有以下方面： 1、化学反应通常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，就需要向反应器传入或移走一定的热量，因此，热量传递是维持化学反应温度必不可少的条件。 2、在单元操作（如蒸发、蒸馏、吸收和干燥等）中，物料都有一定的温度要求，需要向设备传入或移走一定的热量，热量传递是使以上诸分离操作正常进行的重要条件。 3、在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。 4、对于废热也需合理的利用与回收。 化工生产过程中对传热过程的要求可分为两种情况： 1、强化传热过程：即对各种换热设备要求传热速率快，传热效果好，完成相同传热任务所需的传热面积少，传热设备的结构紧凑，设备费用低。 2、削弱传热过程：如设备和管道的保温，要求传热速率慢， 以减少热损失。

4.1.2热载体 热载体：为了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，此流体称为热载体。起加热作用的热载体称为加热剂（热源）；而起冷却作用的热载体称为冷却剂（冷源）。 （1）加热剂 工业中常用的有热水（40～100℃）、饱和水蒸气（100～180℃）、矿物油或联苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180～540℃）、烟道气（500～1000℃）等；除此外还可用电来加热。 用饱和水蒸汽冷凝放热来加热物料是最常用的加热方法，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。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。 （2）冷却剂 工业中常用的有水（20～30℃）、空气、冷冻盐水、液氨（-33.4℃）等等。 水又可分为河水、海水、井水等，水的传热效果好，应用最为普遍。在水资源较缺乏的地区，宜采用空气冷却，但空气传热速度慢。

4.1.3传热的基本方式 根据传热的机理不同，热传递的基本方式有三种：热传导、热对流和热辐射。 传热可以依靠其中一种方式进行，也可以以两种或三种方式同时进行。 一、热传导（导热） 天津渤海职业技术学院 精品资源共享课 2 4

又称为导热。由于物质分子、原子或电子的运动，将热量从物体内高温处向低温处的传递过程称为热传导。热传导是静止物体内的一种传热方式，发生在相互接触的两个不同温度的物体之间。 特点：物体内的分子或质点不发生宏观的相互位移。 气体、液体、固体的热传导机理各不相同。 气体：热传导是由于分子不规则的热运动相互碰撞的结果。 液体：热传导是由于分子动量传递所致。 金属固体：热传导是由于自由电子扩散运动所引起的。 非金属固体：热传导是通过分子的振动将热量从一个分子传递到另一个分子。 注意：热传导不能在真空中进行。 二、热对流 （对流传热） 热对流是指流体中质点发生相对位移和混合而引起的热量传递，对流传热仅发生在流体中。由于引起流体质点发生相对位移的原因不同，可分为自然对流传热和强制对流传热。 自然对流传热：由于流体各部分温度不同而引起的密度差异，使流体产生相对 运动而产生的热量传递现象。 强制对流传热：由于泵、风机或其它外力作用引起的流体流动而产生的热量传 递现象。 三、热辐射（辐射传热） 因热的原因物体发出辐射能的过程称为热辐射。热辐射是一种以电磁波传递热 能的方式。物体放热时，热能变成辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇到另 一物体时，则部分或全部被物体所吸收而变成热能。辐射传热不仅有能量的传递， 而且伴有能量形式的转换。 注意：热辐射不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。

4.1.4传热过程中冷热流体的接触方式 化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三大类：直接接触式、蓄热式、间壁式。 （1）直接接触式传热 在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。 缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。 比较典型的设备如精馏生产中使用的直接接触式传热设备—板式塔，填料塔，冷却塔等。 天津渤海职业技术学院 精品资源共享课

3 4-1 玻璃钢逆流式机械通风冷却塔 （2）蓄热式传热 这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。

图4-2 蓄热换热工作原理 换热分两个阶段进行： 先是热介质流过蓄热体放出热量，加热蓄热体并被储蓄起来。 接着是冷介质流过蓄热体吸取热量，并使蓄热体又被冷却。 重复上述过程就能使换热连续进行。必须有两套并列设备或同一设备中具有两套并列蓄热体通道同时工作才行。 优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的利用。 缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。 （3）间壁式传热 在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上天津渤海职业技术学院 精品资源共享课 4 并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金

属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。

图4-3 间壁式换热原理 4.1.5 典型的间壁式换热器 化工生产过程中的间壁式换热器以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。。 一、套管式换热器 套管式换热器是由两根直径不同的直管同心套在一起构成的。一种流体在管内流动，另一种流体在管外环隙中流动，两种流体通过内管管壁进行热交换，内管壁的表面积为传热面积。

图4-4 套管换热器示意图 二、列管式换热器 列管式换热器又称管壳式换热器，是工业生产中常用的间壁式换热器。列管式换热器主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等部件构成。一种流体在管内流动称为管程流体，另一种流体在管外流动称为壳程流体，管束的壁面即为传热面。 单程列管式换热器：管程流体在换热器管束内只流过一次。 天津渤海职业技术学院 精品资源共享课 5 双程列管式换热器：管程流体在换热器管束内流经两次。

多程列管式换热器：管程流体在换热器管束内来回流过多次。 列管式换热器的传热面为管束的壁面：S=nπdL S：传热面积，m2； n：管束的根数； d：管径，m 。 管径d可以用管内径di、管外径do、管平均直径dm表示,其传热面积S分别为管内侧表面积Si、管外侧表面积So、管内、外侧的平均表面积Sm。

4.1.6 传热速率和热通量 在换热器中两流体间传递的热量，通常由传热任务所决定。因此换热器的热量衡算是传热计算的基本关系。 在换热器中，热传递的快慢用传热速率来表示。 传热速率Q：指单位时间内通过传热面传递的热量，J/s 或W 。 热通量q：指单位时间内、单位传热面积、传递的热量，J/（s.m2）或W/m2。 计算热通量时要标明所选择的基准面积。因为Si、 So 、 Sm、不同，q值也不同。 传热速率和热通量是评价换热器性能的重要指标，传热速率的通式为：

Rt热阻（传热阻力）温度差（传热推动力）传热速率

提高传热速率的关键在于减小传热阻力，因此了解各种传热过程热阻的意义和计算方法十分重要。 4.1.7 定态传热和非定态传热 定态传热：在传热系统中各点的温度分布仅随位置变化而不随时间变化的传热过 程。连续生产过程中的传热多为定态传热。 特点：通过传热表面的传热速率为一常量。 非定态传热：在传热系统中各点的温度分布不仅随位置而变且又随时间而变的传热过程。 间歇操作的传热过程为非定态传热。

第2节 热传导 4.2.1 热传导的基本概念和傅立叶定律 一、温度场和等温面 物体或系统内部只要有温度差，热量必然从高温位置向低温位置传递。由热传导引起的传热速率取决于物体内部的温度分布。 温度场：任一瞬间，物体或系统内各点的温度分布的总和。 天津渤海职业技术学院 精品资源共享课 6 图4-5 温度场示意图 一般情况下，任意点的温度是该点的空间位置和时间的函数，故温度场的数学表达式为： ,,,zyxft

式中：t ── 某点的温度，℃； x,y,z ── 某点的坐标；  ── 时间。 若温度场内各点的温度随时间而变，则此温度场为非定态温度场（不稳定温度场）。 ,,,zyxft

若温度场内各点的温度不随时间而变，则此温度场为定态温度场（稳定温度场）。 zyxft,,

在特定条件下，温度场内温度仅沿一个空间坐标而变，则此温度场为定态的一维温度场。 xft

等温面：在同一时刻，温度场中所有温度相同的点组成的面。由于同一瞬间内空间中任一点不可能同时有两个不同的温度，因此不同温度的等温面不可能相交。

二、温度梯度 在温度场中，穿过等温面的任何方向上都有温度变化，也就有热传导发生。 两相邻等温面的温度（t+Δt）与 t 之间的温度差Δt，与该两面的垂直距离 Δn 之比值的极限（在n趋于零时）称为温度梯度。（即表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率）。