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1、（中职）化工单元过程及操作第一节 概述ppt教材课件汇总完整版电子教案第三章 传 热第三章 传热Heat transfer2.1.1 2.1.1 传热在化工生产过程中的应用：传热在化工生产过程中的应用：1 1）加热或冷却，使物料达到指定的温）加热或冷却，使物料达到指定的温 度；度；2 2）通过换热，回收利用热量；）通过换热，回收利用热量；3 3）保温，以减少热损失。）保温，以减少热损失。2.1 2.1 概述概述 化工生产中对传热过程的要求化工生产中对传热过程的要求经常有以下两种情况；经常有以下两种情况；一种是强化传热过程，如各种一种是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；换热设备中的传热；另一
2、种是削弱传热过程，如设另一种是削弱传热过程，如设备和管道的保温，以减少热损失。备和管道的保温，以减少热损失。为此必须掌握传热的共同规律。为此必须掌握传热的共同规律。v传热方向传热方向：高温高温低温低温v传热极限传热极限：温度相等温度相等v传热推动力传热推动力：温度差温度差传热应用：科研、生产、生活传热应用：科研、生产、生活3.1.23.1.2 传热的基本方式传热的基本方式 热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。热传递三种基本方式：传导、对流和辐射。1.1.热传导（导热）热传导（导热）机理：当物体内部或两物体间存在温度差时，高机理：当物体内部或两物体间存在温度差时，高温物体将一部分热量传递给低温
3、物体。温物体将一部分热量传递给低温物体。（导热不能在真空中传播）（导热不能在真空中传播）特特点点：物物体体中中的的分分子子或或质质点点不不发发生生宏宏观观的的相相对对位移。位移。例如：金属固体例如：金属固体自由电子扩散自由电子扩散 运动运动 不不良良导导体体和和液液体体通通过过振振动动能能从从一一分分子子传递到另一分子。传递到另一分子。气体气体分子不规则运动。分子不规则运动。2.2.对流（热对流、对流传热）对流（热对流、对流传热）机机理理：由由于于流流体体中中质质点点的的相相对对位位移移和和混混合合，将将热热能由一处传至另一处的传递热量的方式。能由一处传至另一处的传递热量的方式。分分为为：自自
4、然然对对流流：流流体体的的运运动动是是由由于于流流体体内内部部各各 处温度不同而引起局部的密度差异所致。处温度不同而引起局部的密度差异所致。强强制制对对流流：若若流流体体的的运运动动是是由由于于受受到到外外力力的的作作用用(如风机、泵或其它外界压力等）所引起。如风机、泵或其它外界压力等）所引起。实实质质：流流体体质质点点携携带带着着热热能能在在不不断断的的流流动动中中，把把热能给出或吸热的过程。热能给出或吸热的过程。3.3.辐射辐射辐辐射射是是一一种种通通过过电电磁磁波波传传递递能能量量的的过过程程。以以电电磁磁波波的的形形式式向向外外界界辐辐射射能能量量。其其热热能能不不依依靠靠任任何何介介
5、质质而而以以电电磁磁波波形形式式在在空空间间传传播播，当当被被另另一一物物体体部部分分或或全全部部接接受受后后，又又重重新新转转变变为热能。为热能。特特点点：不不仅仅产产生生能能量量的的转转移移，还还伴伴随随能能量量形形式的转换。式的转换。v本本章章中中限限研研究究热热量量从从高高温温自自动动地地向向低低温温部部分的传递过程。分的传递过程。v思考：思考：v暖水瓶保温原理？暖水瓶保温原理？2.1.3 2.1.3 工业上换热方法工业上换热方法一、混合式换热和混合式换热器一、混合式换热和混合式换热器特点：冷热流体间的热交换，是依靠热流体特点：冷热流体间的热交换，是依靠热流体和冷流体直接接触和混合过程
6、实现的。和冷流体直接接触和混合过程实现的。优点：传热速度快，效率高，设备简单。优点：传热速度快，效率高，设备简单。例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、例如气体的冷却或水蒸气的冷凝等，可使热、冷流体直接混合进行热交换。冷流体直接混合进行热交换。v典型设备：如凉水塔、典型设备：如凉水塔、喷洒式冷却塔、混合喷洒式冷却塔、混合 式冷凝器式冷凝器v适用范围：无价值的适用范围：无价值的 蒸气冷凝，或其冷凝蒸气冷凝，或其冷凝 液不要求是纯粹的物液不要求是纯粹的物 料等，允许冷热两流料等，允许冷热两流 体直接接触混合的场合。体直接接触混合的场合。废蒸气废蒸气冷水冷水热水热水二、间壁式换热和间壁式换热器二、
7、间壁式换热和间壁式换热器特点：冷热流体被固体壁面所隔开，换热时特点：冷热流体被固体壁面所隔开，换热时两流体互不接触，热量由热流体通过间壁传两流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。给冷流体。如如图图所所示示，热热、冷冷流流体体通通过过间间壁壁两两侧侧的的传传热热过程包过程包括以下三个步骤：括以下三个步骤：(1)(1)热热流流体体将将热热量量传传至至固固体体壁壁面面左左侧侧(对对流流传热传热)。(2)(2)热量自壁面左侧传至壁面右侧热量自壁面左侧传至壁面右侧(热传导热传导)。(3)(3)热量自壁面右侧传至冷流体热量自壁面右侧传至冷流体(对流传热对流传热)。通常，将流体与固体壁面之间的传热称
8、为通常，将流体与固体壁面之间的传热称为对流传热过程，将热、冷流体通过壁面对流传热过程，将热、冷流体通过壁面之间的传热称为热交换过程，简称之间的传热称为热交换过程，简称传热传热过程。过程。v主要特点：主要特点：冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热冷热两种流体被一固体间壁所隔开，在换热过程中，两种流体互不接触，热量由热流过程中，两种流体互不接触，热量由热流体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目体通过间壁传给冷流体。以达到换热的目的。的。v优点：传热速度较快，适用范围广，热量优点：传热速度较快，适用范围广，热量的综合利用和回收便利。的综合利用和回收便利。v缺点：造价高，流动阻力大，动力消耗大。缺点：
9、造价高，流动阻力大，动力消耗大。v典型设备：典型设备：列管式换热器列管式换热器、套管式换热器套管式换热器。v适用范围；不许直接混合的两种流体间的适用范围；不许直接混合的两种流体间的热交换。热交换。冷溶液进 冷溶液出 热溶液进热溶液出套管式换热器 1 2 3 3 6 6 5 445 7单程列管式换热器单程列管式换热器 双程列管式换热器双程列管式换热器 列管式换热器列管式换热器换热器的外形换热器的外形换热器的管束换热器的管束返回三、蓄热式换热和蓄热器三、蓄热式换热和蓄热器特点：冷热两流体间的热量交换是通过壁面特点：冷热两流体间的热量交换是通过壁面周期性的加热和冷却来实现的。周期性的加热和冷却来实现
10、的。主要用于气体间的换热。如石油化工中的蓄主要用于气体间的换热。如石油化工中的蓄热式裂解炉。热式裂解炉。蓄热器内装有固体填充物蓄热器内装有固体填充物(如耐火砖等如耐火砖等)，热、，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常来积蓄和释放热量而达到换热的目的。通常在生产中采用二个并联的蓄热器交替地使用，在生产中采用二个并联的蓄热器交替地使用，如图所示。如图所示。蓄热器蓄热器四、生产中常用的加热和冷却方法四、生产中常用的加热和冷却方法 载热体：使工艺物料被加热或被冷却的流体。载热体：使工艺物料被加热或被冷却的流体。（参与热交
11、换的两流体）（参与热交换的两流体）热载热体：起加热作用的载热体，在换热过热载热体：起加热作用的载热体，在换热过程中放出热量。（加热剂）程中放出热量。（加热剂）冷载热体：起冷却作用的载热体，在换热过冷载热体：起冷却作用的载热体，在换热过程中获得热量。（冷却剂）程中获得热量。（冷却剂）（一）载热体的选用原则（一）载热体的选用原则（1 1）满足工艺要求的温度。）满足工艺要求的温度。（2 2）载热体的温度要易于调节。）载热体的温度要易于调节。（3 3）饱和蒸汽压低，热稳定性好。）饱和蒸汽压低，热稳定性好。（4 4）载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分）载热体应具有化学稳定性，使用过程中不会分解或变
12、质。解或变质。（5 5）为了安全起见，载热体应无毒或毒性较小、不）为了安全起见，载热体应无毒或毒性较小、不易燃、不易爆、腐蚀性小、安全可靠。易燃、不易爆、腐蚀性小、安全可靠。（6 6）价格低廉、来源广泛。）价格低廉、来源广泛。此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热此外，对于换热过程中有相变的载热体或专用载热体，则还有比体积、粘度、热导率等物性参数的体，则还有比体积、粘度、热导率等物性参数的要求。要求。（二）常用加热剂和加热方法（二）常用加热剂和加热方法（1 1）饱和水蒸气加热）饱和水蒸气加热 它的主要优点是：它的主要优点是：可以通过调节蒸汽压力，可以通过调节蒸汽压力，准确地调节温度；准确
13、地调节温度；蒸汽冷凝时的膜系数很蒸汽冷凝时的膜系数很大，换热器的传热面积可以小一些；大，换热器的传热面积可以小一些；蒸汽蒸汽的汽化潜热很大，且加热均匀，在传热量一的汽化潜热很大，且加热均匀，在传热量一定时，所需蒸汽用量较小。定时，所需蒸汽用量较小。饱和水蒸气加热的主要缺点是加热温度不高，饱和水蒸气加热的主要缺点是加热温度不高，通常不超过通常不超过180180，相应的压力为，相应的压力为1003kPa1003kPa。（2 2）矿物油加热）矿物油加热 优点是：来源容易、加热均匀、不需加压。优点是：来源容易、加热均匀、不需加压。常压下加热温度可达到常压下加热温度可达到225225（超过（超过2502
14、50易易分解）。分解）。缺点是：油的黏度大，且黏度随使用时间增缺点是：油的黏度大，且黏度随使用时间增大而增大，膜系数逐渐减小。加热效果不如大而增大，膜系数逐渐减小。加热效果不如水蒸气，易着火，只能利用显热。水蒸气，易着火，只能利用显热。如采用机油、汽缸油等。如采用机油、汽缸油等。（3 3）有机载热体加热）有机载热体加热 有机载热体即联苯混合物，它是有机载热体即联苯混合物，它是26.5%26.5%的联苯和的联苯和73.5%73.5%二苯醚的混合物，俗称二苯醚的混合物，俗称导生导生。沸点高。沸点高（258258）。）。导生具有化学稳定性，在导生具有化学稳定性，在380380以下可长期使用不变以下可
15、长期使用不变质（质（370370可使用可使用75075011001100天）。其加热温度范围天）。其加热温度范围很广，用常压液体加热可达很广，用常压液体加热可达255255；用饱和水蒸气加；用饱和水蒸气加 热可达热可达380380。导生的粘度比矿物油小，故传热效果。导生的粘度比矿物油小，故传热效果较好。较好。导生具有可燃性，但无爆炸危险，其毒性很轻微。导生具有可燃性，但无爆炸危险，其毒性很轻微。主要缺点是它极易渗透软性石棉填料，使用时所有主要缺点是它极易渗透软性石棉填料，使用时所有管道连接处需用金属垫片的可采用焊接。管道连接处需用金属垫片的可采用焊接。（4 4）熔盐加热）熔盐加热 常用熔盐为常
16、用熔盐为7%NaNO7%NaNO3 3、40%NaNO40%NaNO2 2、和、和53%KNO53%KNO3 3组成的低熔点混合物。起熔点为组成的低熔点混合物。起熔点为142142，当，当要求加热温度超过要求加热温度超过380380时，可考虑选用这时，可考虑选用这种载体。它的最高加热温度达种载体。它的最高加热温度达530530。但比。但比热容小，仅为热容小，仅为1.3kJ/(kgK)1.3kJ/(kgK)。（5 5）烟道气加热）烟道气加热 加热温度超过加热温度超过500500时，大多采用烟道气，时，大多采用烟道气，温度可高达温度可高达10001000或更高。使用烟道气加或更高。使用烟道气加热应
17、防止局部过热，当用气体或液体燃料热应防止局部过热，当用气体或液体燃料时，可采用自控系统调节和控制温度。时，可采用自控系统调节和控制温度。（6 6）电加热）电加热 使用电加热可达较高温度，而且清洁、使用电加热可达较高温度，而且清洁、方便、易于控制。化工生产中常用电阻加热和电方便、易于控制。化工生产中常用电阻加热和电感加热。感加热。电阻加热电阻加热 将电阻丝绕在被加热的设备上，通电将电阻丝绕在被加热的设备上，通电后能转变为热能，即达到加热目的。其最高加热后能转变为热能，即达到加热目的。其最高加热温度可达温度可达11001100，但在防火防爆的环境中使用很，但在防火防爆的环境中使用很不安全。不安全。
18、电感加热电感加热 当电流通过导体时，在导体周围产生当电流通过导体时，在导体周围产生磁场。若为交流电，则在导体四周产生的磁场为磁场。若为交流电，则在导体四周产生的磁场为交变磁场。在这交变磁场的感应下，金属表面产交变磁场。在这交变磁场的感应下，金属表面产生感应的交变涡电流，涡流损耗转变为热能，称生感应的交变涡电流，涡流损耗转变为热能，称为电感加热。为电感加热。（三）常用冷却剂与冷却方法（三）常用冷却剂与冷却方法（1 1）水）水 水是化工生产中使用最广泛的冷却水是化工生产中使用最广泛的冷却剂，用量很大，约占总耗水量的剂，用量很大，约占总耗水量的80%80%。水的比。水的比热容和膜系数都比较大，能够将
19、流体冷却到热容和膜系数都比较大，能够将流体冷却到较低的温度，因此得到广泛应用。较低的温度，因此得到广泛应用。冷却水可以是江水、河水、海水、井水或循冷却水可以是江水、河水、海水、井水或循环水等。水温随地区和季节而变化，所以只环水等。水温随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在适用于冷却温度在15153030以上的场合。以上的场合。为了防止溶解在水中盐类的析出，在换热器为了防止溶解在水中盐类的析出，在换热器传热表面形成水垢，一般控制冷却水的终温传热表面形成水垢，一般控制冷却水的终温不超过不超过40405050。若需要将流体冷却到。若需要将流体冷却到5 51010或更低温度时，则需要采用经冷却降温
20、或更低温度时，则需要采用经冷却降温的低温水（如冷冻盐水或冷冻剂）作冷却剂的低温水（如冷冻盐水或冷冻剂）作冷却剂。（2 2）空气）空气 空气是取之不竭的冷却剂，用空空气是取之不竭的冷却剂，用空气代替水作冷却剂可以减少污水处理的问气代替水作冷却剂可以减少污水处理的问题。在水源不足的地区，更显出它的优越题。在水源不足的地区，更显出它的优越性。空气的温度随地区和季节而变化，所性。空气的温度随地区和季节而变化，所以只适用于冷却温度在以只适用于冷却温度在3030以上的场合。以上的场合。由于空气的对流传热效果差，要求庞大的由于空气的对流传热效果差，要求庞大的换热设备。大型企业中采用空气冷却在经换热设备。大型企业中采用空气冷却在经济上是合理的，所以正得到逐步推广。济上是合理的，所以正得到逐步推广。2.1.4 2.1.4 稳定传热和非稳定传热稳定传热和非稳定传热稳定传热：各点温度分布不随时间改变仅随位置改变。稳定传热：各点温度分布不随时间改变仅随位置改变。特点：单位时间内通过传热间壁的热量是一个常量。特点：单位时间内通过传热间壁的热量是一个常量。化工生产中所研究的多为稳定传热。化工生产中所研究的多为稳定传热。非稳定传热：各点温度随位置和时间而变非稳定传热：各点温度随位置和时间而变只有设备处于开、停车阶段，间歇操作属于只有设备处于开、停车阶段，间歇操作属于非稳定传非稳定传热。热。