化工单元过程及操作第三章传热

第三章传热

3.1 概述

3.1.1 传热在化工生产中的应用

传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。

化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。传热在化工生产中的应用主要有以下方面：1)创造并维持化学反应需要的温度条件：例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；

2)创造并维持单元操作过程需要的温度条件：蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。

3)热能的合理利用和余热的回收：生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热网络的综合；

4)隔热与节能：化工生产设备的保温或保冷。

化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：

（1）传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；

（2）传热过程的改进与强化。

3.1.2 强化传热与削弱传热

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。我们学习传热的目的，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。

3.1.3 稳态传热和非稳态传热

· 稳态传热：

在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的

传热过程；稳态传热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态传热。

·非稳态传热：

传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。

3.1.4 工业换热方法

3.1.

4.1 间壁式换热

3.1.

4.2直接接触式换热

3.1.

4.3 蓄热式换热

3.1.5 典型间壁式换热器

3.1.5.1 套管换热器

3.1.5.2 列管换热器

x

3.2.1.4圆筒壁的稳定热传导

在化工生产中，所用设备、管道及换热器管子多为圆筒形，所以通

过圆筒的热传导非常普遍。圆筒

壁与平壁不同点是其面随半径而

变化。

（1）单层圆筒壁的稳定热传导

如图3-6所示，设圆筒的内

半径为r 1，内壁温度为t 1，外半

径为r 2，外壁温度为t 2。温度只

沿半径方向变化，等温面为同心

圆柱面。在半径r 处取一厚度为

dr 的薄层，若圆筒的长度为L ，

则半径为r 处的传热面积为A=2

πrL 。根据傅立叶定律，对此薄

圆筒层可写出传导的热量为 分离变量得

假定导热系数λ为常数，在圆筒

壁的内半径r 1和外半径r 2间进行积分

移项，得

(3－7)

为了便于理解，将式(3-7)改写成式(3-10)的形式。为此，进行下面的转换

r dr r 2 t 1

r 1 dt t 2 图3-6 单层平壁稳态热传导

。当value)

；

两流体通过金属壁的传热包括以下过程：

(1) 热流体以对流传热的方式将热量传给管壁一侧； (2) 通过管壁的热传导；

(3) 由管壁另一侧以对流传热的方式将热量传给冷流体。

上述过程可表示如下 热流体一侧的对流传热量 1

11

1111)(S t T T S Q W αα∆=

-= 通过管壁传导的热量

m

w W m S t t T S Q λλ1)(2

2∆=

-= 冷流体一侧的对流传热量

2

23

2231)(S t t t S Q w αα∆=

-= 对于稳定传热过程 Q 1=Q 2=Q 3=Q

式中 α1、α2-----分别为热、冷流体的对流传热系数，W/m 2

·℃； T 、 t-----分别为热、冷流体的温度，℃；

T w 、t w -----分别为热、冷流体侧的壁面温度，℃； A 1、A 2-----分别为热、冷流体侧的传热面积，m 2；

A m -----金属壁的对数平均面积，m 2

；

λ-----传热壁的导热系数，W/m ·℃； b-----传热壁厚度，m 。 整理上式并相加可得

总热阻总推动力

=+

+-=

2

21111S S b S t T Q m αλα

上式与传热基本方程式Q=KA Δt m 比较得

2211111S S b S KS m αλα+

+=

当传热面为圆筒壁时，A 1≠A 2≠A m ，这时总传热系数K 则随所取的传热面不同而异。

当传热面为平壁时，A 1=A 2=A m =A ，则为

当壁阻b/λ较1/α1、1/α2小得多时，则b/λ可忽略，这时总传热系数可简化成下式

换热器操作一段时间后，其传热表面常有污垢积存，使传热减少。此层虽不厚，但热阻大。在计算总传热系数K 植时，污垢热阻一般不可忽视。由于污垢层的厚度及其导热系数不易估计，工程计算时，通常是根据经验选用污垢热阻（fouling resistSnce ）。如传热面两侧污垢热阻分别用R Si 及R So 表示，对传热面为平壁而言，其总的热阻为

（3-36）

常见流体在传热表面形成的污垢热阻，大致数值可参考表3-5。 常用流体的污垢热阻

流体 污垢热阻

m 2

·K/kW

水(速度<1m/s ，t<47℃) 蒸馏水 0.09 海水 0.09 清净的河水 0.21 未处理的凉水塔用水 0.58 已处理的凉水塔用水 0.26 已处理的锅炉用水 0.26 硬水、井水 0.58 水蒸汽 优质—不含油 0.052 劣质—不含油 0.09 往复机排出 0.176 液体 处理过的盐水 0.264 有机物 0.176 燃料油 1.056 焦油 1.76 气体 空气 0.26～0.53 溶剂蒸汽 0.14