传热过程基础知识

ห้องสมุดไป่ตู้
间 壁
热流 方向
对流 导热 对流
现讨论典型的间壁式换热器结构及其操作原理
1.套管式换热器 由直径不同的两根圆管组成的同 心套管。一种流体在内管中流动， 另一种流体在套管的环隙中流动， 两流体是通过内管壁面进行换热。
每一段套管称一程。程与程之间一般是上下排列，固定在 管架上。若所需传热面积较大，则可用数排并列，各排均 与总管连接而并联使用。 优点：采用标准管子与管件。构造简单，加工方便，排数和 程数伸缩性大，可距需要增减。适当地选择内、外管的直径， 可使两种流体都达到较高流速，从而提高传热系数；两流体 可始终以逆流方向流动，平均温度差最大。 缺点：接头多易泄漏，占地面积大，单位面积消耗金属量大。 传热面积：π
2.列管式换热器
为了改变套管式换热器传热 面积小，设备不紧凑的状况， 常将若干细管组成的管束放 在一大的外管中，这种换热 器称为列管式换热器 。
组成：壳体、管束、管板和封头等部分。
一种流体由封头的进口管进入，流经封头与管板的空间分配 至各管内，从另一端封头的出口管流出。另一种流体则由壳 体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流动中通过管束表面 与管束内流体换热，然后从壳体的另一端接管排出。为增加 流体湍动程度，通常壳体内安装若干与管束垂直的折流档板。
1. 2.对设备或管道进行保温、隔热，以减少热量(或冷量)损
失。 3.合理使用热源，进行热量的综合回收利用。
5.1.2 传热的基本方式
根据传热的机理不同， 5.1.2.1.热传导(导热) 定义：热量从物质中温度较高的部分传递到温度较低的部 分，或者从高温物质传递到与之相邻的低温物质的热量传 递现象。 特点： 由于物质微观粒子的热运动而引起的热量传递，在传热方 向上无物质的宏观位移。 存在于固体、静止流体及滞流流体中。
✓液体： ✓一种观点认为它定性地和气体类似，只是液体分子间的距 离比较近，分子间的作用力对碰撞过程的影响比气体大得 多，因而更复杂。 ✓另一种观点认为其导热机理类似于非导电固体，即主要依 靠原子、分子在其平衡位置附近的振动，只是振动的平衡 位置间歇地发生移动。
✓总的来说，关于导热过程的微观机理，目前仍不很清楚。 本章只讨论导热现象的宏观规律。
实际进行的传热过程，往往不是上述三种基本方式单独出 现，而是两种或三种传热的组合，而又以其中一种或两种 方式为主。
5.1.3 典型的传热设备
实现两流体换热过程的设备称为换热器
化工生产中遇到的多是两流体间的热交换。热交换是指热 流体经固体壁面(间壁)将热量传给冷流体的过程。
热流体
冷流体
冷、热流体被间壁隔开，它们分 别在壁面两侧流动。此壁面即构 成间壁式换热器。热由热流体以 对流方式传递到壁面一侧，通过 间壁的导热，在由壁面另一侧以 对流形式传递到冷流体。
5.1.2.2.热对流(对流)
定义：由于流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程 特点： 热对流只发生在流体中。 流体各部分间产生相对位移 产生对流的原因 由于流体内部温度不同形成密度的差异，在浮力的作用下 产生流体质点的相对位移，使轻者上浮，重者下沉，称为 自然对流； 由于泵、风机或搅拌等外力作用而引起的质点强制运动， 称为强制对流。
虽然热对流是一种基本的传热方式，但由于热对流总 伴随热传导，要将二者分开处理是困难的。因此一般 不讨论单纯热对流，而着重讨论具有实际意义的对流 传热。
5.1.2.3.热辐射
定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。 自然界中一切物体都在不停地发射辐射能，同时又不断地 吸收来自其它物体的辐射能，并将其转化为热能。物体之 间相互辐射和吸收能量的总结果，称为辐射传热。由于高 温物体发射的能量比吸收的多，而低温物体则相反，从而 使净热量从高温物体传递向低温物体。 特点： 可在真空中传播 能量传递同时伴随有能量的转换 任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，但是只 有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传热方式。
流动的原因不同，热对流的规律也不同。在强制对流的同 时常常伴随有自然对流。
化工生产中，常遇到的并非是单纯的热对流方式，而 是流体流过固体表面时发生的热对流和热传导联合作 用的传热过程，即热由流体传递到固体表面(或反之)的 过程，通常将它称为对流传热(也称给热)。其特点是靠 近固体壁面附近的流体中依靠热传导方式传热，而在 流体主体中则主要依靠对流方式传热。 可见，对流传热与流体流动状况密切相关。
第五章 传热过程基础
5.1 传热过程导论 物体或者系统内部由于温度不同而使热量发生转移的过程， 称为热量的传递，简称传热。根据热力学第二定律，只要 有温度差就将有热量自发地从高温处传到低温处，因此传 热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种物理现象。
5.1.1 传热在化工生产中的应用 化学工业与传热问题更为密切，无论是化学反应过程，还 是物理性操作过程，几乎都伴有热量的引入或导出。因此， 传热是重要的化工单元操作之一，其应用主要包括以下几
流体流经管束的过程，称为流经管程，将该流体称为管程 (管方)流体；
流体流经壳体环隙的过程，称为流经壳程，将该流体称为壳 程(壳方)流体。
若流体只在管程内流过一次的，称为单管程；只在壳程内 流过一次的，称为单壳程。
发生热传导的条件是有温度差存在，其结果是热量从高温 部分传向低温部分。
从微观角度看，气体、液体、导电固体和非导电固体的机 理各不相同。
气体：是气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。气 体分子的动能与其温度有关，高温区的分子运动速度比低 温区的大。热量水平较高的分子与热量水平较低的分子相 互碰撞的结果，热量就由高温区传递到低温区。
导电固体：有许多的自由分子在晶格之间运动，正如这些 自由电子能传导电能一样，它们也能将热量从高温处传递 到低温区。
非导电固体：导热是通过晶格结构的振动(即原子、分子在 其平衡位置附近的振动)来实现的。物体中温度较高部分的 分子，因振动而与相邻的分子相碰撞，并将热能的一部分 传递给后者。
一般，通过晶格振动传递的热量比依靠自由电子迁移传递 的热量少，这就是良好的导电体也是良好导热体的原因。