物料換熱操作-傳熱過程基本認(rèn)知（化工單元操作課件）

項(xiàng)目二物料換熱操作任務(wù)一傳熱過程基本認(rèn)知2一、傳熱概述1、定義：熱量傳遞簡稱為傳熱，是自然界普遍存在的現(xiàn)象。2、傳熱推動(dòng)力：物體內(nèi)部或物系之間，只要存在溫度差，就會(huì)發(fā)生從高溫處向低溫處的熱量傳遞。3、傳熱方向：熱量自動(dòng)的從高溫處傳到低溫處，即熱傳遞的方向指向溫度梯度減小的方向。（高溫→低溫）4、傳熱極限：溫度相等自然界和生產(chǎn)領(lǐng)域中普遍存在著這種以溫度差為推動(dòng)力的熱量傳遞現(xiàn)象。3二、傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用加熱或冷卻換熱/能量回用保溫

強(qiáng)化傳熱過程削弱傳熱過程

4能量回收：節(jié)能減排、資源回用！同時(shí)，是化工廠提高經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要措施！余熱資源被認(rèn)為是繼煤、石油、天然氣和水力之后的又一常規(guī)能源。例如：鋼鐵行業(yè)煙氣余熱回收對比余熱沒有回收熱交換器進(jìn)行余熱回收51、物料加熱或冷卻，使物料達(dá)到指定的溫度；

——要求傳熱效果好，傳熱速率大

62、生產(chǎn)中熱能的合理利用，廢熱回收，通過換熱回收利用熱量；

——也需要傳熱效果好、傳熱速率大的傳熱設(shè)備73、化工設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。

——要求保溫層的傳熱速率低8三、傳熱過程的類型1、強(qiáng)化傳熱和削弱傳熱

化工生產(chǎn)過程中對傳熱的要求可分為兩種情況：

（1）強(qiáng)化傳熱:

如各種換熱設(shè)備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好

（2）削弱傳熱:如設(shè)備和管道的保溫，要求傳熱速率慢，以減少熱量（或冷量）的損失。

92、穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱

化工傳熱過程既可連續(xù)進(jìn)行也可間歇進(jìn)行。

（1）穩(wěn)態(tài)傳熱：

傳熱系統(tǒng)（例如換熱器）中的溫度僅與位置有關(guān)而與時(shí)間無關(guān)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中不積累能量（即輸入的熱量等于輸出的熱量），傳熱速率（單位時(shí)間傳遞的熱量）為常數(shù)。

（2）非穩(wěn)態(tài)傳熱：

傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既與位置有關(guān)又與時(shí)間有關(guān)，間歇生產(chǎn)過程中的傳熱和連續(xù)生產(chǎn)過程中的開、停車階段的傳熱一般屬于不穩(wěn)定傳熱。

化工生產(chǎn)中的傳熱大多可視為穩(wěn)態(tài)傳熱。101、設(shè)計(jì)傳熱設(shè)備；2、計(jì)算傳熱量；3、減少熱損失四、傳熱計(jì)算問題的應(yīng)用11(一)熱傳導(dǎo)1、定義熱傳導(dǎo)簡稱導(dǎo)熱，物體中溫度較高部分的分子、原子或電子因運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，而將熱量從物體內(nèi)高溫處向低溫處傳遞的過程。2、特點(diǎn)物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的位移，熱傳導(dǎo)在固體、氣體、液體中均可發(fā)生。（1）必須有溫差；（2）物體直接接觸；（3）依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而傳遞熱量；（4）物體中的分子或質(zhì)點(diǎn)不發(fā)生宏觀的位移。五、傳熱的基本方式12123熱傳導(dǎo)實(shí)例分析一長條形鐵塊（一端燒熱）A兩塊鐵塊（一塊燒熱，另一塊不燒）靠在一起B(yǎng)C兩塊鐵塊（一塊燒熱，另一塊不燒）間隔15CM熱傳導(dǎo)發(fā)生在靜止物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間133、機(jī)理（1）氣體：熱傳導(dǎo)是由不規(guī)則的分子熱運(yùn)動(dòng)引起的；（2）液體和不良導(dǎo)體的固體：熱傳導(dǎo)是由分子或晶格的振動(dòng)傳遞動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)的；（3）金屬固體：熱傳導(dǎo)主要依靠自由電子的遷移來實(shí)現(xiàn)。因此，良好的導(dǎo)電體也是良好的導(dǎo)熱體。14(二)對流傳熱1、定義

對流傳熱也叫熱對流，是指流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀位移而引起的熱量傳遞。152、機(jī)理熱對流僅發(fā)生在流體中。由于引起流體質(zhì)點(diǎn)宏觀位移的原因不同，對流又可分為強(qiáng)制對流和自然對流。（1）強(qiáng)制對流：由于外力（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等作用）而引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）自然對流：由于流體內(nèi)部各部分溫度不同而產(chǎn)生密度的差異，造成流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動(dòng)。3、實(shí)質(zhì)流體質(zhì)點(diǎn)攜帶著熱能在不斷的流動(dòng)中，放熱或吸熱的過程。4、特點(diǎn)：只發(fā)生在流體中。導(dǎo)熱自然對流16123對流傳熱實(shí)例分析半杯熱水中加入冷水（ρ冷水>ρ熱水）A半杯熱水中加入冷水，并不斷攪拌B水壺?zé)ㄗ匀粚α鬟€是強(qiáng)制對流？）C17熱量如何從太陽傳送至地球？18（三）熱輻射

1、定義

因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過程，稱為熱輻射。它是一種通過電磁波傳遞能量的方式。

高溫物體之間的主要傳熱形式。

2、機(jī)理物體將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進(jìn)行傳送，當(dāng)遇到另一個(gè)能吸收輻射能的物體時(shí)，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

193、特點(diǎn)：

（1）熱輻射不需要任何媒介，換言之，可以在真空中傳播；

（2）任何物體，只要溫度大于絕對0K，就可發(fā)生熱輻射；（3）只有物體溫度較高時(shí)，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。三種傳熱方式比較2021熱量傳遞的基本方式熱傳導(dǎo)對流傳熱熱輻射強(qiáng)制對流自然對流三種傳熱方式一般不單獨(dú)存在，往往相互伴隨，同時(shí)出現(xiàn)。六、工業(yè)換熱方式

參與傳熱的流體稱為載熱體。

在傳熱過程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體或加熱劑；

溫度較低而得到熱能的載熱體稱為冷載熱體或冷卻劑（冷凝劑）。冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱交換主要有三種方式。231．直接接觸式換熱

（1）特點(diǎn)：冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖所示，在混合過程中進(jìn)行傳熱，故也稱為混合式換熱。（2）適用場合：用水來冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場合。2425（3）優(yōu)點(diǎn)：傳熱速度快，效率高，設(shè)備簡單。（4）典型設(shè)備：如涼水塔、噴灑式冷卻塔、混合式冷凝器廢蒸氣冷水熱水淋灑式換熱器262.間壁式換熱

生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式，化工生產(chǎn)中最常遇到的換熱過程是間壁式換熱。

（1）特點(diǎn)：

冷、熱流體被一固體壁面隔開，分別在壁面的兩側(cè)流動(dòng)，互不接觸，不相混合。傳熱時(shí)熱流體將熱量傳給固體壁面，再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。

（2）適用場合：兩股流體間需要進(jìn)行熱量交換而又不允許直接相混的場合。

2728293.蓄熱式換熱

蓄熱式換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，室內(nèi)裝有耐火磚等固體填充物，如圖所示。

特點(diǎn)：操作時(shí)冷、熱流體交替的流過蓄熱室，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。

由于這類換熱設(shè)備的操作是間歇交替進(jìn)行的，并且難免在交替時(shí)發(fā)生兩股流體的混合，所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用的較少。30七、生產(chǎn)中常用的加熱和冷卻方法參與換熱的流體稱為載熱體。（1）熱流體-----冷流體；（2）加熱劑-----冷卻劑（或冷凝劑）1.載熱體的選用原則①載熱體應(yīng)能滿足所要求達(dá)到的溫度。②載熱體的溫度調(diào)節(jié)應(yīng)方便。③載熱體的比熱容或潛熱應(yīng)較大。④載熱體應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，使用過程中不會(huì)分解或變質(zhì)。⑤為了操作安全起見，載熱體應(yīng)無毒或毒性較小，不易燃易爆，對設(shè)備腐蝕性小。⑥價(jià)格低廉，來源廣泛。31加熱劑：熱水、飽和水蒸氣

礦物油或有機(jī)載熱體等低熔混合物、熔鹽、煙道氣等

用電加熱直接熱源間接熱源加熱劑煙道氣電加熱高溫載熱體水蒸汽溫度高、經(jīng)濟(jì)、溫度不易控制、加熱不均勻、帶有明火及灰塵溫度高、加熱均勻、易控制、清潔衛(wèi)生、成本高熔鹽混合物最廣的熱源、加熱均勻、溫度高時(shí)壓力過大、不安全2.常用加熱劑和加熱方法32（1）飽和水蒸氣加熱

它的主要優(yōu)點(diǎn)是：①可以通過調(diào)節(jié)蒸汽壓力，準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)溫度；②蒸汽冷凝時(shí)的膜系數(shù)很大，換熱器的傳熱面積可以小一些；③蒸汽的汽化潛熱很大，且加熱均勻，在傳熱量一定時(shí)，所需蒸汽用量較小。飽和水蒸氣加熱的主要缺點(diǎn)是加熱溫度不高，通常不超過180℃，相應(yīng)的壓力為1003kPa。33（2）礦物油加熱

優(yōu)點(diǎn)：來源容易、加熱均勻、不需加壓。常壓下加熱溫度可達(dá)到225℃（超過250℃易分解）。

缺點(diǎn)：油的黏度大，且黏度隨使用時(shí)間增大而增大，膜系數(shù)逐漸減小。加熱效果不如水蒸氣，易著火，只能利用顯熱。如采用機(jī)油、汽缸油等。34

（3）有機(jī)載熱體加熱有機(jī)載熱體即聯(lián)苯混合物，它是26.5%的聯(lián)苯和73.5%二苯醚的混合物，俗稱導(dǎo)生。沸點(diǎn)高（258℃）。導(dǎo)生具有化學(xué)穩(wěn)定性，在380℃以下可長期使用不變質(zhì)（370℃可使用750～1100天）。其加熱溫度范圍很廣，用常壓液體加熱可達(dá)255℃；用飽和水蒸氣加熱可達(dá)380℃。導(dǎo)生的粘度比礦物油小，故傳熱效果較好。導(dǎo)生具有可燃性，但無爆炸危險(xiǎn)，其毒性很輕微。主要缺點(diǎn)是它極易滲透軟性石棉填料，使用時(shí)所有管道連接處需用金屬墊片采用焊接。35（4）熔鹽加熱

常用熔鹽為7%NaNO3、40%NaNO2和53%KNO3組成的低熔點(diǎn)混合物，其熔點(diǎn)為142℃，當(dāng)要求加熱溫度超過380℃時(shí)，可考慮選用這種載體。它的最高加熱溫度達(dá)530℃。但比熱容小，僅為1.3kJ/(kg·K)。（5）煙道氣加熱

加熱溫度超過500℃時(shí)，大多采用煙道氣，溫度可高達(dá)1000℃或更高。使用煙道氣加熱應(yīng)防止局部過熱，當(dāng)用氣體或液體燃料時(shí)，可采用自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制溫度。36（6）電加熱

使用電加熱可達(dá)較高溫度，而且清潔、方便、易于控制?；どa(chǎn)中常用電阻加熱和電感加熱。

①電阻加熱:將電阻絲繞在被加熱的設(shè)備上，通電后能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽催_(dá)到加熱目的。其最高加熱溫度可達(dá)1100℃，但在防火防爆的環(huán)境中使用很不安全。

②電感加熱:

當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。若為交流電，則在導(dǎo)體四周產(chǎn)生的磁場為交變磁場。在這交變磁場的感應(yīng)下，金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)的交變渦電流，渦流損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Q為電感加熱。37冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等空氣、水鹽水溶液常用冷卻劑冷卻溫度≥5oCNaCl、CaCl2等；冷卻溫度0～-45oC有機(jī)物乙醇、乙二醇、丙醇等；冷卻溫度要求更低373.常用冷卻劑與冷卻方法38（1）水

水是化工生產(chǎn)中使用最廣泛的冷卻劑，用量很大，約占總耗水量的80%。水的比熱容和膜系數(shù)都比較大，能夠?qū)⒘黧w冷卻到較低的溫度，因此得到廣泛應(yīng)用。冷卻水可以是江水、河水、海水、井水或循環(huán)水等。水溫隨地區(qū)和季節(jié)而變化，所以只適用于冷卻溫度在15～30℃以上的場合。為了防止溶解在水中鹽類的析出，在換熱器傳熱表