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1、青岛海湾集团企业新型学徒制培训讲义（化工总控工中级）子模块一 传热概念1、传热：指热传递，即由于温度差而产生的能量由高温区向低温区的转移；在化学工程角度讲，是指传热过程，即由于存在温度差而发生热传递的化工过程。2、载热体：参与传热的流体称为载热体3、热载热体：温度较高并在传热过程中失去热量的流体。4、冷载流体：温度较低并在传热过程中得到热量的流体。5、加热剂：传热的目的是将冷载热体加热或汽化，则所用的热载热体称为加热剂。6、冷却剂：传热的目的是将热载热体冷却或凝结，则所用的冷载热体称为冷却剂或冷凝剂。7、稳定传热：在传热过程中，温度仅随传热面上个点的闻之变化而不随时间变化。8、不稳定传热：在传
2、热过程中，温度不仅随位置变化，而且随时间变化。其单位时间所传递的热量随时间而变化。9、热现象：是物质运动的一种表现，它是物体内部大量分子无规则运动的宏观表现。10、物体的内能：物体内部所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和。11、温度：表示物体冷热程度的物理量12、热量：热传递过程中传递能量的多少。13、比热容：单位质量的某种物质温度升高或降低1K时吸收或放出的热量（C,kJ/kgK）14、显热：物质在没有相变的情况下温度变化时所吸收或放出的热量。15、潜热：在温度压力不变时物质发生相变所吸收或放出的热量。子模块二 传热基本方程 从传热基本方程 （）或 （）可知，要强化传热过程主要应着眼于增
3、加推动力和减少热阻，也就是设法增大或者增大传热面积和传热系数。在生产上，无论是选用或设计一个新的换热器还是对已有的换热器进行查定，都是建立在上述基本方程的基础上的，传热计算则主要解决基本方程中的及有关量的计算。传热基本方程是传热章中最主要的方程式。1、传热速率的计算 冷、热流体进行热交换时，当热损失忽略，则根据能量守恒原理，热流体放出热量，必等于冷流体所吸收的热量，即，称之热量衡算式。（1）无相变化时热负荷的计算 比热法 （4-12）式中 热负荷或传热速率，J.s-1或W； 热、冷流体的质量流量，kg.s-1； 冷、热流体的定压比热，取进出口流体温度的算术平均值下的比热，k.（kg.k）-1；
4、 热流体进、出口温度，（C）； 冷流体的进出口温度，（C）。（）热焓法 （）式中 物料始态的焓，k.kg-1； 物料终态的焓，k.kg-1。有相变化时热负荷计算 （）式中 发生相变化流体的质量流量，kg.s-1； 液体汽化（或蒸汽冷凝）潜热，k.kg-1。注意：在热负荷计算时，必须分清有相变化还是无相变化，然后根据不同算式进行计算。对蒸汽的冷凝、冷却过程的热负荷，要予以分别计算而后相加。当要考虑热损失时，则有： 通常在保温良好的换热器中可取2、平均温度差的计算在间壁式换热器中，的计算可分为以下几种类型：（1）两侧均为恒温下的传热两侧流体分别为蒸汽冷凝和液体沸腾时，温度不变，则：t常数（2）一侧
5、恒温一侧变温下的传热可推得计算式为： （）式中为进出口处传热温度差的对数平均值，温差大的一端为，温差小的一端为，从而使上式中分子分母均为正值。 当时，则：，即可用算术平均值。（3）两侧均为变温下的稳定传热其计算式与式（）完全一致。（4）复杂流动时的计算流体是复杂错流和折流时，其的计算较为复杂，一般用下式计算： （4-16）式中 为按逆流操作情况下的平均温度差, 为校正系数，为P，R两因数的函数，即：=f（P，R），对于各种换热情况下的值，可在有关手册中查到。（5） 的计算要注意：计算通常用式（4-15）所示的对数平均温度差，当时，可用算术平均值代替。 为避免不同操作条件下的计算错误，最好用图示
6、出流动方向并注明温度： 逆流 当冷、热流体操作温度一定时，总大于。当要求传热速率一定时，逆流所需的设备投资费用及操作费用均少于并流，故工业生产的换热设备一般采用逆流操作。3、总传热系数K的确定总传热系数K值有三个来源：一是选取经验值；二是实验测定值；三是计算。（1）现场测定总传热系数根据传热速率方程式，当传热量Q、传热面积A及平均温度差为已知时，则可测出某换热设备在该工艺条件下的K值。（2） 总传热系数的计算两流体通过间壁的传热过程是由热流体对管壁对流管壁热传导管壁对冷流体的对流所构成的串联传热过程，利用串联热阻的关系，即可导出总传热系数K的计算式。若以传热管外表面积为基准，其对应的总传热系数
7、K为： （3-17）同理，若以传热管内表面积为基准，其对应的总传热系数K为： （3-18）若以传热管壁的平均面积为基准，其对应的总传热系数K为 （3-19） 由此可见，所取基准传热面积不同，K值也不同，即。 当传热面积为平壁时，则：，此时的总传热系数K为： （3-20） 当壁阻较小的多时，可忽略不计，此时K为： （3-21）注意：（1）总传热系数和传热面积的对应关系。所选基准面积不同，总传热系数的数值也不同。手册中所列的K值，无特殊说明，均视为以管外表面为基准的K值。（2）管壁薄或管径较大时，可近似取，即圆筒壁视为平壁计算。（3）总传热系数K值比两侧流体中值小者还小。（4）当时，壁阻可忽略不计
8、时，则且 当时，壁阻可忽略不计时，则且 由此可知，总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制的，即两个对流传热系数相差较大时，要提高K值，关键在于提高较小的；若两侧相差不大时，则必须同时提高两侧的值，才能提高K值。4、污垢热阻污垢的存在，将增大传热阻力，污垢热阻一般由实验测定，对传热面按平壁处理时，其总的热阻为： （4-19）式中为管壁两侧的流体的污垢热阻。5、壁温的计算壁温可按下式计算： （5-20） （5-21） （5-22）壁温总是接近对流传热系数值大的一侧流体的温度。壁温的具体计算过程需进行试差。子模块三 换热方法1、工业上的传热过程中，冷流体和热流体的接触有三种方式。 （1）直接接触式
9、 在某些传热过程中，例如热气体的直接水冷却及热水的直接空气冷却等，采用冷、热流体直接接触进行换热。这种方式传热面积大，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是由塔型的外壳及若干促进冷、热流体密切接触的内件（如填料）等构成。 （2）间壁式 在大多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接混合，而往往是将冷、热流体用间壁隔开来，通过间壁进行换热，所采用的设备叫间壁式换热器，其型式很多，稍后专门介绍。 （3）蓄热式 这种传热过程中，首先使热流体流过换热器，将器内固体填充物（如耐火砖等）加热，然后停止热流体，使冷流体流过蓄热器内已被热流体加热的固体填充物，吸取热量而被加热，如此周而复始，达到冷、热流体之间的传
10、热目的。一般来说，蓄热式换热只适用于气体，对于液体会有一层液膜粘附在固体表面上，从而造成冷、热流体之间的少量掺混，如果这种掺混也是不允许的话，便不能采用蓄热式换热器。2传热基本方式 热量传递的基本方式有传导传热、对流传热和辐射传热三种。（1）传导传热 系统温度较高部分的粒子（气体、液体的分子，固体的原子，导电固体的自由电子）因热运动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程称为传导传热，简称热传导或导热。热传导过程的特点是，粒子只是在平衡位置附近振动而不发生宏观位移。 （2）对流传热 对流传热也称热对流，是指流体中粒子发生相对宏观位移和混合，将热量由一处传至另一处的过程。工程上，对流传热是
11、指流体流经固体壁面与该表面发生的热量交换，又称给热。 流体的对流因其粒子产生相对宏观位移的原因不同分为两种，一种是由于流体内部各处温度不同而造成密度差异所引起的粒子宏观位移，称为自然对流；另一种是由于外界机械能量的介入迫使其粒子宏观位移，称为强制对流。强制对流较自然对流传热效果好。（3）辐射传热 辐射传热亦称热辐射，是一种热量以电磁波传递的方式。当物体受热而引起内部原子激发，热能变为辐射能以电磁波形式向周围空间发射，射到另一物体时辐射能部分或全部被吸收又重新变为热能，这种能量传播过程称为热辐射。 热辐射的特点是不需要任何传热介质，而可在真空中传递。 物体的温度只要在绝对零度以上，都可以发射电磁
12、波形式的热射线。高温物体向低温物体发射热射线，低温物体也同时向高温物体发射热射线，只不过高温物体向低温物体辐射的能量多而已。实验证明，物体的温度高于400才有明显的热辐射，而化工生产中一般间壁式换热器中的传热过程温度都不很高，过程中因辐射而传递的热量大多情况下可忽略不计，主要讨论热传导和热对流。 需要指出的是，实际化工生产中的传热过程很少以一种方式进行，而往往是两种或三种基本方式的联合，如间壁式换热就是热对流和热传导的串联过程。（4）传导传热热传导基本方程傅里叶定律 如图44所示，当均匀物体两侧有温度差（t1一t2）时，热量以传导的方式通过物体由高温向低温传递。实验证明：单位时间物体的导热量dQd与导热面积A和温度梯度dtd呈正比。写为等式：
