6、传热
6.1 概述
6.1.1 概述几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是：
① 加热或冷却，使物料达到指定的温度；
② 换热，以回收利用热量或冷量；
③ 保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。
化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。
通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热是化工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。
（1）传热过程中冷热流体的接触方式根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三中基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。
① 直接接触式传热对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数。
由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。
② 间壁式传热在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤：
a 热流体靠对流传热将热量传给金属壁一侧——给热；
b热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热；
c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。
冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为给热过程。
③ 蓄热式换热器首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体达到换热的目的。
为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。起加热作用的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。
（2）载热体及其选择工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。）
工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材p231表6-1。
常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。
在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体，同时还应考虑以下几个方面问题：
载热体的温度应易于调节；
载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解；
载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；
载热体应价格低廉而且容易得到。
6.1.2 传热过程
化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。
（1）传热速率传热过程的速率可用以下两种方式表示：
① 热流量：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量（W=J/s），因此与传热面有关。
② 热流密度（热通量）：单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）,即
与热流量不同，热流密度与传热面积大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。
工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过程，对于定态传热过程和以及有关的物理量都不随时间而变。
（2）换热器的热流量（）
对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应的变化。
设换热器的传热面积为，由可推出换热器的热流量为
间壁两侧，冷、热流体的温差（）沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还必须找出热流密度沿传热面的变化规律。
（3）非定态传热过程工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。
对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一，故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断上升，热流密度随时间不断减小。
对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量。设夹套传热面积为，则
因此，要求，只知道热流密度的计算式是不够的，还须知道随时间的变化规律。
（4）传热机理任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。
固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。
流体与换热器壁面之间的给热过程往往同时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变；而辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。
工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。
6.1 概述
6.1.1 概述几乎所有的化工生产过程都伴有传热操作，进行传热的目的通常是：
① 加热或冷却，使物料达到指定的温度；
② 换热，以回收利用热量或冷量；
③ 保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷。
化学工业能耗高，仅次于冶金工业，因此，应合理利用能源、节约能源。
通常，传热设备在化工厂设备投资中占很大比例，有些可达40%左右，所以传热是化工重要的单元操作之一。同时，热能合理利用对降低产品成本和环境保护有重要意义。
（1）传热过程中冷热流体的接触方式根据冷热流体的接触情况，工业上的传热过程可分为三中基本方式，每种传热方式所用换热设备的结构也迥然不同。
① 直接接触式传热对某些传热过程，例如热气体的直接水冷及热水的直接空气冷却等，可使冷、热流体直接接触进行传热。这种接触方式传热面积大，设备简单。如凉水塔，其中装填填料，填料可以增大接触面积，增大湍动程度，增大传热系数。
由于冷热流体直接接触，这种传热方式必伴有传质过程。
② 间壁式传热在多数情况下，工艺上不允许冷、热流体直接接触，因此直接接触式传热过程在工业上并不很多。工业上应用最多的是间壁式传热过程。间壁式换热器类型很多，其中最简单而又最典型的结构是套管换热器。在套管式换热器中，冷热流体分别通过环隙和内管，热量自热流体传给冷流体，这种热量传递过程包括三个步骤：
a 热流体靠对流传热将热量传给金属壁一侧——给热；
b热量自管壁一侧以热传导的形式传至另一侧——导热；
c 热量以对流传热形式从壁面传给冷流体——给热。
冷、热流体之间进行的热量传递总过程通常称为传热（或换热）过程，而将流体与壁面之间的热量传递过程称为给热过程。
③ 蓄热式换热器首先使热流体通过蓄热器中固体壁面，用热流体将固体填充物加热，然后停止热流体，使冷流体通过固体表面，用固体填充物所积蓄的热量加热冷流体。这样交替通过冷、热流体达到换热的目的。
为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体供给或取走热量，此流体称为载热体。起加热作用的载热体称为加热剂；而起冷却作用的载热体称为冷却剂。
（2）载热体及其选择工业上常用的加热剂有热水、饱和水蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐和烟道气等。当要求温度小于180℃时，常用饱和水蒸汽。饱和水蒸汽冷凝放出潜热，潜热大大于显热，因此所需的蒸汽量小，且相变过程不发生温度变化。（注：若不将饱和水蒸汽中的不凝性气体及时排走，会大大降低传热效果。）
工业上常用的加热剂及其使用温度范围可参见教材p231表6-1。
常用的冷却剂是水、空气和各种冷冻剂。水和空气可将物料最低冷却至周围环境的温度。当温度不很低时，水是最适宜的冷却剂。
在选用载热体时为提高传热过程的经济性，必须根据具体情况选择适当温位的载热体，同时还应考虑以下几个方面问题：
载热体的温度应易于调节；
载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解；
载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀；
载热体应价格低廉而且容易得到。
6.1.2 传热过程
化工生产中应用最广的是间壁式换热器，因此我们以间壁式换热器来讨论传热过程。
（1）传热速率传热过程的速率可用以下两种方式表示：
① 热流量：即单位时间内热流体通过整个换热器的传热面传递给冷流体的热量（W=J/s），因此与传热面有关。
② 热流密度（热通量）：单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）,即
与热流量不同，热流密度与传热面积大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。
工业上的传热过程包括定态和非定态传热情况，但是大多涉及到的都属于定态传热过程，对于定态传热过程和以及有关的物理量都不随时间而变。
（2）换热器的热流量（）
对于定态传热过程，热流密度不随时间而变，但沿着管长是变化的，因此作为传热结果，冷、热流体的温度沿管长而变，冷、热流体的温差也必将发生相应的变化。
设换热器的传热面积为，由可推出换热器的热流量为
间壁两侧，冷、热流体的温差（）沿管长而变，因此为计算换热器的热流量，还必须找出热流密度沿传热面的变化规律。
（3）非定态传热过程工业上不少传热过程是间歇进行的，即随着传热的进行，流体的温度随时间而变，因此是非定态过程。如用饱和蒸汽加热搅拌釜内的液体就属于非定态传热过程。
对此换热器，夹套内为蒸汽冷凝，因而各处温度相同，釜内液体充分搅拌各处温度均一，故在任何时刻传热面各点的热流密度相同。但是，作为传热结果，釜内液体温度随时间不断上升，热流密度随时间不断减小。
对非定态传热问题通常关心的是一段时间内所传递的累积总热量。设夹套传热面积为，则
因此，要求，只知道热流密度的计算式是不够的，还须知道随时间的变化规律。
（4）传热机理任何热量的传递只能通过传导、对流、辐射三种方式进行。
固体内部的热量传递只能以传导的方式进行。
流体与换热器壁面之间的给热过程往往同时包含对流与传导，对高温流体还有热辐射。热传导、对流传热需介质，能量形式不变；而辐射传热无须介质，但能量形式发生变化（热→波→热）。
工程上的传热过程一般都是三种形式同时存在的。
