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时间:2018-10-15
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1、3传热教学要求:掌握热量传递的三种基本方式及特点、传热过程所遵循的基本规律及传热过程分析计算的基本方法,热传导中的傅立叶定律、平壁和圆筒壁的导热速率方程式及热传导计算对流传热的基本原理及影响对流传热的因素,热辐射的基本定律、传热过程的计算,传热速率方程式、传热量、平均温度差、总传热系数的计算,传热操作型问题的分析方法与计算;了解强化传热过程的途径;强化传热过程的途径;熟悉列管式换热器的结构特点、蒸汽冷凝、液体沸腾的概念;教学重点:平壁及圆筒壁稳定热传导及其计算;传热过程的计算(热负荷、平均温度差
2、、对流传热系数、总传热系数、壁温的计算);换热器计算;列管换热器的结构特点及选型教学难点:传热面积与流通面积的区别;传热系数的计算;3.1概述3.1.1传热在化工生产中的应用由热力学第二定律可知,凡是有温差的地方就有热量传递。传热不仅是自然界普遍存在的现象,而且在科学技术、工业生产以及日常生活中都有很重要的地位,与化学工业的关系尤为密切。化工生产中的化学反应通常是在一定的温度下进行的,为此需向反应物加热到适当的温度;而反应后的产物常需冷却以移去热量。在其他单元操作中,如蒸馏、吸收、干燥等,物料都
3、有一定的温度要求,需要加入或输出热量。此外,高温或低温下操作的设备和管道都要求保温,以便减少它们和外界的传热。近十多年来,随能源价格的不断上升和对环保要求增加,热量的合理利用和废热的回收越来越得到人们的重视。化工对传热过程有两方面的要求:(1)强化传热过程:在传热设备中加热或冷却物料,希望以高传热速率来进行热量传递,使物料达到指定温度或回收热量,同时使传热设备紧凑,节省设备费用。(2)削弱传热过程:如对高低温设备或管道进行保温,以减少热损失。一般来说,传热设备在化工厂设备投资中可占到40%左右,
4、传热是化工中重要的单元操作之一,了解和掌握传热的基本规律,在化学工程中具有很重要的意义。3.1.2传热的三种基本方式任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。(1)热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分,或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导,又称导热。41特点:在纯的热传导过程中,物体各部分之间不发生相对位移,即没有物质的宏观位移。从微观角度来看,气体、液体、导电固体和非导电固体的导热机理各不相同。气体:气体分子做不规则热运动时相互碰撞的结果。固体:导电固体:自由电
5、子在晶格间的运动;良好的导电体中有相当多的自由电子在晶格之间运动,正如这些自由电子能传导电能一样,它们也能将热能从高温处传到低温处。非导电固体:非导电体的导热是通过晶格结构的振动来实现的。液体:存在两种不同的观点,类似于气体和类似于非导电固体。(2)对流流体内部质点发生相对位移而引起的热量传递过程,对流只能发生在流体中。由于引起质点发生相对位移的原因不同,可分为自然对流和强制对流。自然对流:流体原来是静止的,但内部由于温度不同、密度不同,造成流体内部上升下降运动而发生对流。强制对流:流体在某种外
6、力的强制作用下运动而发生的对流。(3)热辐射辐射是一种以电磁波传播能量的现象。物体会因各种原因发射出辐射能,其中物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。物体放热时,热能变为辐射能,以电磁波的形式在空间传播,当遇到另一物体,则部分或全部被吸收,重新又转变为热能。热辐射不仅是能量的转移,而且伴有能量形式的转化。此外,辐射能可以在真空中传播,不需要任何物质作媒介。3.1.3传热过程中冷热流体的接触方式化工生产中常见的情况是冷热流体进行热交换。根据冷热流体的接触情况,工业上的传热过程可分为三大类:直接
7、接触式、蓄热式、间壁式。(1)直接接触式传热在这类传热中,冷、热流体在传热设备中通过直接混合的方式进行热量交换,又称为混合式传热。优点:方便和有效,而且设备结构较简单,常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。缺点:在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。直接接触式传热设备—板式塔直接接触式传热设备—填料塔(2)蓄热式传热41这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时,即可通过填料将从热流体来的热量,传递给冷流体,达到换热的目的。优点:结构较简单,可耐高温,常用于气体的余热或冷量的利用。缺点:由于
8、填料需要蓄热,所以设备的体积较大,且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。(3)间壁式传热在多数情况下,化工工艺上不允许冷热流体直接接触,故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多,工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开,以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。套管换热器是由两根不同直径的直管组成的同心套管。一种流体在内管内流动,而另一种流体在内外管间的环隙
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