2.1　傳熱的方式和方法

過程工業與傳熱過程的關系尤為密切，因為無論是生產中的反應過程，還是物理過程（即化工單元操作），幾乎都伴有熱量的傳遞。傳熱在過程工業中的應用主要有以下幾個方面。

（1）為化學反應創造必要的條件

化學反應是化工生產的核心，幾乎所有的化學反應都要求有一定的溫度條件，例如：合成氨的操作溫度為470～520℃；氨氧化法制備硝酸過程中氨和氧的反應溫度為800℃等。為了達到要求的反應溫度，必須先對原料進行加熱，而這些反應都是明顯的放熱反應，為了保持最佳反應溫度，又必須及時移走放出的熱量；若是吸熱反應，要保持反應溫度，則需及時補充熱量。

（2）為單元操作創造必要的條件

對某些單元操作過程（如蒸發、結晶、蒸餾和干燥等）往往需要輸入或輸出熱量，才能保證操作的正常進行。如蒸餾操作中，為使塔釜內的液體不斷汽化從而得到操作所必需的上升蒸氣，需要向塔釜內的液體輸入熱量，同時，為了使塔頂出來的蒸氣冷凝得到回流液和液體產品，又需要從塔頂冷凝器中移出熱量。

（3）提高熱能的綜合利用和余熱的回收

如在合成氨的生產過程中，合成塔出口氣體的溫度很高，為將反應產物與原料氣加以分離必須要降溫，為提高熱量的綜合利用和回收余熱，可用其加熱循環氣。

（4）減少設備的熱量（或冷量）損失

為減少設備的熱量（或冷量）損失，以降低生產成本，提高勞動保護條件，往往需要對設備和管道進行保溫。因此，傳熱設備不僅在化工廠的設備投資中占有很大的比重，而且它們所消耗的能量也是相當可觀的。

現代過程工業生產中對傳熱的要求可分為兩種情況：一種是強化傳熱，如各種換熱設備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好；另一種是削弱傳熱，如設備和管道的保溫，要求傳熱速率慢，以減少熱量（或冷量）的損失。

傳熱過程既可連續進行也可間歇進行。對于前者，傳熱系統（例如換熱器）中的溫度僅隨位置變化而不隨時間變化，此種傳熱稱為穩定傳熱，其特點是系統中不積累能量（即輸入的能量等于輸出的能量），傳熱速率（單位時間傳遞的熱量）為常數。對于后者，傳熱系統中各點的溫度既隨位置變化又隨時間變化，此種傳熱稱為不穩定傳熱。對連續生產中的傳熱大多可視為穩定傳熱。

2.1.1　傳熱的基本方式

根據傳熱機理的不同，熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱。傳熱可依靠其中的一種或幾種方式進行。無論以何種方式傳熱，熱量總是由高溫處向低溫處傳遞。

（1）熱傳導

熱傳導又稱導熱，是不同溫度的物體之間通過直接接觸，或同一物體中不同溫度的各部分之間，由于分子、原子或自由電子等微粒的熱運動而發生的熱量傳遞，導熱一般發生于固體、靜止的流體或與層流流體流動方向相垂直的傳熱。

（2）對流傳熱

流體微團發生相對位移，將熱量由一處轉移到另一處的傳熱過程。

（3）輻射傳熱

物體將熱能以電磁波的形式輻射傳遞，即由于物體自身具有一定的溫度而使電子在核外軌道上躍遷，輻射出電磁波。物體的溫度越高，熱輻射的能力也越強。

2.1.2　工業傳熱的方法

根據工作原理和設備結構種類的不同，現代過程工業生產中的傳熱方法可分為以下三種。

（1）間壁式傳熱

間壁式傳熱是現代過程工業生產中普遍采用的一種方法。在設備中，冷熱兩種流體以間壁（或隔板）隔開，使高溫和低溫流體介質分別在間壁兩邊流動。在流動過程中，高溫流體首先將熱量傳到間壁表面，然后由間壁側將熱量傳導到另一側，最后又從間壁另一側的表面將熱量傳給被加熱的冷流體。使用這樣的方法來完成傳熱的設備叫間壁式換熱器。這類換熱器種類很多，如套管式換熱器、夾套反應釜、螺旋板式換熱器等。

圖2-1所示為套管式換熱器，由兩個直徑不同的同心套管組成，形成管內和管間兩個空間，其中小管內流過一種介質，內、外管構成的環形空間流過另一種介質，實現冷熱流體的傳熱。間壁式傳熱適合于不能直接混合的兩種流體間的傳熱，這在過程工業生產中有著最廣泛的應用。

（2）混合式傳熱

混合式傳熱是讓冷、熱兩種流體直接接觸與混合來實現傳熱的方法，效率高、設備簡單，如混合式冷凝器、噴淋式冷卻塔和冷卻吸收塔等。

圖2-2所示為濕式混合冷凝器。此種換熱器適于水蒸氣的冷凝，或用于兩種流體直接接觸混合冷凝的場合。

（3）蓄熱式傳熱

通過器內填充物壁面周期性的加熱和冷卻來完成冷熱兩股流體間的熱量傳遞，這種設備稱蓄熱式換熱器。器內裝有耐火磚之類的固體填充物，用來貯蓄熱量。具體工作過程如下：當熱流體流經蓄熱器時，加熱填充物吸收熱量，貯蓄在填充物內；然后切換流體，使冷流體流入蓄熱器，填充物把貯存的熱量又傳給冷流體。使冷熱兩種流體交替流過填充物，利用器內填充物來貯蓄熱量和放出熱量，達到冷熱兩種流體交換熱量的目的。這種方式適用于氣體介質間的傳熱。蓄熱式傳熱在切換兩種流體時，難免不發生混合現象，對于要求介質不含雜質的過程工業，如制藥生產中很少使用這種傳熱方式。

2.1.3　穩定傳熱和不穩定傳熱

在傳熱過程中，若各處的溫度僅隨位置變化而不隨時間變化，則稱該傳熱過程為穩定傳熱。例如，在正常生產條件下，一臺連續運行的間壁換熱器中，冷熱兩種流體在進出口部位具有穩定的流量和不變的溫度值；雖然在器內流體的溫度沿著壁面有變化，但與流體流動方向垂直的任意一個截面上流體各點的溫度有一個確定的數值，不隨時間變化。

相反，在傳熱過程中，各點的溫度或其他參數既隨時間變化，又隨位置變化，稱為不穩定傳熱。本章只討論穩定傳熱過程。在過程工業生產中，連續過程在正常操作時，可看作穩定傳熱，而間歇操作都為不穩定傳熱。本章討論的傳熱問題在沒有特別指明時均為連續穩定傳熱。