任務一　傳熱工藝的認識

【任務導入】

化學工藝與傳熱息息相關，無論生產中的化學過程還是物理過程，幾乎都伴有熱量的傳遞。在進行傳熱操作前我們先要認識傳熱工藝的地位、作用及換熱設備的結構、特點和工作原理。

【任務實施】

一、傳熱在化工生產中的應用

歸納起來，傳熱在化工生產過程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，一般需要在一定的溫度條件下發生。例如，合成氨的操作溫度為470～520℃，為了達到要求的反應溫度，必須在化學反應的同時進行加熱或冷卻。

②為單元操作創造必要的條件。在某些單元操作（如蒸發、結晶、蒸餾、解吸和干燥等）中，需要輸入或輸出熱量，才能使這些單元操作正常地進行。例如，蒸餾傳質中，塔底須用加熱蒸汽加熱塔釜液體，塔頂蒸汽要引入冷凝器用冷凝水將蒸汽冷凝成液體。

③提高熱能的綜合利用率。化工生產中的化學反應大都為放熱反應，其放出的熱量可通過傳熱工藝回收利用，以降低生產的能量消耗。例如，合成氨的反應溫度很高，有大量的余熱需要回收，通常可設置余熱鍋爐生產蒸汽甚至發電。

④隔熱與節能。為了減少熱量或冷量的損失，以滿足工藝要求，降低生產成本，改善勞動條件，往往需要對設備和管道進行保溫，在其外表面包裹一層或幾層隔熱材料。

因此，傳熱設備在化工廠的設備投資中占有很大的比例。據統計，在一般的石油化工企業中，傳熱設備的費用約占總投資的30%～40%，研究傳熱及傳熱設備對能量的節約和充分利用具有現實意義。

二、傳熱過程的類型

化工生產過程中對傳熱的要求可分為兩種情況：

一是強化傳熱，如各種換熱設備中的傳熱，要求傳熱速率快，傳熱效果好。

二是削弱傳熱，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。

化工傳熱過程既可連續進行也可間歇進行。若傳熱系統中的溫度僅與位置有關而與時間無關，此種傳熱稱為穩態傳熱，其特點是系統中不積累能量（即輸入的熱量等于輸出的熱量），傳熱速率（單位時間傳遞的熱量）為常數。若傳熱系統中各點的溫度既與位置有關又與時間有關，此種傳熱稱為非穩態傳熱，間歇生產過程中的傳熱和連續生產過程中開停車階段的傳熱一般屬于非穩態傳熱。化工生產中的傳熱大多可視為穩態傳熱，因此，本項目只討論穩態傳熱。

三、載熱體及其選擇

生產中的熱量交換通常發生在兩流體之間，參與換熱過程中的流體稱為載熱體，溫度較高放出熱量的流體稱為熱載熱體，簡稱為熱流體；溫度較低吸收熱量的流體稱為冷載熱體，簡稱為冷流體。同時，根據傳熱目的不同，載熱體的名稱也不同，若傳熱是為了將冷流體加熱，此時熱流體稱為加熱劑；若傳熱目的是將熱流體冷卻或冷凝，此時冷流體稱為冷卻劑或冷凝劑。

1.載熱體的選用原則

①載熱體應能滿足所要求達到的溫度。

②載熱體的溫度調節應方便。

③載熱體的比熱容或潛熱應較大。

④載熱體應具有化學穩定性，使用過程中不會分解或變質。

⑤為了操作安全起見，載熱體應無毒或毒性較小，不易燃易爆，對設備腐蝕性小。

⑥價格低廉，來源廣泛。

此外，對于換熱過程中有相變的載熱體或專用載熱體，還有比熱容、黏度、熱導率等物性參數的要求。

2.常用加熱劑和冷卻劑

常用的加熱劑和冷卻劑見表2-1。

當要求溫度小于180℃時，常用飽和水蒸氣做加熱劑，其優點是飽和水蒸氣的壓力和溫度一一對應，調節其壓力就可以控制加熱溫度，使用方便；飽和水蒸氣冷凝放出潛熱，潛熱遠大于顯熱，因此所需的蒸汽量小；蒸汽冷凝時的膜系數很大，對流傳熱的阻力小，傳熱快；價廉、無毒、無失火危險。其缺點是飽和水蒸氣冷凝傳熱能達到的溫度受到壓力的限制，不能太高。

四、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、熱對流和熱輻射。

1.熱傳導

熱傳導是由于物質的分子、原子或電子的運動或振動，而將熱量從物體內高溫處向低溫處傳遞的過程。任何物體，不論其內部有無質點的相對運動，只要存在溫度差，就必然發生熱傳導。可見熱傳導不僅發生在固體中，而且也是流體內的一種傳熱方式。

2.熱對流

熱對流是指流體中質點發生宏觀位移而引起的熱量傳遞，熱對流僅發生在流體中。由于引起流體質點宏觀位移的原因不同，對流又可分為強制對流和自然對流。由外力（泵、風機、攪拌器等作用）而引起的質點運動，稱為強制對流；由流體內部各部分溫度不同而產生密度的差異，造成流體質點相對運動，稱為自然對流。在流體發生強制對流時，往往伴隨著自然對流，但一般強制對流的強度比自然對流的大得多。

3.熱輻射

因熱的原因，物體發出輻射能并在周圍空間傳播而引起的傳熱，稱為熱輻射。它是一種通過電磁波傳遞能量的方式。具體地說，物體將熱能轉變成輻射能，以電磁波的形式進行傳送，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉變為熱能。輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的總結果。由此可知，輻射傳熱不僅是能量的傳遞，同時還伴有能量形式的轉換。熱輻射不需要任何媒介，換言之，可以在真空中傳播，這是熱輻射不同于其他傳熱方式的另一特點。應予指出，只有物體溫度較高時，輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。

實際上，傳熱過程往往不是以某種傳熱方式單獨出現，而是兩種或三種傳熱方式的組合。例如生產中普遍使用的間壁式換熱器的傳熱，主要是以熱對流和熱傳導相結合的方式進行的。

五、換熱器的分類

由于載熱體的性質、傳熱的要求各不相同，因此換熱器的種類很多，它們特點不一，操作方法有所不同。

1.按作用原理來分類

（1）直接接觸式換熱器　兩流體直接混合進行傳熱的設備稱為直接接觸式換熱器，又稱為混合式換熱器。此類換熱器的特點是結構簡單、傳熱效率高，用于兩流體允許混合的場合。混合式蒸汽冷凝器、涼水塔、洗滌塔、噴射冷凝塔等設備中進行的傳熱均屬于直接接觸式換熱。

（2）間壁式換熱器　需要進行熱量交換的兩流體被固體壁面分開，互不接觸，熱量由熱流體（放出熱量）通過壁面傳給冷流體（吸收熱量）。間壁式換熱器又稱為表面式換熱器或間接式換熱器。這類換熱器的特點是兩流體在換熱過程中不發生混合，從而避免了因換熱帶來的污染。因此，工業上間壁式換熱器的應用最廣，各種管式和板式結構的換熱器中所進行的換熱均屬于間壁式換熱。

（3）蓄熱式換熱器　熱流體借助于熱容量較大的固體蓄熱體，將熱量傳給冷流體，此蓄熱體即為蓄熱式換熱器。蓄熱式換熱器又稱為回流式換熱器或蓄熱器。操作時，讓熱、冷流體交替進入換熱器，熱流體將熱量貯存在蓄熱體中，然后由冷流體取走，從而達到換熱的目的。此類換熱具有設備結構簡單、可耐高溫等優點，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。缺點是設備體積龐大，熱效率低，且不能完全避免兩流體的混合。石油化工中，蓄熱式裂解爐中所進行的換熱就屬于蓄熱式換熱。

2.按換熱器的用途分類

（1）加熱器　用于把流體加熱到所需的溫度，被加熱流體在加熱過程中不發生相變。

（2）預熱器　用于流體的預熱，以提高整套工藝裝置的效率。

（3）過熱器　用于加熱飽和蒸汽，使其達到過熱狀態。

（4）蒸發器　用于加熱液體，使之蒸發汽化。

（5）再沸器　是蒸餾過程的專用設備，用于加熱已冷凝的液體，使之再受熱汽化。

（6）冷卻器　用于冷卻流體，使之達到所需的溫度。

（7）冷凝器　用于冷凝飽和蒸汽，使之放出潛熱而凝結液化。

3.按換熱器傳熱面的形狀和結構分類

（1）管式換熱器　管式換熱器通過管子壁面進行傳熱。按傳熱管的結構不同，可分為列管式換熱器、套管式換熱器、蛇管式換熱器和翅片管式換熱器等幾種，應用廣泛。

（2）板式換熱器　板式換熱器通過板面進行傳熱。按傳熱板的結構形式，可分為平板式換熱器、螺旋板式換熱器、板翅式換熱器和熱板式換熱器等幾種。

（3）特殊形式換熱器　這類換熱器是根據工藝的特殊要求而設計的具有特殊結構的換熱器。如回轉式換熱器、熱管換熱器、同流式換熱器等。

六、管式換熱器

1.套管換熱器

套管換熱器是由兩種直徑不同的直管套在一起組成同心套管，然后將若干這樣的套管連接而成的，其結構如圖2-1所示。套管換熱器的優點是結構簡單，能耐高壓，工作適應范圍大，傳熱面積可根據需要增減。其缺點是占地面積大，單位傳熱面積的金屬耗量大；管子接頭多，容易發生泄漏，檢修清洗不方便。此類換熱器適用于傳熱面積不太大而壓力較高及流量較小的場合。

2.蛇管換熱器

蛇管換熱器根據操作方式不同，分為沉浸式和噴淋式兩類。

（1）沉浸式蛇管換熱器　通常以金屬管彎繞而成，制成適應容器的形狀，沉浸在容器內的液體中。管內流體與容器內液體隔著管壁進行換熱。幾種常用的蛇管形狀如圖2-2所示。其優點是結構簡單，造價低廉，便于防腐，能承受高壓。其缺點是管外對流傳熱系數小，常需加攪拌裝置，以提高傳熱系數。

（2）噴淋式蛇管換熱器　結構如圖2-3所示。此類換熱器常用于用冷卻水冷卻管內熱流體。各排蛇管均垂直地固定在支架上，蛇管的排數根據所需傳熱面積的多少而定。熱流體自下部總管流入各排蛇管，從上部流出再匯入總管。冷卻水由蛇管上方的噴淋裝置均勻地噴灑在各排蛇管上，并沿著管外表面淋下。該裝置通常置于室外通風處，冷卻水在空氣中汽化時，可以帶走部分熱量，以提高冷卻效果。與沉浸式蛇管換熱器相比，噴淋式蛇管換熱器具有檢修清洗方便、傳熱效果好等優點。其缺點是體積龐大，占地面積多，冷卻水耗用量較大，噴淋不均勻等。

3.列管式換熱器

列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，它具有結構簡單、堅固耐用、用材廣泛、清洗方便、適用性強等優點，在生產中得到廣泛應用，在換熱設備中占主導地位。列管式換熱器可根據結構特點進行分類，具體分類見表2-2。

如圖2-4所示，固定管板式換熱器操作時一種流體由封頭上的接管進入器內，經封頭與管板間的空間分配至各管內，流過管束后，從另一端封頭上的接管流出換熱器。另一種流體由殼體上的接管流入，殼體內裝有若干塊折流擋板，流體在殼體內沿折流擋板做折流流動，從殼體上的另一接管流出換熱器。兩流體借管壁的導熱作用交換熱量。通常將流經管內的流體稱為管程流體，將流經管外的流體稱為殼程流體。

當殼體與換熱管的溫差大于50℃時，產生的溫差應力（又叫熱應力）具有破壞性，易引起設備變形或使管子彎曲，從管板上松脫，甚至造成管子破裂或設備毀壞。因此必須從結構上考慮這種熱膨脹的影響，采取各種補償的辦法，消除或減小熱應力。常見的溫差補償措施有：補償圈補償、浮頭補償和U形管補償等。

【自測練習】

1.傳熱的基本方式有哪幾種？各有什么特點？

2.間壁式換熱器的優點是什么？

3.常見的間壁式換熱器有哪些？

4.列管換熱器在殼程中設置折流擋板的作用是什么？