工业传热过程机理与传热安全分析实用版文档格式.docx
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日期
20XX年XX月
版次
1/1
编制人
XXXXXX
审核
批准
提示:
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一、传热过程机理分析
根据传热的机理的不同,热量传递有3种基本方式:
热传导、热对流、热辐射。
传热可依靠其中一种或几种方式进行。
不管以何种方式传热,热量自发传递的方向总是由高温处向低温处传递的。
热传导又称为导热,是由于物质的分子、原子或电子的热运动或振动,使热量从物体的高温部分向低温部分传递的过程。
任何紧密接触的物体,不论其内部有无质点的相对运动,只要存在温度差,就必然发生热传导。
可见热传导不但发生在固体中,而且也是流体内的一种传热方式。
气体、液体、固体的热传导不但发生在固体中,而且也是流体内的一种传热方式。
气体、液体、固体的热传导进行的机理各不相同。
在气体中,热传导是由不规则的分子热运动引起的;
在大部分液体和不良导体的固体中,热传导是由分子或晶格的振动传递动量来实现的。
因此,良好的导电体也是良好的导热体。
热传导不能在真空中进行。
热对流是指流体中质点发生相对运动而引起的热量传递。
热对流仅发生在流体中。
由于引起流体质点相对运动的原因不同,对流又可分为强制对流和自然对流。
由于外力(泵、风机、搅拌器等作用)而引起的质点运动,称为强制对流;
由于流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异,使流体质点发生相对运动,称为自然对流。
在流体发生强制对流时,往往伴随着自然对流。
但一般强制对流的强度比自然对流强度大得多。
流体中发生对流传热时,导热是不能避免的,通常把流体与固体壁面间的热量传递称之为对流传热(或给热)。
因热的原因物体发出辐射能的过程,称为热辐射。
它是一种通过电磁波传递能量的方法。
具体地说,物体将热能转变成辐射能,以电磁波的形式在空气中进行传送,当遇到另一个能吸收辐射能的物体时,即被其部分或全部吸收,并转变为热能。
辐射传热就是不同物体间相互辐射和吸收能量的总结果。
可知,辐射传热不仅是能量传递,同时还伴有能量形式的转换。
热辐射不需要任何媒介,换言之,可以在真空中传播,这是热辐射不同于其他传热方式的另一特点。
应予指出,只有物体温度较高时,辐射传热才能成为主要的传热方式。
实际上,传热过程往往不是以某种传热方式单独出现,而是以两种或三种传热方式的组合。
例如生产中普遍使用的间壁式换热器中的传热,主要是以热对流和热传导相结合的方式进行的。
下面将结合实际生产情况对传导传热、对流传热和辐射传热分别介绍。
化工生产中的热交换通常发生在两流体之间。
在换热过程中,温度较高放出热量的流体称为热流体,温度较低吸收热量的流体称为冷流体。
同时,根据换热目的的不同,热流体(或冷流体)又有其他的名称。
若换热的目的是为了将冷流体加热,此时热流体称为加热剂,常见的加热剂有水蒸气(一般也称为加热蒸汽)等;
若换热的目的是为了将热流体冷却(或冷凝),此时冷流体称为冷却剂(或冷凝剂),常见的冷却剂(或冷凝剂)有冷水、冷冻盐水和空气等。
二、
典型换热过程安全分析
在工业生产中,要实现热量交换的设备称为热量交换器,简称为换热器。
根据换热器换热的方法的不同,通常有如下几种类型。
(一)几种典型换热方式
(1)间壁式换热
间壁式换热是指在间壁式换热器进行的换热,间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。
在此类换热器中,需要进行热量交换的两流体被无数固体壁面分开,互不接触,热量由热流体(放出热量)通过壁面传给冷流体(吸收热量)。
该类换热器的特点是两流体进行了换热而不混合。
生产中通常要求两流体进行换热时不能有丝毫混合,因此,间壁式换热器应用最广,形式多样,各种管式和板式结构的换热器均属此类。
(2)直接接触式换热
直接接触式换热是指在直接接触式换热器进行换热,直接接触式换热器又称为混合式换热器。
在此类换热器中,两流体直接接触,相互混合进行换热。
该类型换热器结构简单,传热效率高,适用于两流体允许混合的场合。
常见的这类换热器有凉水塔、洗涤塔、喷射冷凝器等。
(3)蓄热式换热
蓄热式换热是指在蓄热式换热器进行的换热,蓄热式换热器又称为回流式换热器。
这种换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体,将热量由热流体传给冷流体。
热、冷流体交替进入换热器,热流体将热量储存在蓄热体中,然后由冷流体全取走,从而达到换热的目的。
此类换热器结构简单,可耐高温,常用于高温气体热量的回收或冷却。
其缺点是设备庞大,效率低,且不能完全避免两流体的混合,如石油化工中的蓄热式裂解炉。
(二)
典型换热器安全设计分析
前已述及,根据换热方法的不同,有3种类型的换热器,其中以间壁式换热器应用最广。
为便于结合工程实际讨论传热的基本原理及应用,先简单介绍两种典型的间壁式换热器。
如图9—1所示,套管换热器是由两个直径不同的同心圆管套在一起而构成的。
一种流体在管内流动,另一种流体在环隙中流动,通过同管壁面进行热量交换,因此内管壁面面积即为传热面积。
如图9—2所示,为一固定管板式列管换热器,主要由壳体、封头、管束、管板等部件构成。
操作时一种流体由封头上的接管3进入器内,经封头与管板间的空间(分配室)分配至各管内,流过管束后,从另一端封头上的接管4流出换热器。
另一种流体由壳体上的接管3流人,壳体内装有若干块折流挡板7,流体在壳体内沿折流挡板作折流流动,从壳体上的接管4流出换热器。
两流体在换热器内隔着管壁进行换热。
通常将流经管内的流体称为管程(管方)流体;
将流经管外的流体称为壳程(壳方)流体。
由于在图9—2所示的换热器内,管程流体和壳程流体均只一次流过换热器,没有回头,故称为单管程列管换热器。
为改善换热器的传热,工程上常采用多程换热器,图9—3为一双管程单壳程列管换热器,封头内隔板4将分配室一分为二,管程流体只能先通过一半管束,流到另一端分配室后再折回流过另一半管束,然后流出换热器。
由于流体在管束内流经两次,故称为双管程列管换热器。
若流体在管束内来回流过多次,则称为多管程。
一般除单管程外,管程数为偶数,有二、四、六、八程等。
但随着管程数的增加,流动阻力迅速增大,因此管程数不宜过多,一般为二、四管程。
在壳体内,也可在与管束轴线平行方向设置纵向隔板使壳程分为多程,但是由于制造、安装及维修上的困难,工程上较少使用,通常采用折流挡板,以改善壳程传热。