工业传热过程机理与传热安全分析

工业传热过程机理与传热安全

分析（新版）Securitytechnologyisanindustrythatusessecuritytechnologytoprovidesecurityservicestosociety.Systematicdesign,serviceandmanagement.（安全管理）单位：日期：编号：AQ-SN-0626

化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全工业传热过程机理与传热安全分析（新版）说明：安全技术防范就是利用安全防范技术为社会公众提供一种安全服务的产业。既然是一种产业，就要有产品的研制与开发，就要有系统的设计、工程的施工、服务和管理。可以下载修改后或直接打印使用。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化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全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）O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，辐射传热不仅是能化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全量传递，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化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全在工业生产中，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，蓄化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全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，流过管束化工安全技术IChemicalSafetyTechnology化工安全后，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