【正文】 2023 120 第三節(jié) 傳 熱 傳熱的三種基本形式 傳熱的三種基本形式是熱傳導(dǎo)、對(duì)流傳熱、輻射傳熱。 熱傳導(dǎo) 在物體內(nèi)部按順序地將熱量從較高的部分向較低的部分傳遞的方式，稱(chēng)為熱傳導(dǎo)（簡(jiǎn)稱(chēng)：導(dǎo)熱）。 對(duì)流傳熱 液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間，通過(guò)流動(dòng)，由內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移而引起的熱量傳遞，稱(chēng)為對(duì)流傳熱（簡(jiǎn)稱(chēng)：對(duì)流）。 輻射傳熱 一物體自身的熱能向四周散發(fā)，當(dāng)輻射的熱能被另一物體吸收，重新將輻射能變成熱能的過(guò)程稱(chēng)為輻射傳熱（簡(jiǎn)稱(chēng)：熱輻射）。 3/5/2023 121 二．熱量衡算方程式 物體的熱性質(zhì) （ 1）顯熱 在吸熱或放熱過(guò)程中，其形態(tài)不變而溫度卻發(fā)生了變化，這種熱稱(chēng)為顯熱。 （ 2）潛熱 物質(zhì)在吸熱或放熱過(guò)程中，其溫度不變，而形態(tài)發(fā)生了變化，這種熱稱(chēng)為潛熱。 （ 3）比熱容（簡(jiǎn)稱(chēng)：比熱） 單位質(zhì)量物質(zhì)的溫度升高或降低 1K（ K為絕對(duì)溫度）所吸收或放出的熱量，稱(chēng)為該物質(zhì)的比熱容。 絕對(duì)溫度，又稱(chēng)為熱力學(xué)溫度，它的單位為開(kāi)爾文，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)，符號(hào)為 K。絕對(duì)溫度與攝氏溫度之間的關(guān)系式： ℃ = （ ℃ ：攝氏溫度， K：絕對(duì)溫度）。 3/5/2023 122 熱量衡算方程式 在化工生產(chǎn)中，參與傳熱的大多數(shù)是流體，把溫度較高的稱(chēng)為熱流體，溫度較低的稱(chēng)為冷流體。 （ 1）根據(jù)能量守恒定律，在兩種流體進(jìn)行穩(wěn)定傳熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出的熱量 ，必定等于冷流體所得到的熱量 和損失于周?chē)橘|(zhì)的熱量 之和，即 冷Q 熱Q損Q 損冷熱 Q ??3/5/2023 123 式中： ──熱流體放出的熱量 ──冷流體吸收的熱量 ──傳熱中損失的熱量 上述方程式稱(chēng)為熱量衡算方程式（又稱(chēng)：熱平衡方程式）。 當(dāng)傳熱中保溫良好，熱損失忽略不計(jì)時(shí)，則上式即可寫(xiě)成： = 上述方程式稱(chēng)為不考慮熱損失情況下的熱量衡算方程式。 熱Q冷損Q熱Q冷Q3/5/2023 124 （ 2）流體在 沒(méi)有相變化 的狀態(tài)下，換熱流體僅溫度發(fā)生變化， 此時(shí) 式中： 、 ──熱、冷流體單位時(shí)間放出或吸收的熱量（ J/s） ）（熱熱熱 21m cq TTQ ?? ）（冷冷冷 39。139。2m cq TT ??熱Q冷Q3/5/2023 125 、 ──熱流體最初和最終的溫度（ K） 、 ──冷流體最初和最終的溫度（ K） 、 ──熱、冷流體的質(zhì)量流量（ Kg/s） 、 ──熱、冷流體的比熱容 （ J/KgK ） 1T2T39。2 39。1熱mq 冷mq熱c冷c3/5/2023 126 應(yīng)用舉例 例 1： 用飽和水蒸氣在 1小時(shí)內(nèi)將 1000Kg、比熱容為 KJ/KgK 的 NaOH溶液；從 290K加熱到 363K，求此時(shí) NaOH溶液所吸收的熱量。 解：已知 =1000 Kg/h= Kg/s =k= J/Kgk 代入公式： = （ 363290） = KJ/S 答： NaOH溶液所吸收的熱量是 KJ/s。 冷mq ?冷c ）（冷冷冷 39。139。2m cq TTQ ?? ?3/5/2023 127 假如流體在換熱過(guò)程中僅有相變而沒(méi)有溫度變化時(shí)，則冷、熱流體在單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的熱量可用下式計(jì)算： 式中 、 ──熱、冷流體的氣化潛熱（ J/Kg） 熱熱熱 ?mq?Q 冷冷冷 ?mq?熱? 冷?3/5/2023 128 例 2： 在列管換熱器中，用 373K飽和水蒸氣來(lái)加熱某種冷流體，已知蒸汽用量為 400Kg/h時(shí)，373K飽和水蒸氣的氣化潛熱為 2257J/g，求熱流體所放出的熱量。 解： 由題意得 =2257J/g=2257103 J/Kg =400 Kg/h = Kg/s 代入公式： = 2257 103 = 105 J/s 答：熱流體所放出的熱量是 105 J/s 熱? 熱mq 熱熱熱 ?mq?Q3/5/2023 129 通過(guò)上述兩道例題的解題，我們懂得了假如流體既有溫度變化，又有相態(tài)變化，則可按上述兩道題介紹的兩種方法分段計(jì)算熱量，然后再相加。 3/5/2023 130 例 3： 在列管換熱器中，用 373K飽和蒸汽加熱某種冷流體。已知蒸汽流量每秒為 ，冷凝后出口溫度為 353K，試求換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量。（已知 373K飽和蒸汽的氣化潛熱為 2257 J/g，水的比熱為 J/KgK） 解： + = （ 373353） + 2257 103 =618 103 J/s 答：換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量是 618 103 J/s ）（熱熱 21m cq TTQ ??熱熱 ?mq3/5/2023 131 三、傳熱基本方程式 冷熱流體在列管換熱器內(nèi)通過(guò)間壁的傳熱過(guò)程分三步進(jìn)行： 第一步是熱流體通過(guò)對(duì)流傳熱將熱量傳給固體壁面 第二步是固體壁內(nèi)以傳導(dǎo)方式的熱量從高溫側(cè)傳向低溫側(cè) 第三步是熱量通過(guò)對(duì)流傳熱從固體壁面?zhèn)鹘o冷流體 傳熱基本方程 Q= 式中： Q──傳熱速率，冷熱流體在單位時(shí)間內(nèi)所交換 的熱量， W（瓦特） A──列管金屬壁面的傳熱面積， m2（平方米） K──傳熱系數(shù)， W/(m2K) [瓦（特）每平方米開(kāi)（爾文） ] ──冷熱流體傳熱的平均溫度差， K （開(kāi)爾文） mt?KAmt?3/5/2023 132 由傳熱基本方程式可知，對(duì)于工藝上已確定的 Q及 來(lái)講，如果傳熱系數(shù) K越大，則所需換熱器的傳熱面積 A越小；反之，如果 K值越小，在同樣的傳熱速率和推動(dòng)力下所需的傳熱面積越大。 冷、熱流體的平均傳熱溫差 是指換熱器各個(gè)截面上冷、熱流體間的溫度平均值。冷、熱流體流向不同時(shí)（并流、逆流、錯(cuò)流、折流），它的平均傳熱溫度不同。（ 計(jì)算較為復(fù)雜，略）。 傳熱系數(shù) K值有三個(gè)來(lái)源：一是選取經(jīng)驗(yàn)值；二是實(shí)驗(yàn)測(cè)定 K值；三是計(jì)算。 mt?t?mt?3/5/2023 133 四．強(qiáng)化傳熱的途徑 增加單位體積的傳熱面積（ A）。例如，在列管上加翅片。 提高冷、熱流體內(nèi)德平均溫差（ ） 最簡(jiǎn)單的方法是提高熱流體的溫度或降低冷流體的溫度，但在實(shí)際生產(chǎn)中，這二種方法有一定的局限性。在生產(chǎn)中，當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度都固定時(shí)，宜采用逆流操作，用以提高冷、熱流體間的平均溫差。 mt?3/5/2023 134 提高傳熱系數(shù)（ K） （ 1）防止垢層形成，并及時(shí)清除。 （ 2）提高流體給熱系數(shù)，降低傳熱阻力。 ①增加流體流速 ②改變流動(dòng)條件（如改變流動(dòng)方向，增加流體湍動(dòng)程度） ③利用導(dǎo)熱系數(shù)較大的流體作加熱劑（如原子能工業(yè)，用液態(tài)金屬作加熱劑，從而加快傳熱速度） 3/5/2023 135 第四節(jié) 蒸 發(fā) 溶液是由溶質(zhì)和溶劑組成。溶于溶液的某種固體稱(chēng)為溶質(zhì)，溶解溶質(zhì)的物質(zhì)（如水）稱(chēng)為溶劑。 蒸發(fā)操作就是用加熱的方法，使溶液中的一部分溶劑氣化，從而提高溶液中溶質(zhì)的濃度（即將稀溶液變成濃溶液） 蒸發(fā)操作分為兩種： ①在沸點(diǎn)溫度下的沸騰蒸發(fā)；②低于沸點(diǎn)溫度下的自然蒸發(fā)。（如海水用太陽(yáng)曬制鹽） 3/5/2023 136 蒸發(fā)操作的特點(diǎn)是：溶液中只有溶劑是揮發(fā)性物質(zhì)，而溶質(zhì)是不會(huì)揮發(fā)的。也就是說(shuō)在蒸發(fā)的整個(gè)過(guò)程中，溶液被加熱沸騰后，只有溶劑氣化，而溶質(zhì)的重量不變。 進(jìn)行蒸發(fā)操作的設(shè)備稱(chēng)為蒸發(fā)器 一、蒸發(fā)操作流程簡(jiǎn)介 在蒸發(fā)操作中，工廠一般利用飽和水蒸氣通過(guò)間壁傳熱來(lái)加熱物料。通常將飽和水蒸汽做熱源稱(chēng)為加熱蒸汽，從溶液中氣化出來(lái)的蒸汽稱(chēng)為二次蒸汽，如果將蒸發(fā)出來(lái)的二次蒸汽直接排走，稱(chēng)為單效蒸發(fā)。如果把二次蒸汽引入第二個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)作加熱蒸汽，并將這樣的多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，就稱(chēng)為多效蒸發(fā)。現(xiàn)分別加以說(shuō)明。 3/5/2023 137 單效真空蒸發(fā)流程 下圖為單效真空蒸發(fā)流程圖，加熱蒸汽在蒸發(fā)器的加熱室 1的管間冷凝，從冷凝水排除器 8排除，它在冷凝中釋放出來(lái)的熱量通過(guò)管壁傳給沸騰的溶液。料液從蒸發(fā)器的蒸發(fā)室 2上方進(jìn)入，其中溶劑被加熱而氣化，經(jīng)濃縮后的溶液從底部排出，二次蒸汽則從頂部逸出，經(jīng)氣液分離器 3分離，液滴回到蒸發(fā)室內(nèi)，蒸汽在冷凝器 4中與冷卻水混合而冷凝，并從器底排掉?？諝庖约捌渌幢焕淠臍怏w則經(jīng)分離器 5和緩沖罐 6，由真空泵抽出排入大氣中。 3/5/2023 138 3/5/2023 139 多效蒸發(fā)器的流程 根據(jù)原料液加入方法的不同，多效蒸發(fā)流程可分為并流加料、順流加料和逆流加料三種，現(xiàn)介紹工業(yè)中常用的并流加料方法。 如圖所示，料液和加熱蒸汽都是從第一效蒸發(fā)器順序流至末效蒸發(fā)器，這樣的加料優(yōu)點(diǎn)是后效蒸發(fā)室壓強(qiáng)較前一效的低，料液可以自動(dòng)地由前一效流入后一效，無(wú)需用泵輸送，可以節(jié)約大量的能源；另外，由于前一效的料液沸點(diǎn)比后一效高，前一效的溶液進(jìn)入后一效時(shí)，將放出熱量，可以多蒸發(fā)一部分水分。 并流加料的缺點(diǎn)是：隨著料液的濃度逐漸增濃，溫度漸漸降低，料液的粘度增大，致使傳熱系數(shù)減小，使整個(gè)生產(chǎn)能力減少，因此，對(duì)于粘度隨濃度增加而迅速增大的溶液不宜采用并流加料。 3/5/2023 140 3/5/2023 141 二．蒸發(fā)操作的要點(diǎn) 要提高蒸發(fā)器在單位時(shí)間內(nèi)蒸出的水分，必須做到： 合理選擇蒸發(fā)器 蒸發(fā)器的選擇應(yīng)考慮蒸發(fā)溶液的性質(zhì)，如溶液的粘度、發(fā)泡性、腐蝕性、熱敏性、以及是否容易結(jié)垢、結(jié)晶等情況，從而合理選擇蒸發(fā)器的類(lèi)型： 1中央循環(huán)管式蒸發(fā)器 2液磨蝕蒸發(fā)器。 3/5/2023 142 提高蒸汽壓力 為了提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力，提高加熱蒸汽的壓力和降低冷凝器中二次蒸汽壓力，有助于提高傳熱溫差（蒸發(fā)器的傳熱溫差是加熱蒸汽的飽和溫度與溶液沸點(diǎn)溫度之差）。因?yàn)榧訜嵴羝膲毫μ岣?，飽和蒸汽溫度也相?yīng)提高、冷凝器中的二次蒸汽壓力降低。蒸發(fā)室的壓力變低，溶液沸點(diǎn)溫度也就降低。 3/5/2023 143 提高傳熱系數(shù) K （ 1）在蒸發(fā)操作中，密切注意和及時(shí)排除不凝性氣體。據(jù)測(cè)試，蒸汽中含 1%不凝性氣體，傳熱系數(shù)將會(huì)下降 50~60% （ 2）在蒸發(fā)操作中，管內(nèi)壁出現(xiàn)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象是不可避免的，尤其是當(dāng)處理易結(jié)晶和腐蝕性物料時(shí)，此時(shí)傳熱系數(shù) K變小，使傳熱量下降。為此，一方面應(yīng)定期停車(chē)清洗、除垢；另一方面改進(jìn)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，如把蒸發(fā)器的加熱管加工的光滑些，使污垢不易生成，及時(shí)生成也易清洗。 （ 3）對(duì)于不宜結(jié)晶、不宜結(jié)垢的物料蒸發(fā)，影響傳熱系數(shù) K的主要因素是管內(nèi)溶液沸騰的傳熱膜系數(shù)。在此類(lèi)蒸發(fā)操作中，應(yīng)提高溶液的循環(huán)速度和湍動(dòng)程度，從而提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)能力。 3/5/2023 144 第五節(jié) 液體的精餾 一、蒸餾的基本概念與分類(lèi) ⑴蒸餾是利用液體混合物中各組分的揮發(fā)性（沸點(diǎn)）的差別，將互溶的液體混合物分離提純的單元操作。