化工知识培训教案.docx
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1、有机化工学问培训教案水汽车间有机化工学问培训教案第一节 热量传递的根本方式 人们从长期的理论中,总结出热量由高温物体向低温物体的传热过程,其传递的根本方式有三种:热传导、对流传热和辐射传热。一 热传导导热导热是物体中温度较高部分的分子振动较猛烈,当及相邻的分子碰撞时,将能量传给相邻的分子。反映在相邻部分温度上升,这样按依次地将热量从高温向低温传递的方式称为热传导,简称导热。由此可见,导热可以发生在固体、静止流体及没有传热方向上流淌的流体内部。导热的明显特点是:质点分子或原子团没有传热方向上的位移。例如:把铁棒的一端放进火炉中烧,过一会儿,另一端便会烫手。这说明热量已由一端传递到另一端,在此过程
2、中并没有发觉受热的质点发生位移。这是一个典型的导热过程。二 对流传热对流传热是由于受热的质点位移,使热量发生空间位置的转移而进展传递。这种传热方式称为对流传热。可见对流传热只能发生在流体内部。特点是质点有传热方向上的位移。对流传热又分为自然对流和强迫对流。假如流体的质点位移没有外力作用,完全是由于流体各部分不同而造成的密度差异所引起的,那么称为自然对流。假如流体的运动是由于泵或搅拌机械的作用而产生的,那么称为强迫对流。例如,在用水壶烧开水时,受热的部位仅仅是 壶的底部,但过一段时间全壶都会沸腾。这是因为,靠近壶底的水先受热,温度上升,密度变小,所以上升。而壶上部的水温度低、密度大,故而下降,这
3、样壶中的水因各部密度不同而形成循环流淌,便是一个自然对流传热过程。假如在上述过程中,边加热边用器械搅动,便形成一个强迫对流传热过程。三 辐射传热辐射传热过程是物体以电磁波的形式向四周散发辐射能。辐射能遇到另一个物体时,被全部或部分汲取,被汲取的辐射能重新变成热量,这一过程称为辐射传热,简称热辐射。任何物体只要在0 K以上都能放射辐射能,温度越高,辐射实力越强。辐射传热的特点是不须要任何物质为媒介,并伴随着能量形式的转换。例如:太阳对大地的传热,在大气层外这一段不经任何介质,是太阳的热能先以电磁波形式辐射出来,被地球上的物体汲取后又转化成热能,实现热量传递。事实上,以上三种传热方式很少单独存在,
4、一般是二种或三种方式同时出现。例如:在锅炉中,高温的烟道气将热量传给水的过程,就包括有气体的辐射及对流、锅炉壁的热传导及水的对流传热。化工消费的传热过程中,涉及的温度不太高时,辐射影响一般较小,所以,对传热的探讨或计算,通常不考虑辐射的影响。第二节 工业上的换热方式冷热两流体间的传热统称为换热。换热中所用的设备称为热交换器或换热器。工业上的换热方式有以下几种:一 混合式冷、热两股流体干脆接触,在混合过程中进展传热。此种换热方式只适用于两股流体可以干脆接触的场合。二 蓄热式冷、热两股流体交替着通过装有固体填充物的蓄热器。热流体通过时将蓄热器内的填充物加热,将其贮存热量;当冷流体通过时,填充物又把
5、贮存的热量传给冷流体,从而实现热、冷两股流体的热量传递。由于此类换热操作是两股流体交替进展,所以,难免在交替时发生两股流体的少量混合,故在化工消费中运用不多,而多用于石油裂解和冶金工业中。三 间壁式冷、热两股流体被固体壁面隔开,互不混合。传热时,热流体将热量传给壁面,而后再由壁面传给流体。在化工消费中,冷、热两股流体大多数是只需热量交换,因此,间壁式换热是消费中应用最广泛的一种形式。完成间壁换热的设备称为间壁式换热器。在各种间壁式换热器中,运用最多的是列管式,简称管壳式。构造比较简洁的为套管式换热器。换热器的主要性能为传热面积,它说明设备传热实力的大小。所谓传热面积就是隔开冷、热流体的间壁面积
6、。对套管式换热器,传热面积为内管的外表积;对列管式换热器那么为全部内管外表积之和。第三节 间壁式换热器的传热一 传热过程分析对流-导热-对流图2-1-1 间壁两侧流体的传热过程间壁式换热器是化工消费常用的一种换热设备。在间壁式换热器中,冷、热两股流体被固体壁面分开。依据前面讲解并描述的传热方式,热量从热流体通过间壁传给冷流体的传热过程,如图2-1-1所示。热流体首先以对流传热方式将热量传给管壁一侧,再以导热方式将热量传给管壁另一侧,最终又将热量以导热方式传给冷流体。即热流体管壁一侧管壁另一侧冷流体二 传热速率方程式冷、热两股流体进展热量传递。用T表示热流体的温度,t表示冷流体的温度,那么冷、热
7、两股流体温度差t =T-t。理论证明,间壁两侧流体在单位时间内所传递的热量,即传热速率及冷、热两流体的温度差t成正比,且及传热面积成正比。引入比例常数K,得q = K A t 式中 q间壁式换热器的传热速率,J/s;K总传热系数,J/sK;A间壁的传热面积,;t冷、热流体的温度差,K;上式是传热过程的一个根本方程式,称为传热速率方程式。从式中可以看出传热系数K的物理意义是当冷、热两股流体的温度差是1K,传热面积为1时,在单位时间内所传递的热量。可见,K值越大,所传递的热量越多,传热状况越好,因此K值的大小是衡量换热器性能的一个重要标记。K的数值确定于两流体的流淌状况,流体性质、设备的形态尺寸等
8、很多因素。三 间壁式换热器冷、热流体的流向在间壁式换热器中,冷、热流体的流向可分如下四种根本类型。如图2-1-2所示:1 并流:冷、热流体在传热壁两侧按同一个方向流淌;图中a所示。图2-1-2 换热器中流体流向示意图2 逆流:冷、热流体在传热壁两侧按相反的方向流淌;图中b所示。3 错流:冷、热流体在传热壁两侧彼此呈垂直方向流淌;图中c所示。4 折流:冷、热流体在传热壁两侧并流及逆流交替进展。图中d所示。第四节 进步传热速率的途径从传热方程式q=KAt均可以看出,进步传热速率的途径有三个:增大传热面积A;进步冷、热流体的平均温度差t均和进步传热系数K均能使q增加,但终究应如何进步还要做进一步分析
9、。一 增大传热面积A增大传热面积可以进步传热速率,但还意味着金属材料用量增加。设备投资费用增加。因此应从设备构造改造上着手,设法增加单位体积的传热面积。例如用螺纹管代替光滑管,圆管上加翅片,可显著进步传热效果;又如当间壁两侧流体的对流传热系数相差较大时,那么增加系数小的一侧的传热面积,采纳翅片管可以明显地进步传热速率,尽可能的采纳一些传热效果较好的新型换热器。二 增大传热温度差冷、热两种流体的进、出口温度一般由消费工艺所规定,不能随意变动。当两种流体的进、出口温度肯定时,采纳逆流操作可以得到较大的平均温度差t均值。用水蒸气作加热剂时,增大蒸气压力可以进步热流体的温度。用水作冷却剂时,降低水温或
10、增加水的流量,也都可以增大传热温度差。三 进步传热系数K强化传热最有效的途径是进步传热系数K值。K值确定于两个流体的对流传热膜系数、管壁和污垢热阻,在进步K值时主要应削减热阻较大的一项。换热器的管壁一般都是金属壁,导热系数较大,再加上壁厚不大,故管壁热阻通常可能忽视不计。因此进步K值途径是设法进步对流传热膜系数a和削减垢层热阻。1 进步对流传热膜系数a 依据对流传热过程的分析,对流传热热阻主要集中在靠近管壁的层流内层中,在层流内层中的传热方式又是以导热方式进展,而流体的导热系数又很小,因此要进步对流传热系数的详细途径如下:1增加流体的流速或变更流淌方向,以增加流体的湍动程度,削减层流内层的厚度
11、。例如增加列管式换热器的程数、壳程加设档板均可以进步流体的流速和湍动程度,进步其a值。板式换热器中使流体在波形板间流淌,不断变更流向,致使Re=200时就呈湍流状态。2用导热系数较大的流体作加热剂或冷却剂。3尽量采纳有物态变更的流体,可得到很高的对流传热系数。应当指出:假设a内和a外在数值上相差较大时,因为K值总是接近小a值,所以应设法进步小的a值才会有效地进步K值。2 设法防止垢层的形成,削减垢层热阻R垢,刚好消退垢层和尽量运用不易成垢流体。第五节 热绝缘方法一 热绝缘目的对于不在常温下操作的管路及设备,都应实行妥当的绝热措施,其目的在于:1 削减热量损失,进步操作的经济效果。2 保持设备内
12、所须要的高温或低温操作条件。3 维护正常的车间温度,保证良好的劳动条件。二 热绝缘方法1 夹层、夹套绝热这种方法主要是利用气体或液体导热系数较小的特点,使其在夹层、夹套中起绝热作用。例如,锅炉的砖壁,在耐火砖及一般砖之间留有肯定间隙,所形成的夹层中为静止空气层,这样不但有较好的隔热效果,还节约了其它绝热材料。某些完成放热反响的反响器,在外壁装有水夹套,水从夹套中流过,可起到隔热爱护环境的作用,同时也回收了热能。2 包袱、涂抹保温这种方法是选用导热系数较小的保温材料,包袱或涂抹在设备或管路的外面,这样就增加了设备或管路的导热热阻,从而使热损失大大削减。从削减热损失角度看,增加保温层的厚度是有利的
13、,但增加保温层的厚度就会使保温工程的投资加大,而且热损失并不是随保温层厚度的增加而按比例削减。对于直径较小的管路,更应选用优质的保温材料,以削减保温层的厚度。第六节 化工消费的传热设备一 换热器的分类工业上用来实现冷、热流体间热量交换的设备称为换热器或热交换器。在换热器内可以使物料进展加热或冷却,也可以使物料沸腾或冷凝等相变更过程。换热器的种类很多,依据传热原理可分为三大类。1 混合式换热器混合式换热器,又称为干脆接触式换热器。它是将冷、热两流体干脆接触而进展热量交接的。如工业上的冷却塔或称凉水塔、洗涤塔等。2 蓄热式换热器它是将冷、热两股流体交替地通过装有固体填充物的蓄热器。蓄热式换热器是一
14、种间歇操作的换热设备,由于难免发生两股流体混合,化工消费中运用不多。3 间壁式换热器冷、热两流体被一固体壁隔开,流体通过固体壁进展传热,它是化工消费中应用最广的一种换热器。间壁式换热器的种类很多,可以按如下方法进展分类。1 按用处来分:1加热器:用于流体的加热;2冷却器:用于流体的冷却;3预热器:用于流体的预热;4冷凝器或称全凝器:用于蒸气的冷凝、蒸馏中馏分的回收和产生真空等;5分凝器或称部分冷凝器:使蒸气部分冷凝,广泛用于蒸馏操作过程;6再沸器汽化器:用于物料加热汽化,蒸馏操作中应用较广;7深冷热交换:用于深冷别离工程中。2 按换热器运用的材质分类:1金属材料制作的换热器,化工消费中运用最多
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