化学工艺过程中强化传热过程的途径分析

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摘要：随着我国社会的不断发展，如何对能源进行持续、高效的利用成为了国家与社会不得不面临的课题。本文就对化学工艺过程中强化传热过程的途径进行了简要的分析，希望通过这篇文章能让大家了解如何通过对传热过程的强化来提高能源的利用率。

关键词：化学工艺 强化传热 途径 分析

中图分类号： F407.7 文献标识码： A 文章编号：

传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的存在就有热的传递，也是说温差的存在是实现传热的前提条件或者说是推动力，在化工中有很多过程都直接或间接与传热有关。自从发生世界性的能源危机以后，能源费用在制造成本中所占的比率越来越大，随着现代工业的快速发展，一方面能源紧张的情况愈来愈凸显，另一方面在各工业生产过程中还存在着相当大的节能潜力。要想高效的回收化工、石油等工业生产过程过存在的大量余热并加以充分利用，就必须十分重视对强化传热过程途径的研究。

1 传热的基本形式

一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的机理不同，热传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本形式。

1.1 热传导

一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，真到各部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。物质的三种形态均可以充分热传导介质，其中固体金属主要是通过晶格之间自由电子的运动来进行导热；液体和非金属固体通过个别分子的动量传递来导热；气体的导热方式主要是通过分子的不规则运动来实现的。

1.2 对流传热

热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这种传热方式。其中只有流体的质点能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。

1.3 热辐射

热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。

2 传热过程在化工中的应用

传热过程就是对某一物体供给热量，或者从其中移走热量的过程，也就是热量的传播过程。在日常生活中的传热现象是极其普遍的。在很多工业中，特别是化学工业生产中，传热过程占有很重要的地位。首先是因为所有的化学反应都要求在一定的温度条件下下进行，而反应过程中不是放出热量，就是吸收热量。为了使化学反应过程能维持一定的温度，就必须及时地供给所需要的热量并及时的移走放出的热量。因此在化工厂中反应器的外部或内部常装有换热设备，而反应器本身也常常需要热量。例如，氮肥生产中，氮气与氢气的混合气体要在500℃左右的高温（并且要加上一定的压力）下才能在催化剂的作用下合成氨，而氨与未反应的氮、氛气体的分离，则需要通过冷却与冷凝的办法把混合气体中的氨以液体的形式分离出来。可见，这一生产过程中就有原料气体的被加热和反应气体的被冷却、冷凝等传热过程。其次，因为化学工业是耗能较大的工业之一，注意节省能源会使生产成本下降，为此，常常将排出的高温气体或液体中的热加以回收，这均需要用换热设备来完成。因此对化学工艺中传热过程的研究就成为了一项不可缺少的重要工作。

3 强化传热的途径

传热过程的强化占有十分重要的地位，设计和开发高效换热设备，可以达到节能降耗的经济目的。相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。根据公式（其中K为传热系数；A为传热面积；tm为平均温差），只要提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。

3.1 增加传热温差

在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热，主要的方法有：用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度；在水冷器中降低水温以增大温差；冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差。但是大大多数的情况下还存在着以下产问题；物料的温度是由工艺条件给定的，不能任意变动；加热剂（或冷却剂）的进口温度往往也是不能改动的；冷却水的初温决定于环境气候，出口温度虽可通过增大水流量而降低，但流动阻力迅速增加，操作费用升高。由热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越大，于是，非但不能增大温差，有时还要减小温差，以降低有效能损失。

3.2 提高传热系数

提高传热系数，必须设法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。

3.3 改变流动状态

对流传热时，热量以导热方式通过滞流底层，对流热阻主要集中在这是，因此，强化传热的方法是减薄滞流底层的厚度和增强边界层的湍动程度，可能过改变流动状态来达到这一目的，通过特殊设计的传热壁面不断改变流体的流动速度和方向，增强边界层的扰动，如：将换热面加工成粗糙表面；在管内表面上加工螺纹槽，制成螺纹管或螺旋槽管，在管内安装插入物强化管内的传热，常用插入物是麻花纽带，制作和装卸都方便。

3.4 引入机械振动

使传热表面振动或流体振动，目的是加强滞流底层的湍动。关于有相变的沸腾和冷凝传热，也发展了一些强化传热的理论和技术，不过，这两种传热过程的给热系数已经相当高，强化传热的要求并不十分迫切。

3.5 增大传热面积

用螺纹管或螺旋槽管代替光管，在光管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工轴向肋片，称之为扩展表面，都能有效提高传热速率。但是，扩展表面的温度低于基管的温度，传热量的增加率低于传热面积的增加率。加肋还可提高传热系数，凡能导致千安培增加的换热表面称为“强化传热面”。

3.6 减小接触热阻

两个固体之间发生导热时，由于两固体表面实际接触面积不大以及两者之间气体层的导热系数很低，因此在两固体表面之间将产生接触热阻。当热流密度不高时，可以略去接触热阻，但当热流密度很高时，则接触热阻必须考虑。降低接触热阻的方法主要有提高接触表面光洁度或增加物体间的接触压力，以增加接触面积；在接触面之间充填导热系数较高的气体（如氦气）；在接触表面上用电化学方法添加软金属涂层或加软金属垫片。

3.7 辐射换热的强化

在高温设备中，辐射换热是换热的主要形式。比如在锅炉炉膛、工业窑 、燃烧室和发动机等高温能源转换系统中，辐射换热占有主导地位。影响辐射换热的方面主要有以下几点：

增加固体表面辐射率能够有效地提高物体表面的散热或吸热能力。

物体表面粗糙化可以引起物体辐射率的增大。

真正由于物体表面上的沟槽而引起的辐射率的增加是很有限的，导致其值增大的主要原因是表面粗糙化后随之而发生的表面氧化。

表面氧化膜的厚度决定了辐射率的大小，随着氧化膜厚度的增加，它对物体表面辐射率的影响也逐渐增大。

结束语：通过以上对化学工艺过程中强化传热过程的途径的分析，我们可以知道传热的基本形式主要有热传导、热对流和热辐射，只有将这三种形式的传热途径采取合理的方式进行强化，就能有效的提高能源的利用率并相应的推动工业节能工程的发展。

参考文献：

[1] 郭金芳 谈化学工艺过程中强化传热过程的途径 民营科技 2012（04）

[2] 方书起 祝春进 吴勇 牛青川 赵银锋 强化传热技术与新型高效换热器研究进展 化工机械 2004（04）