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1、傳輸原理在冶金工業(yè)中的應(yīng)用 在冶金工業(yè)中，大多數(shù)冶金過程都是在高溫、多相條件下進(jìn) 行的復(fù)雜物理化學(xué)過程，同時伴有動量、熱量和質(zhì)量的傳輸現(xiàn)象。 在實際的冶金生產(chǎn)中，為使某一冶金反應(yīng)進(jìn)行，必須將參與反應(yīng) 的物質(zhì)盡快地傳輸?shù)椒磻?yīng)進(jìn)行的區(qū)域（或界面）去，并使反應(yīng)產(chǎn) 物盡快地排除。其中最慢的步驟稱為過程控制步驟或限制性環(huán)節(jié)。 高溫、多相條件下的冶金反應(yīng)大多受傳質(zhì)環(huán)節(jié)控制，即傳質(zhì)速率 往往決定了反應(yīng)速度，而傳質(zhì)速率往往又與動量和熱量傳輸有密 切關(guān)系。 傳輸原理是以物理學(xué)的三個基本定律（質(zhì)量守恒定律、牛頓第 二定律和熱力學(xué)第一定律）為依據(jù)的 【1】。是動量傳輸、熱量傳輸 與質(zhì)量傳輸?shù)目偡Q，簡稱“三傳”或

2、傳遞現(xiàn)象。它可以看成是某 物質(zhì)體系內(nèi)描述其物理量（如速度、溫度、組分濃度等）從不平 衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程。所謂平衡狀態(tài)是指在體系內(nèi)物理 量不存在梯度如熱平衡是指物系內(nèi)的溫度各處均勻一致，反之則 成為不平衡狀態(tài)。在不平衡狀態(tài)，由于物系內(nèi)物理量不均勻?qū)l(fā) 生物理量的傳輸，如冷、熱兩物體接觸，熱量將從高溫物體轉(zhuǎn)移 到低溫物體，直到兩物體的溫度趨于均勻，此時冷、熱兩物體即 可達(dá)到平衡狀態(tài)，其溫度差就是熱量傳輸?shù)膭恿Α? 傳輸原理主要是研究傳輸過程的傳遞速率大小與推動力及阻 力之間的關(guān)系。其傳輸?shù)奈锢砹繛閯恿?、熱量和質(zhì)量。動量傳輸 是指在流體流動中垂直于流體流動方向，動量由高速度區(qū)向低速 度區(qū)的轉(zhuǎn)

3、移；熱量傳輸是指熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)的轉(zhuǎn)移；質(zhì)量 傳輸則是指物系中一個或幾個組分由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn) 移。當(dāng)物系中存在著速度、溫度與濃度梯度時，則分別發(fā)生動量、 熱量和質(zhì)量的傳輸過程。 傳熱即熱量的傳遞，是自然界及許多生產(chǎn)過程中普遍存在的 一種極其重要的物理現(xiàn)象【3】。冶金過程離不開化學(xué)反應(yīng)，而幾乎 所有的化學(xué)反應(yīng)都需要控制在一定的溫度下進(jìn)行，為了維持所要 求的溫度，物料在進(jìn)入反應(yīng)器之前往往需要預(yù)熱或冷卻到一定程 度，在過程的進(jìn)行中，由于反應(yīng)本身需要吸收或放出熱量，又要 及時補充或移走熱量。如閃速煉銅過程，為了強化熔煉反應(yīng)，需 將富氧空氣預(yù)熱至500°C以上；又如硫化鋅精礦的流態(tài)化焙燒過

4、 程，由于反應(yīng)發(fā)出大量的熱，爐子外面需設(shè)置冷卻水套及時移走 多余的熱量。此外還有一些過程雖然沒有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，但需維 持在一定溫度下進(jìn)行，如干燥與結(jié)晶、蒸發(fā)與熱流體的輸送等。 總之，熱量的傳遞與冶金過程有著密切的聯(lián)系，可以說，在許多 場合，熱量的傳遞對冶金過程起著控制作用。 熱的傳遞是系統(tǒng)或物體內(nèi)部的溫度差而引起的。根據(jù)傳熱機理 的不同，傳熱的基本方式可分為三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。 熱傳導(dǎo) 當(dāng)物體內(nèi)部或兩個直接接觸的物體之間存在著溫度 差時，物體中溫度較高的部分因分子的振動將熱量傳遞給臨濟(jì)的 溫度較低的部分，而同時并沒有宏觀的物質(zhì)遷移的過程稱為熱傳 導(dǎo)。 固體內(nèi)部的熱量傳遞過程是熱傳導(dǎo)

5、，靜止的液體或氣體的傳熱 也屬于熱傳導(dǎo)。還應(yīng)該指出，在層流流體中，在垂直于流動方向 上的傳遞亦屬此類。 熱對流 由于流體（液體或氣體）本身的流動而將熱能從空間 的一處傳至另一處的傳熱現(xiàn)象稱為熱對流。 對流傳熱又因使流體產(chǎn)生運動的原因不同而分為自然對流和 強制對流兩種。自然對流是由于流體內(nèi)部各處的溫度不同而引起 流體內(nèi)部密度的差異所形成的流體流動。強制對流是流體因受外 力的作用（如泵。風(fēng)機、攪拌等）而引起的流動。對流傳熱過程 往往伴有熱傳導(dǎo)。如換熱器中冷、熱兩種流體經(jīng)過固體壁面得傳 熱過程中，熱流體在流動過程中將熱量傳遞給壁面的一側(cè)，而壁 面的另一側(cè)將熱量傳遞給流動中的冷流體。這種流動流體與

6、固體 壁面之間的傳熱，工程上稱之為對流傳熱；二固體壁面內(nèi)部的傳 熱稱為熱傳導(dǎo)。 熱輻射 以電磁波的形式發(fā)射或傳遞熱能的過程叫做熱輻射， 或稱為輻射傳熱。 任何物體，只要其絕對溫度不為零度，都會以電磁波的形式向 外輻射能量，當(dāng)物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收又重新轉(zhuǎn)變?yōu)?熱能時，即為熱輻射。物體發(fā)射輻射能的多少與物體的溫度有關(guān)， 溫度越高，所發(fā)射的輻射能越多。輻射能不僅能從溫度高的物體 轉(zhuǎn)移到溫度低的物體，而且也能從溫度低的物體轉(zhuǎn)移到溫度高的 物體。但因溫度高的物體發(fā)射的輻射能較多，總的結(jié)果還是溫度 高的物體失去能量，而溫度低的物體得到能量。 熱輻射與熱傳導(dǎo)及熱對流不同，其主要區(qū)別在于熱傳導(dǎo)

7、是在固 體或?qū)恿髁黧w中進(jìn)行的，而熱對流則是產(chǎn)生在流動的流體中。熱 傳導(dǎo)與熱對流必須通過中間的介質(zhì)（固體或液體）才能進(jìn)行。而 熱輻射則不需要通過任何介質(zhì)，即便在真空中也能進(jìn)行。 實際生產(chǎn)過程中，各種傳熱方式往往不是單獨出現(xiàn)的，而是伴 隨著其他傳熱方式同時出現(xiàn)。如高溫爐壁在空氣中的散熱以及火 焰爐內(nèi)火焰雨物料表面間的傳熱通常是對流與輻射的聯(lián)合傳熱過程；而間壁式換熱器的傳熱過程則是輻射、對流及傳導(dǎo)三種傳熱 方式同時進(jìn)行。 對上面介紹的傳導(dǎo)、對流及輻射三種傳熱方式，我們均可用 下述方程來描述其傳熱過程，即 Q=KA^t=KA （t 廠 t2） 1 式中Q 單位時間內(nèi)通過傳熱面?zhèn)鬟f的熱量’W；

8、 A 傳熱面積，m2； At——兩傳熱體的溫差，。C K——傳熱系數(shù)，W?m-2?C-i。 顯然，熱傳導(dǎo)過程： K= \ 0 對流傳熱過程：K= a —1— 4 輻射傳熱過程：K = C申 12 12 式一稱為傳熱基本方程式。 1100 丿 t — t 12 換熱器是冶金及化工生產(chǎn)中用以進(jìn)行熱交換操作的常用設(shè) 備。根據(jù)傳熱的原理和實現(xiàn)熱交換的方法，換熱器可分為間壁式、 混合式和蓄熱式三大類 1. 間壁式換熱器 間壁式換熱器是在冷、熱兩流體間用以固體壁面隔開，兩種 流體不相混合，通過間壁進(jìn)行熱量的傳遞。 2. 混合式換熱器 混合式換熱器又稱直接接觸式換熱

9、器。此類換熱器中，冷、 熱流體以直接混合的方式進(jìn)行熱量傳遞，故其傳熱效果好。 3. 蓄熱式換熱器 蓄熱式換熱器又稱蓄熱器，其器內(nèi)充填耐火磚等熱容量較大 的固體填料。冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填料來積 蓄和釋放熱量以達(dá)到熱交換的目的。 實際工業(yè)生產(chǎn)中所應(yīng)用的換熱器種類繁多，我們作為冶金工 業(yè)者需要了解各種換熱器的特點，并能根據(jù)工藝要求選用適當(dāng)?shù)?類型。 列管式換熱器又稱管殼式換熱器，是目前應(yīng)用最廣的一種間 壁式換熱器。其結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，處理能力大，適應(yīng)性強， 操作彈性大，尤其在高溫、高壓和大型裝置中使用更為普遍。 列管式換熱器由殼體、管束、管板（又稱花板）和封頭（又

10、稱端蓋）等部件組成。 在圓筒形殼體中裝有由多根平行管組成的管束，管束兩端脹 接或焊接在管板上。管子在管板上的排列方式可以是三角形、六 角形或正方形。為了增加管系間流體的流速，可在殼體內(nèi)安裝橫 向或縱向折流擋板，擋板可以是半圓形或圓形。 當(dāng)冷、熱兩種流體在列管式換熱器中進(jìn)行交換時，一種流體 在管內(nèi)流過，其行程稱管程；另一種流體從管外流過，其行程稱 殼程。管束的表面積即為傳熱面積。管內(nèi)流體每通過一次管束稱 為一個管程，當(dāng)所需傳熱面積較大時，為提高流體流速以增大傳 熱系數(shù)a ,在換熱器的頂蓋上可加擋板，使之變?yōu)殡p管程或多管 程。 列管式換熱器操作時，由于兩種流體溫度不同，其殼體與管 束的膨脹程

11、度也不相同。情況嚴(yán)重時課導(dǎo)致設(shè)備變形，或是管子 彎曲，或是管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。因此，當(dāng)溫差 較大時，必須從結(jié)構(gòu)上采取措施以減少甚至消除這種膨脹的影響。 目前常用的方法是補償法，補償法又分為：①浮頭補償②補償圈 補償③U形管補償?shù)取? 目前國內(nèi)使用的浮頭式和U形管式等列管換熱器均有定型產(chǎn) 品，所以我們可從生產(chǎn)實際出發(fā)，根據(jù)傳熱基本方程及其后期推 導(dǎo)公式進(jìn)行設(shè)計計算，以確定換熱器的主要參數(shù)，然后參考標(biāo)準(zhǔn) 系列的規(guī)格型號進(jìn)行選擇即可。其選用的主要內(nèi)容和步驟如下： 掌握基本數(shù)據(jù)，明確工藝要求； ① 冷熱流體的物性參數(shù)； ② 冷熱流體的特性（如腐蝕性、懸浮物含量等）； ③ 兩種流體

12、的流量，進(jìn)、出口溫度，操作壓力等。 確定換熱器的型號和流體的流動空間 選型計算 選型計算的主要內(nèi)容包括： ① 根據(jù)工藝要求確定兩種流體的定性溫度，并進(jìn)行計算熱負(fù) 荷； ② 計算對數(shù)平均溫差； ③ 根據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗值范圍或按生產(chǎn)實際情況選取總傳 熱系數(shù) K 值； ④ 由傳熱方程估算傳熱面積，按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇換熱器規(guī)格； ⑤ 核算總傳熱系數(shù)； ⑥ 修正溫差并進(jìn)行計算傳熱面積。 流體流動空間的選擇，可考慮一下原則：不清潔或易垢的流 體、腐蝕性流體、壓力高的流體、溫度高的流體宜走管程；而飽 和蒸汽、粘度大或流量小的流體以及需冷卻的流體宜走殼程。 流體流速一般可根據(jù)經(jīng)驗選取，列管式

13、換熱器常用的流速范 圍見下表 列管式換熱器常用的流速范圍 流體種類 流速/m ? s-1 管程 殼程 一般液體 0.5?3 0.2?1.5 易結(jié)垢液體 >1 >0.5 氣體 5~30 3~15 通過以上的選擇原則即可對列管式換熱器進(jìn)行選取。 近年來，化工、石油、輕工、冶金等過程工業(yè)得到了迅速發(fā) 展，隨之而來的能源緊缺成為世界性的重大課題之一，各工業(yè)部 門都在努力發(fā)展大容量，高性能設(shè)備，以減少投資費用。這樣， 尺寸小、質(zhì)量輕、換熱效率高的換熱設(shè)備受到眾多研究者的青睞。 目前對列管式換熱器的研究主要有：傳熱強化，能量回收利用， 以及為高效化，大型化的進(jìn)展所作的研究。 傳熱強化是一種改善傳熱性能的技術(shù)，它通過改善和提高熱 傳遞的速率來達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳遞一定熱量的目的，簡單 而言，強化傳熱就是提高流體和傳熱面之間的傳熱系數(shù)。 學(xué)習(xí)“冶金傳輸原理”有兩個最基本的目的，第一，深入地 了解各類傳輸現(xiàn)象的機理，這對于改進(jìn)各種冶金過程和設(shè)備的設(shè) 計、操作及控制提供理論依據(jù)。第二，為將來所研究的冶金過程 提供基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，有了這些數(shù)學(xué)模型，借助計算機的幫助，就 可以對冶金過程進(jìn)行模擬研究，從而使過程從開始到使用的周期 大大縮短。