傳熱過程中基本問題與傳達(dá)室熱機(jī)理

admin 2011-08-27

三、傳熱過程中基本問題與傳熱機(jī)理
傳熱過程中的基本問題可以歸結(jié)為：
1、載熱體用量計(jì)算
2、傳熱面積計(jì)算
3、換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4、提高換熱器生產(chǎn)能力的途徑。

解決這些問題，主要依靠?jī)蓚€(gè)基本關(guān)系。
（1）熱量衡算式根據(jù)能量守恒的概念，若忽略操作過程中的熱量損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體取得的熱量。即Q熱=Q冷，稱為熱量衡算式。由這個(gè)關(guān)系式可以算得載熱體的用量。

（2）傳熱速率式換熱器在單位時(shí)間內(nèi)所能交換的熱量稱為傳熱速率，以Q表示，其單位［W］。實(shí)踐證明，傳熱速率的數(shù)值與熱流體和冷流體之間的溫度差△tm及傳熱面積S成正比，即： Q=KS△tm (3-1) S=nπd L (3-2) 式中：Q──傳熱速率，W； S──傳熱面積，m2； △tm──溫度差，0C； K── 傳熱系數(shù)，它表明了傳熱設(shè)備性能的好壞，受換熱器的結(jié)構(gòu)性能、流體流動(dòng)情況、流體的物牲等因素的影響，W/m2· ℃ ； n ──管數(shù)； d ──管徑，m； L ──管長(zhǎng)，m。若將式（3-1）變換成下列形式： Q/S=△tm/(1/K) (3-3) 式中：△tm──傳熱過程的推動(dòng)力， ℃ 1/K ──傳熱總阻力（熱阻），m2· ℃/W。則單位傳熱面積的傳熱速率正比于推動(dòng)力，反比于熱阻。因此，提高換熱器的傳熱速率的途徑是提高傳熱推動(dòng)力和降低熱阻。另一方面，從式（3-1）可知，如杲工藝上所要求的傳熱量Q己知，則可在確定K及△tm的基礎(chǔ)上算傳熱面積S，進(jìn)而確定換熱器的各部分尺寸，完成換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章主要介紹應(yīng)用這兩個(gè)基本關(guān)系解決上述四個(gè)問題。介紹的范圍以穩(wěn)定傳熱為限。所謂穩(wěn)定傳熱是指?jìng)鳠崃颗c時(shí)間無關(guān)，即每單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量為定值。反之，傳熱量隨著時(shí)間而變的則是不穩(wěn)定傳熱，一般在化工連續(xù)生產(chǎn)中都屬穩(wěn)定傳熱。就傳熱機(jī)理而言，任何熱量傳遞總是通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式進(jìn)行的。傳熱可依靠其中一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行，凈的熱流方向總是由高溫處向低溫處流動(dòng)

第三節(jié) 傳熱計(jì)算
間壁式傳熱是食品工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的傳熱方式。在絕大多數(shù)情況下，這種傳熱是大規(guī)模連續(xù)進(jìn)行的。在這過程中，不論是熱流體，還是冷流體或固體壁面，各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，故屬于
穩(wěn)定傳熱過程。我們主要討論穩(wěn)定過程。
傳熱計(jì)算主要有兩方面內(nèi)容：一類是設(shè)計(jì)計(jì)算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核計(jì)算，即計(jì)算給定換熱器的傳熱量，流體的流量或溫度等。二者均以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計(jì)算的基礎(chǔ)。
一、熱量衡算
對(duì)間壁式換熱器作能量衡算，因無外功加入，且位能和動(dòng)能項(xiàng)均可忽略，故實(shí)際上為焓衡算。
１．焓差法
Q=qm,h(Hh1-Hh2)= qm,c(Hc2-Hc1)
式中 qm----質(zhì)量流量，kg/s
H--單位質(zhì)量流體的焓，J/kg
２．顯熱法
３．潛熱法
二、總傳熱速率方程
（一）總傳熱速率方程
如前所述，兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程：
１．熱流體在流動(dòng)過程中把熱量傳給管壁；
２．通過管壁的熱傳導(dǎo)；
３．熱量由管壁另一側(cè)傳給冷流體。
（二）總傳熱系數(shù)
（三）污垢熱阻
三、平均溫度差
一般情況下，冷，熱流體在穩(wěn)定換熱的設(shè)備內(nèi)分別在間壁兩側(cè)沿傳熱面進(jìn)行吸熱或放熱流體的溫度沿傳熱面逐漸變化。局部溫度差也是沿傳熱面而變化的。
當(dāng)液體發(fā)生相變時(shí)，則其溫度保持不變。當(dāng)兩側(cè)均為變溫時(shí)，兩流體又有順流和逆流之分。這幾種情況下溫度沿傳熱面的變化如圖５－９所示。
對(duì)一側(cè)變溫或兩側(cè)變溫的情形，設(shè)冷，熱兩流體的比熱容為常數(shù)，總傳熱系數(shù)為常數(shù)，熱損失可忽略，則在穩(wěn)定傳熱時(shí)可用下列方法計(jì)算平均溫度差。
Q=KStm
逆流操作與順流操作相比較，具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
１．加熱時(shí)，若冷液體的初溫終溫處理量以及熱流體的初溫一定由于逆流時(shí)熱流體的終溫有可能小于冷流體的終溫，故其熱流體消耗量有可能小于順流者。冷卻時(shí)的情況相似，冷流體消耗量有可能小于順流者。
２．完成同一傳熱任務(wù)。若熱冷流體消耗量相同，由于逆流的對(duì)數(shù)平均溫差大于順流，故所需的傳熱面積必小于順流。
由此可見，除個(gè)別特殊情況外，應(yīng)選擇逆流操作較為有利。至于順流操作，它主要用于加熱時(shí)必須避免溫度高于某一限定溫度，或冷卻時(shí)必須避免溫度低于某一限度的場(chǎng)合。
在實(shí)際換熱器中，往往還伴有更復(fù)雜的情況。一種是兩液體的流動(dòng)不是平行而是正交的，這種流動(dòng)方式稱為錯(cuò)流。第二種情形是兩流體雖作平行流動(dòng)，但對(duì)一部分管子而言屬順流，對(duì)另一部分管子而言屬逆流，這種流動(dòng)稱為折流。
對(duì)于錯(cuò)流和折流，其平均傳熱溫差可用下法求?。?br /> 首先將冷熱液體的進(jìn)出口溫度假定為逆流操作下的溫度，求取其對(duì)數(shù)平均溫差，然后乘以修正系數(shù)，即得平均溫度差：
四．傳熱的強(qiáng)化
強(qiáng)化傳熱的目的是以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力。強(qiáng)化傳熱有如下幾種途徑：
1．加大傳熱面積
加大傳熱面積可以增加傳熱量，但設(shè)備增大，投資和維修費(fèi)用也隨之增加。要看傳熱量的增加數(shù)值能補(bǔ)償費(fèi)用上的增加。
2．增加平均溫差
平均溫差愈大，自然熱流量愈大。理論上可采取提高加熱介質(zhì)溫度或降低冷卻介質(zhì)溫度的辦法，但往往受客觀條件和工藝條件的限制。另外，在一定的條件下，采用逆流方法代替順流，也可提高平均溫差。
3．減小傳熱阻
根據(jù)熱阻的分析，一般金屬間壁的導(dǎo)熱熱阻是較小的，所以強(qiáng)化措施通常不放在此點(diǎn)上。但當(dāng)這項(xiàng)熱阻占有顯著分量時(shí)，減小壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料，顯然可以收效，重要的問題在于需要經(jīng)常保持壁面清潔。有時(shí)，防止污垢形成或經(jīng)常清除垢層成為很重要的強(qiáng)化措施。
熱阻中，重要的是兩側(cè)傳熱熱阻，必須細(xì)心地考慮其強(qiáng)化措施。加大流速，提高湍動(dòng)程度，減小層流內(nèi)層厚度，均有利于提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
第四節(jié) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式
用牛頓冷卻定律處理復(fù)雜的對(duì)流傳熱，實(shí)質(zhì)上是把一切復(fù)雜的影響因素均集中于表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
因此，對(duì)對(duì)流傳熱珠形容便轉(zhuǎn)化為對(duì)各種具體情況的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的研究。
一對(duì)流傳熱的準(zhǔn)數(shù)方程
（一）影響對(duì)流傳熱的因素
實(shí)驗(yàn)表明，影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素有以下幾個(gè)方面：
1．流體的種類和相變化的情況
液體氣體和蒸汽都有不同的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。牛頓型流體和非牛頓型流體也是這樣。流體有無相變化，對(duì)傳熱有明顯不同的影響。
2．流體的流動(dòng)狀態(tài)
流體擾動(dòng)程度愈高，層流內(nèi)層的厚度愈薄，對(duì)流傳熱系數(shù)也就愈大。
3．流體流動(dòng)的原因
自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分流體的密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。
強(qiáng)制對(duì)流是由于如泵攪拌器等外力的作用迫使流體流動(dòng)，通常強(qiáng)制對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比自然對(duì)流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大得多。
4．流體的物理性質(zhì)
對(duì)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)影響圈套的流體物性有流體的密度粘度熱導(dǎo)率和比熱容等。流體的物理性質(zhì)不同，流體和壁面間的對(duì)流傳熱也不同。
5．傳熱面的形狀大小及位置
管板管束等不同形狀的傳熱面，管徑管長(zhǎng)或板的高度，管子排列方式，水平或垂直旋轉(zhuǎn)等都影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
（二）量綱分析法
綜上所述，影響對(duì)流傳熱的因素很多。工程上常采用的是特征數(shù)方程或稱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式。它是通過實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)后，再經(jīng)理論分析整理而成的。
（三）各特征數(shù)的物理意義
通過推導(dǎo)得到的特征數(shù)方程式含有四個(gè)量綱為一的數(shù)群。它們的物理意義如下：
1．努塞爾數(shù)，或稱傳熱數(shù)，符號(hào)為，即：
2．雷諾數(shù)，或稱流動(dòng)數(shù)，即：
3．普朗特?cái)?shù)，或稱物性數(shù)，即：

4．格拉曉夫數(shù)，即：
在采用特征數(shù)關(guān)聯(lián)式時(shí)，必須注意：
應(yīng)用范圍。特征數(shù)關(guān)聯(lián)式是嚴(yán)格應(yīng)用在一定范圍內(nèi)的公式，決不應(yīng)隨意推廣。
定性溫度。計(jì)算特征數(shù)式中各特征數(shù)時(shí)，其所含的物性的數(shù)值應(yīng)根據(jù)訪式所指定的溫度來確定。
此溫度稱為定性溫度。一般是選取對(duì)傳熱過程起主要作用的溫度人微言輕定性溫度。
定性尺寸。計(jì)算特征數(shù)式中含幾何尺寸的特征數(shù)時(shí)，也是其指定的固定邊界的某一尺寸，稱為定性尺寸。定性尺寸一般也是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定影響的固體表面尺寸。例如管內(nèi)流動(dòng)傳
熱用內(nèi)徑，管外對(duì)流傳熱用外徑，套管間隙內(nèi)的傳熱用當(dāng)量直徑等。
二流體無相變時(shí)的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式
（一）流體在管內(nèi)強(qiáng)制
（二）流體在管外強(qiáng)制對(duì)流
（三）自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
三流體有相變時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)聯(lián)式
沸騰和冷凝時(shí)的傳熱發(fā)生有相變的傳熱。在沸騰和冷凝時(shí)必然伴隨著流體的流動(dòng)，故沸騰和冷凝傳熱同樣發(fā)生對(duì)流傳熱。
（一）蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱
1．蒸汽冷凝方式
蒸汽與低于其飽和溫度的壁面相接觸，即冷凝成液體附著于壁面上，并放出冷凝潛熱。蒸汽在壁面上冷凝可分滴狀冷凝和膜狀冷凝兩種情況。
（二）液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱
液體沸騰的主要特征是汽泡的形成及其運(yùn)動(dòng)。
1．液體沸騰的過程
根據(jù)傳熱溫度的變化，液體沸騰傳熱過程要經(jīng)歷如下四個(gè)階段：
①自然對(duì)流階段
②泡核沸騰階段
③膜狀沸騰階段
④穩(wěn)定膜狀沸騰。
2．影響沸騰傳熱的因素
液體沸騰傳熱的上述各階段中，泡核沸騰在工業(yè)上具有重要的意義。泡核沸騰的主要特點(diǎn)是汽泡在加熱面上形成和發(fā)展，并脫離表面而作上升運(yùn)動(dòng)。因此，凡是影響汽泡生成強(qiáng)度的因素，均能影響沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)
3．液體沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)