传热过程及换热器

传热过程及换热器知识总结，包括传热的基本方式、基本物理量、传导传热、对流传热、热交换的计算等内容。

传热过程及换热器

• 传热的基本方式
  • 热传导定义：系统温度较高部分的微观粒子(分子、原子及自由电子等)因热震动与相邻的粒子碰撞将热量传递给温度较低粒子的过程。
    • 特点： 1、粒子无宏观相对位移 2、发生在物体内部或者直接接触的物体之间 3、在固、液、气三态中均可发生
  • 热对流(给热)定义：粒子温度不同的部分之间发生相对的宏观位移而引起的热量传递现象。
    • 特点： 1、粒子有相对宏观位移 2、仅能发生在流体中
    • 类型：自然对流、强制对流
    • 工程上对流传热指：流动着的流体与其所接触的固体表面间由于温度不同而引起的热量传递过程，也叫给热
    • 具备三个条件： 1、流体必须流动 2、流体与固体表面接触 3、壁面和流体之间存在温差
  • 热辐射：物体通过电磁波将内热能向外传递的过程。
    • 与传导和对流的区别： 1、不需要任何介质，可在真空中进行，且在真空中辐射能传递最有效。 2、能量传递过程中伴随着能量形式的转换： 热能→辐射能→热能
    • 绝对零度以上的物体都可以发射电磁波形式的热射线
• 基本物理量
  • 热量：是能量的一种形式。
  • 传热速率：也称热流量是指单位时间传递的热量，单位为W
  • 热流密度：也称为传热强度是单位时间单位传热面积所传递的热量，是传热设备的性能标志之一，单位为W/m²
  • 潜热：单位质量物质在发生相变时伴随的热量变化，包括物质的气化热、凝结热、升华热、熔解热等。单位为J/kg
  • 比定压热容：是指压力恒定时单位质量的物质温度升高1K时所需的热量,单位为J·K⁻¹·kg⁻¹或J·K⁻¹·mol⁻¹
  • 显热=质量流量×比定压热容×温度变化
  • 定态传热和非定态传热
    • 定态传热：传热面各点的温度不随时间而改变。
    • 非定态传热：传热面各点温度随时间而变化。
• 传导传热
  • 机理：物体温度较高的分子因热而振动，并与相邻的分子碰撞，而将能量传递给相邻分子，顺序地将热量从高温向低温部分传递。
  • 傅里叶定律
    • • λ称为导热系数或热导率，是物质导热能力的标志，是物料的一种物理性质，其值因物料不同而有所不同，单位为W·m⁻¹·K⁻¹。
        • 固体
          • 金属具有较大的导热系数，银和铜的λ最高，纯度对入影响很大。T↑→λ↓
          • 非金属T↑一λ↑ ρ↑→λ↑
        • 液体：T↑→λ↓(水和甘油除外)
        • 气体：T↑→λ↑ p↑→h↑
        • 气体的值很小，对导热不利，但对却对保温有利。
      • 单层平面壁
      • 多层平面壁
      • 单层圆筒壁
      • 多层圆筒壁
• 对流传热
  • 过程分析
    • 层流内(底)层：层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一维运动， 在传热方向上无质点运动。
      • ①主要依靠热传导方式来进行热量传递
      • ②但由于流体内部存在温差还会有少量自然对流
      • ③层流流动时的传热温差大
    • 湍流核心(主体)
      • 在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致(热阻小)，传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量， 温差很小。
    • 过渡区
      • ①温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显
      • ②传热以热传导和对流两种方式共同进行，温度变化平缓
  • 速率方程
    • 有效膜的概念
      • (1)流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为b，有效膜中，在有效膜之外无热阻存在
      • (2)有效膜是-集中了全部传热温差的虚拟膜，在有效膜之外无温差存在
      • (3)在有效膜内传热以热传导的方式进行。
    • 牛顿冷却定律
      • • φ =hA(Tw-T) =h'A(tw- t)
        • △t：传热壁与湍流主体之间的温度差
        • A：传热壁与流体的接触面积。
        • h：对流传热系数、给热系数、膜系数。表征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性常数
    • 影响对流传热系数的因素
      • 引起流动的原因
        • [自然对流]由于流体内部存在温差引起密度差形成的液体内部环流，-般u较小，h也较小。
        • [强制对流]在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故h较大。
        • h强制对流> h自然对流
      • 流体的物性
        • 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，影响h较大的物性常数有:λ , ρ，Cp， μ。
          • (1)λ的影响 λ↑ h↑
          • (2)ρ的影响 ρ↑ Re↑ h↑
          • (3)Cp的影响 Cp↑ 则单位体积流体的热容量大，则h较大
      • 流动型态
        • [层流]主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
        • [湍流]由于质点充分混合且层流底层变薄，a较大。即:Re↑,bt↓ h↑
        • h湍流> h层流
        • [结论]为增大h，应增大Re。但随着Re的增大，动力消耗大
      • 传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型，会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使h增大。
        • (1)形状比如管、板、管束等; (2)尺寸比如管径和管长等; (3)位置比如管子的排列方式 (如管束有正四方形和三角形排列) ;管或板是垂直放置还是水平放置。
      • 是否发生相变
        • [现象]主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。
        • [特点]发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热(r远大于Cp）
        • h有相变﹥h无相变
• 热交换的计算
  • 传热系数
    • K是衡量换热器性能的重要指标之一。其大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等。
  • 传热温差
    • 连续定态传热有两种情况：恒温和变温
      • 定态恒温传热：两流体经传热面进行热交换时，沿壁面上两流体的温度不仅不随时间变化，同时也不随壁面不同位置而变化。 △t =T- t
      • 定态变温传热：传热壁面各点温度不随时间而变化，但随传热面位置不同而不同。
    • 并流和逆流
      • • 特点：并流t₂≤T₂ 逆流t₂≤T₁可能t₂> T₂
        • 在相同的条件下(如相同的换热时间或换热面积)，逆流比并流换热更完全；并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈。
        • 逆流与并流传热的比较
          • 逆流比并流有更大的平均传热推动力：传热温差，相应地只要较小的换热面积
          • 并流换热时，冷流体受热后的极限温度只低于或接近于热流体换热后的最终温度。逆流换热时则不受此限制，热能能较充分地利用与回收
          • 并流传热温度差的前后变化比逆流剧烈
        • 并流的特点及其用途
          • 特点：初期传热速率大，后期传热速率小。
          • 用途：有热效应的化学反应；也用于换热时防止过热或过冷的场合。
  • 热量衡算
  • 换热器的选择和强化
    • 基本概念
      • 管程：流体在换热器管内流动-次的行程
      • 壳程：流体在换热器壳内及管束间空隙中流动一次的行程
    • 管壳式换热器的设计与选择
      • (1)了解换热任务，掌握基本数据和特点。
        • ①冷热流体的进口温度，操作压力及其它基本物性参数 ②冷热流体的，毒性、腐蚀性、悬浮物的含量等。
      • (2)确定流体在换热器中的流动途径。
        • 流体流径的选择原则: ①不洁净和易结垢的流体宜走管程，因为管程清洗比较方便。 ②腐蚀性的流体宜走管程，以免管子和壳体同时被腐蚀，且管程便于检修与更换。 ③压力高的流体宜走管程，以免壳体受压，可节省壳体金属消耗量。 ④有毒易污染的流体宜走管程，以减少泄漏。 ⑤饱和蒸汽宜走管程，以便于及时排除冷凝液，且蒸汽较洁净，一般不需清洗。 ⑥需冷却的流体宜走壳程，可利用壳体对外的散热作用，增强冷却效果。 ⑦粘度大流量小的流体易走壳程，可在较低Re时达到湍动，提高
      • ( 3)确定流体在换热器中两端的温度，计算定性温度，确定在定性温度下的流体物性。 (4)根据换热任务，计算传热量。 (5)做出适当选择，计算对数平均温差 (6)选取总传热系数K，估算传热面积，初选换热器型号 (7)核算总传热系数 (8)估算传热面积，根据核算的K，由总传热方程求出A，并考虑10-25%的富余量
    • 传热过程的强化
      • 强化传热的目的：力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多
      • 强化传热的意义： 在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，提高劳动生产率; 在设备容量不变的情况下使其结构更加紧凑，减少占地空间节约材料，降低成本
      • 强化传热过程的途径 根据总传热速率方程:φ=KA△tm
        • 1、增大传热面积：翅片管 或翅片壁面可有效增大传热面积。
        • 2、提高传热的温差 尽量选用逆流操作， 只是在防止最终过热或过冷(如防止因此而产生分解、结晶或沉积物等)时才采用并流;另一方法是提高加热流体的温度或降低冷却流体的温度，但这往往受到客观条件的限制。
        • 3、提高传热系数K 尽量减少传热膜系数h小的-侧流体的热阻;增大湍动状态，选择传热膜系数高的载热体，如熔盐、液态金属等。