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1、三、传热过程中基本问题与传热机理传热过程中的基本问题可以归结为：1、载热体用量计算2、传热面积计算3、换热器的结构设计4、提高换热器生产能力的途径。解决这些问题，主要依靠两个基本关系。（1）热量衡算式根据能量守恒的概念，若忽略操作过程中的热量损失，则热流体放岀的热量等于冷流体取得的热量。即Q热=0冷，称为热量衡算式。由这个关系式可以算得载热体的用量。（2）传热速率式换热器在单位时间内所能交换的热量称为传热速率，以Q表示，其单位W。实践证明，传热速率的数值与热流体和冷流体之间的温度差厶tm及传热面积S成正比，即：Q=KStm（3-1）S=nndL（3-2）式中：Q传热速率，WS传热面积，m2;t
2、m温度差，0C;K传热系数，它表明了传热设备性能的好坏，受换热器的结构性能、流体流动情况、流体的物牲等因素的影响，W/m2-C;n管数；d管径，m；L管长，若将式（3-1）变换成下列形式：Q/S=Atm/（1/K）（3-3）式中：tm传热过程的推动力，C1/K传热总阻力（热阻），m2C/Wo则单位传热面积的传热速率正比于推动力，反比于热阻。因此，提高换热器的传热速率的途径是提高传热推动力和降低热阻。另一方面，从式（3-1）可知，如杲工艺上所要求的传热量Q己知，则可在确定K及厶tm的基础上算传热面积S,进而确定换热器的各部分尺寸，完成换热器的结构设计。本章主要介绍应用这两个基本关系解决上述四个问
3、题。介绍的范围以稳定传热为限。所谓稳定传热是指传热量与时间无关，即每单位时间内的传热量为定值。反之，传热量随着时间而变的则是不稳定传热，一般在化工连续生产中都属稳定传热。就传热机理而言，任何热量传递总是通过传导、对流、辐射三种方式进行的。传热可依靠其中一种方式或几种方式同时进行，净的热流方向总是由高温处向低温处流动第三节传热计算间壁式传热是食品工业中应用最广泛的传热方式。在绝大多数情况下，这种传热是大规模连续进行的。在这过程中，不论是热流体，还是冷流体或固体壁面，各点的温度不随时间而变，故属于稳定传热过程。我们主要讨论稳定过程。传热计算主要有两方面内容：一类是设计计算，即根据生产要求的热负荷确
4、定换热器的传热面积;另一类是校核计算，即计算给定换热器的传热量，流体的流量或温度等。二者均以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算的基础。一、热量衡算对间壁式换热器作能量衡算，因无外功加入，且位能和动能项均可忽略，故实际上为焓衡算。1焓差法Q=qm,h(Hh1-Hh2)=qm,c(Hc2-Hc1)式中qm-质量流量，kg/sH-单位质量流体的焓，J/kg.显热法.潜热法二、总传热速率方程总传热速率方程如前所述，两流体通过管壁的传热包括以下过程：1 热流体在流动过程中把热量传给管壁；通过管壁的热传导;热量由管壁另一侧传给冷流体。（二）总传热系数（三）污垢热阻三、平均温度差一般情况下，冷，热流体在稳
5、定换热的设备内分别在间壁两侧沿传热面进行吸热或放热流体的温度沿传热面逐渐变化。局部温度差也是沿传热面而变化的。当液体发生相变时，则其温度保持不变。当两侧均为变温时，两流体又有顺流和逆流之分。这几种情况下温度沿传热面的变化如图5-9所示。对一侧变温或两侧变温的情形，设冷，热两流体的比热容为常数，总传热系数为常数，热损失可忽略，则在稳定传热时可用下列方法计算平均温度差。Q=KStm逆流操作与顺流操作相比较，具有如下几方面的优点：1 加热时，若冷液体的初温终温处理量以及热流体的初温一定由于逆流时热流体的终温有可能小于冷流体的终温，故其热流体消耗量有可能小于顺流者。冷却时的情况相似，冷流体消耗量有可能
6、小于顺流者。2 完成同一传热任务。若热冷流体消耗量相同，由于逆流的对数平均温差大于顺流，故所需的传热面积必小于顺流。由此可见，除个别特殊情况外，应选择逆流操作较为有利。至于顺流操作，它主要用于加热时必须避免温度高于某一限定温度，或冷却时必须避免温度低于某一限度的场合。在实际换热器中，往往还伴有更复杂的情况。一种是两液体的流动不是平行而是正交的，这种流动方式称为错流。第二种情形是两流体虽作平行流动，但对一部分管子而言属顺流，对另一部分管子而言属逆流，这种流动称为折流。对于错流和折流，其平均传热温差可用下法求取：首先将冷热液体的进出口温度假定为逆流操作下的温度，求取其对数平均温差，然后乘以修正系数
7、，即得平均温度差：四传热的强化强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。强化传热有如下几种途径：1加大传热面积加大传热面积可以增加传热量，但设备增大，投资和维修费用也随之增加。要看传热量的增加数值能补偿费用上的增加。增加平均温差平均温差愈大，自然热流量愈大。理论上可采取提高加热介质温度或降低冷却介质温度的办法，但往往受客观条件和工艺条件的限制。另外，在一定的条件下，采用逆流方法代替顺流，也可提高平均温差。减小传热阻根据热阻的分析，一般金属间壁的导热热阻是较小的，所以强化措施通常不放在此点上。但当这项热阻占有显著分量时，减小壁厚或使用热导率较高的材料，显然可以收效，重要的问题在于需要经
8、常保持壁面清洁。有时，防止污垢形成或经常清除垢层成为很重要的强化措施。热阻中，重要的是两侧传热热阻，必须细心地考虑其强化措施。加大流速，提高湍动程度，减小层流内层厚度，均有利于提高表面传热系数。第四节表面传热系数关联式用牛顿冷却定律处理复杂的对流传热，实质上是把一切复杂的影响因素均集中于表面传热系数因此，对对流传热珠形容便转化为对各种具体情况的表面传热系数的研究。一对流传热的准数方程（一）影响对流传热的因素实验表明，影响表面传热系数的因素有以下几个方面：1流体的种类和相变化的情况液体气体和蒸汽都有不同的表面传热系数。牛顿型流体和非牛顿型流体也是这样。流体有无相变化，对传热有明显不同的影响。2流
9、体的流动状态流体扰动程度愈高，层流内层的厚度愈薄，对流传热系数也就愈大。3流体流动的原因自然对流是由于流体内部存在温度差，因而各部分流体的密度不同，引起流体质点的相对位移。强制对流是由于如泵搅拌器等外力的作用迫使流体流动，通常强制对流的表面传热系数比自然对流的表面传热系数大得多。4流体的物理性质对表面传热系数影响圈套的流体物性有流体的密度粘度热导率和比热容等。流体的物理性质不同，流体和壁面间的对流传热也不同。5传热面的形状大小及位置管板管束等不同形状的传热面，管径管长或板的高度，管子排列方式，水平或垂直旋转等都影响表面传热系数。（二）量纲分析法综上所述，影响对流传热的因素很多。工程上常采用的是
10、特征数方程或称特征数关联式。它是通过实验得到数据后，再经理论分析整理而成的。（三）各特征数的物理意义通过推导得到的特征数方程式含有四个量纲为一的数群。它们的物理意义如下：1努塞尔数，或称传热数，符号为，即：2雷诺数，或称流动数，即：3普朗特数，或称物性数，即：4格拉晓夫数，即：在采用特征数关联式时，必须注意：应用范围。特征数关联式是严格应用在一定范围内的公式，决不应随意推广。定性温度。计算特征数式中各特征数时，其所含的物性的数值应根据访式所指定的温度来确定。此温度称为定性温度。一般是选取对传热过程起主要作用的温度人微言轻定性温度。定性尺寸。计算特征数式中含几何尺寸的特征数时，也是其指定的固定边
11、界的某一尺寸，称为定性尺寸。定性尺寸一般也是选取对流体流动和传热有决定影响的固体表面尺寸。例如管内流动传热用内径，管外对流传热用外径，套管间隙内的传热用当量直径等。二流体无相变时的对流表面传热系数关联式（一）流体在管内强制（二）流体在管外强制对流（三）自然对流表面传热系数三流体有相变时的表面传热系数关联式沸腾和冷凝时的传热发生有相变的传热。在沸腾和冷凝时必然伴随着流体的流动，故沸腾和冷凝传热同样发生对流传热。（一）蒸汽冷凝时的对流传热1蒸汽冷凝方式蒸汽与低于其饱和温度的壁面相接触，即冷凝成液体附着于壁面上，并放出冷凝潜热。蒸汽在壁面上冷凝可分滴状冷凝和膜状冷凝两种情况。（二）液体沸腾时的对流传热液体沸腾的主要特征是汽泡的形成及其运动。1液体沸腾的过程根据传热温度的变化，液体沸腾传热过程要经历如下四个阶段： 自然对流阶段泡核沸腾阶段膜状沸腾阶段稳定膜状沸腾。2影响沸腾传热的因素液体沸腾传热的上述各阶段中，泡核沸腾在工业上具有重要的意义。泡核沸腾的主要特点是汽泡在加热面上形成和发展，并脱离表面而作上升运动。因此，凡是影响汽泡生成强度的因素，均能影响沸腾表面传热系数3液体沸腾表面传热系数
