蒸汽知识与资源

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2.1 传热
发布时间:2016-11-10 15:27:22

一、传热的三种形式

1、传热,也称热传递,是物理学上的一个物理现象,是热能从高温向低温部分转移的过程,只要一个介质内或者两个介质之间存在温度梯度,传热就会发生。传热有三种方式:热传导热对流热辐射

计算热传导的速率方程就是大家熟悉的傅立叶定律

qx(W/m^2)是与传输方向相垂直的单位面积上的热流速率。它与在该方向上的温度梯度成正比,其中的比例系数 k 就是介质的热导率,是物质最基本的物理性质之一。 

2热对流

对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,不同的温度下的换热表面和流体之间的热量传递过程。

对流可分为强迫对流和自然对流。强迫对流,是由于外界作用推动下产生的流体循环流动,搅拌器。自然对流是由于温度不同密度梯度变化,重力作用引起低温高密度流体自上而下流动,高温密度流体自下而上流动,如蒸发和冷凝。

对流热流密度计算公式,又称牛顿冷却公式:


其中q''是热流密度(W/m^2),Ts是固体壁面温度,

是壁面接触流体的温度。

h为对流换热系数 [ W/m^2*K ]。

h与边界层中的条件有关,边界层又取决于表面的几何形状、流体的运动特性及流体的众多热力学性质和输运性质。

1)牛顿冷却定律:

式中:Q’,Q──对流给热速率,W;
       α’,α──对流给热系数,W/(m2.℃);
       Tw tw──壁温,℃;
       T,t──流体主体温度,℃;
       A──对流给热面积,m2

不同的温度下的换热表面和流体之间的热量传递称为对流。其机理实际上是一种分子扩散和规模运动组合。

在表面附近流体流速低,扩散 (分子随机运动)占主导。但离开表面,分子规模运动的影响增加。对流传热有强制对流和自然对流两种方式。强制对流出现在流体的流动由外部力量驱动,如泵或搅拌器。相反自然对流是由于流体中温度的变化导致密度的不同而产生的浮力引起。

由于物体的相变,如蒸发或冷凝而引起的热量传递也归为对流传热模式。 

3、热辐射

热辐射,是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。它不依赖任何外界条件而进行,是在真空中最为有效的传热方式。

不管物质处在何种状态(固态、气态、液态或者玻璃态),只要物质有温度(所有物质都有温度),就会以电磁波(也就是,光子)的形式向外辐射能量。这种能量的发射是由于组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。 

实际传热过程一般都不是单一的传热方式,如煮开水过程中,火焰炉壁的传热,就是辐射、对流和传导的综合,而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便,人们在传热研究中把三种传热方式分解开来,然后再加以综合。

 

二、总的传热系数 (U)

传热系数单位是[W/m² K]。

总的传热系数一般要考虑被换热面隔开了的两种流体之间的导热和对流,还需要考虑换热过程的结垢程度,在换热表面水膜和污垢的积聚将大大降低传热效果。

各个传热系数的大小取决于换热过程的特点、流体的物理性质、流率和换热表面的物理布置等因素。


三、蒸汽是如何加热的?

1、通过冷凝传热:蒸汽中的潜热在冷凝时释放出来,通过换热器传递到被加热的产品。

2、通过对流传热(热水或热油)

热水或热油等热媒介质是通过对流传热的,没有相变,热煤通过降低自身温度,以强制对流的方式传递热量给被加热的产品。

 

四、传热的热阻

在传热过程中金属墙不是唯一的热阻。在蒸汽侧可能有一层空气膜、冷凝水膜和污垢层。在产品侧可能有粘在换热面上的产品层或污垢层以及迟滞不流动的产品层。 

所以对产品进行搅动,或经常清洗设备,提高锅炉水质,分离出蒸汽中的水分,都可以提高传热率。

 

小总结:冷凝水膜的热阻是不锈钢换热面的100~150倍,是铜的500~600倍。

空气的传热热阻是钢的1500~3000倍,是铜的8000~16000倍,这表示0.025 mm厚的空气层相当于400 mm厚铜壁产生的热阻。

热阻越大,温度梯度越大,这表示为了达到同样的产品温度,需要更高的蒸汽压力。如下图:

 

在制程和空间加热应用中,所有的蒸汽加热设备换热器表面,空气膜和冷凝水膜是普遍存在的,为了得到最佳的产品质量,为了节能,则及时排除冷凝水和空气,是非常有效的办法,可以大大热高热效率。

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