传热过程中基本问题与传热机理

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，则热流体放出的热量等于冷流体取得的热量。即Q热=Q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△tm及传热面积S成正比，即：

Q=KS△tm(3-1)

S=nπd L (3-2)

式中：Q──传热速率，W；

S──传热面积，m2；

△tm──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·℃；

n ──管数；

d ──管径，m；

L ──管长，m。

若将式（3-1）变换成下列形式：

Q/S=△tm/(1/K) (3-3)

式中：△tm──传热过程的推动力，℃

1/K ──传热总阻力（热阻），m2·℃/W。

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△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/s

H--单位质量流体的焓，J/kg

２．显热法

３．潜热法

二、总传热速率方程

（一）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；

２．通过管壁的热传导；

３．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，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。

2．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。

3．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