項(xiàng)目三知識(shí)點(diǎn) 傳熱

項(xiàng)目三知識(shí)點(diǎn)傳熱項(xiàng)目三傳熱任務(wù)1：了解傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用1．傳熱過程的分類：化工生產(chǎn)過程常用來保溫或保冷。傳熱發(fā)生的根本原因是同一物體的內(nèi)部或不同物體之間有溫度差。傳熱的方式隨熱交換的物質(zhì)材料及接觸狀況不同而不同，歸結(jié)起來有三種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。⑴熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)原理：是依靠相鄰分子的碰撞或電子的遷移，使熱量從物體內(nèi)高溫處向低溫處的傳遞。熱傳導(dǎo)是靜止物體內(nèi)的一種傳熱方式，即一切物體，不論其內(nèi)部有無質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移，只要存在溫度差，就必發(fā)生熱傳導(dǎo)。氣體、液體和固體的熱傳導(dǎo)方式機(jī)理各不相同，發(fā)生在固體中的為典型的熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)不能在真空中進(jìn)行。特點(diǎn)：不依靠宏觀混合運(yùn)動(dòng)；在氣體、液體、固體中都能發(fā)生。⑵熱對(duì)流熱對(duì)流傳熱原理：熱對(duì)流是由于物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞。由于引起流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移形成的原因不同，對(duì)流可分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流。如果流體的宏觀運(yùn)動(dòng)是由于各處溫度不同而引起密度差異，使輕者上浮、重者下降，稱為自然對(duì)流；如果流體的宏觀運(yùn)動(dòng)是因泵、風(fēng)機(jī)或攪拌等外力所致，則稱為強(qiáng)制對(duì)流。習(xí)慣上把流體與固體壁面間的傳熱，統(tǒng)稱為對(duì)流傳熱，又稱給熱。⑶熱輻射熱輻射傳熱原理：是指因熱的原因發(fā)出輻射能的過程。凡是熱力學(xué)溫度在零度以上，所有的物體（包括固體、液體和氣體）都能將熱能以電磁波形式發(fā)射出去，而不需要任何介質(zhì)，即可在真空中傳播。任何物體在發(fā)出輻射能的同時(shí)，也不斷吸收周圍物體發(fā)來的輻射能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果稱為輻射傳熱。凈熱量是從高溫物體傳向低溫物體。輻射傳熱的特點(diǎn)是不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉(zhuǎn)移。只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳遞方式。雙邊交流：1.查取有關(guān)資料，找出三種熱傳導(dǎo)的應(yīng)用，把你獲得的資料并與其他人交流一下，看別人的理解與你有何不同，并展開討論。2.傳熱應(yīng)用的類型填空：太陽出來暖洋洋_________；吹風(fēng)降溫_________；守著火爐取暖_________；電熱毯取暖_________；我國北方寒冷地區(qū)的暖炕取暖_________；用塑料大棚保暖種植反季節(jié)蔬菜_________。聚氨酯板玻璃棉板聚乙烯板硅酸鋁棉玻璃纖維格子布中空玻璃

保溫材料

任務(wù)2：認(rèn)識(shí)傳熱設(shè)備換熱器是許多工業(yè)部門中通用的設(shè)備，可用作加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等。此類換熱器是冷、熱流體直接混合，在混合過程中進(jìn)行傳熱。直接混合式氣體冷卻器示意圖1．直接接觸式換熱器

2．蓄熱式換熱器的類型此類換熱器是在一個(gè)被稱為蓄熱器的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的，器內(nèi)裝有耐火磚之類的固體耐熱材料。操作時(shí)，冷、熱兩股流體交替流過填充物。間歇式制取半水煤氣蓄熱式換熱示意圖

3．間壁式換熱器

用換熱器的壁面將冷、熱兩流體隔開，熱量只能通過壁面進(jìn)行交換。夾套式換熱器仿真圖夾套式換熱器示意圖套管式換熱器套管式換熱器換熱示意圖單程列管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖平板換熱器

平板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖板翅式換熱器

板翅式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖螺旋板換熱器照片螺旋板換熱器結(jié)構(gòu)示意圖4．熱管式換熱器熱管是60年代中期發(fā)展起來的一種新型傳熱元件。它是在一根抽除不凝性氣體的密閉金屬管內(nèi)充以一定量的某種工作液體構(gòu)成，工作液體因在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流至冷端放出潛熱。冷凝液回至熱端，再次沸騰汽化。如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷從熱端傳至冷端。熱管式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

任務(wù)3：學(xué)習(xí)換熱器傳熱量的計(jì)算想一想：工廠的生產(chǎn)過程，溫度有高有低，溫度高低與熱量傳遞的多少有關(guān)系，那么熱量的大小如何計(jì)算呢？下面我們學(xué)習(xí)熱量的計(jì)算方法。對(duì)換熱器來說，生產(chǎn)中要求它在單位時(shí)間內(nèi)提供的冷、熱流體所交換的熱量，是根據(jù)換熱任務(wù)的需要提出來的，也稱為換熱器的熱負(fù)荷，表示。1．潛熱法：傳熱的結(jié)果引起冷熱流體的狀態(tài)發(fā)生變化，即液體氣化或氣體冷凝而吸收的氣化潛熱或放出的冷凝潛熱

熱負(fù)荷的計(jì)算

２．顯熱法：

因?yàn)槔洹崃黧w在溫度升高或降低過程中放出或吸收的熱量。在溫變或相變時(shí)，用流體的起始、終了狀態(tài)的焓差來計(jì)算流體放出或吸收的熱量：3．焓差法計(jì)算熱負(fù)荷

【案例１】：在列管換熱器中，用120kPa的飽和水蒸氣來加熱常溫水。水的流量是6m3/h,從20℃被加熱到80℃，水走管內(nèi)，蒸汽走管外，不計(jì)熱損失，試求該換熱器每小時(shí)的傳熱量（kJ/h）及每小時(shí)加熱蒸汽的用量(kg/h)。熱負(fù)荷計(jì)算案例雙邊交流：1.流體在傳熱過程中只發(fā)生溫度變化時(shí)，熱量的計(jì)算式為______________；若只有相變化，則熱量的計(jì)算式為______________。2.100℃的水蒸氣比100℃的熱水燙傷人的程度要厲害，你知道為什么嗎？（提示水蒸氣比同溫的水多放出一種冷凝潛熱，對(duì)人皮膚傷害很大。）3.下雪天不冷，化雪天冷，你知道這是為什么嗎？（提示：雪的形成是水蒸氣凝固放出熱量，化雪是固體雪融化成液體水，吸收汽化潛熱。你想到了嗎？）1.單層平壁導(dǎo)熱量的計(jì)算固體壁面兩側(cè)溫度不同的時(shí)候，熱量就會(huì)從高溫部位以熱傳導(dǎo)的形式傳向低溫部位。溫度差越大、固體壁面越薄、材料的熱導(dǎo)率越大，則導(dǎo)熱速率越大，可由傅立葉定律表示：任務(wù)4：學(xué)習(xí)換熱器固體壁面內(nèi)熱導(dǎo)量的計(jì)算方法【案例2】：某平壁厚度為0.35m，一側(cè)壁面溫度為1100℃，另外一側(cè)壁面溫度為400℃,墻壁材料的熱導(dǎo)率為１.383℃）,試求通過單位平壁面積的導(dǎo)熱速率.2.多層平壁導(dǎo)熱速率的計(jì)算

若熱導(dǎo)率為常數(shù)，則單位傳熱面積上的導(dǎo)熱速率為：【案例3】:平面爐壁有下列三種材料組成,耐火磚:熱導(dǎo)率λ1=1.4w/(m·℃.),厚度δ1=225mm；保溫磚:熱導(dǎo)率λ2=0.15w/(m·℃.),厚度δ2=115mm；建筑磚:熱導(dǎo)率λ3=0.8w/(m·℃.),厚度δ3=225mm；今側(cè)得其內(nèi)壁溫度為1000℃，外壁溫度為60℃，求：爐壁每單位面積上的傳熱量。3.圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)熱導(dǎo)率的計(jì)算若從內(nèi)向外傳遞熱量，則經(jīng)三層圓筒的導(dǎo)熱速率為：圖3-7通過三層圓筒壁的傳熱示意圖三層圓筒的導(dǎo)熱速率的計(jì)算公式

【案例4】:用φ42×2.5mm的鋼管作為蒸汽管。為了減少熱損失，在管外包兩層保溫材料。第一層是厚度為50mm的氧化鎂，熱導(dǎo)率為0.07w/(m·℃)；第二層是厚度為10mm的氧化鎂石棉，熱導(dǎo)率為0.15w/(m·℃)。若管內(nèi)壁溫度為180℃，石棉外壁溫度為30℃，試求：該蒸汽管每米長的熱損失。雙邊交流：1.俗諺說一層棉衣比十層單衣還暖和，為什么？2.在穩(wěn)定傳熱中，通過平壁的每層導(dǎo)熱量都相等。若厚度相同，材料的熱導(dǎo)率越小，則在該層的溫度下降越_______（答案是：大，你答對(duì)了嗎？）3.圓筒導(dǎo)熱過程中，若圓筒的外直徑尺寸為25mm，外壁溫度為100℃，管外包兩層不同的保溫材料，其熱導(dǎo)率分別為0.28w/(m·℃.)和0.07w/(m·℃.),每層厚度δ均為25mm，若管外空氣的溫度為20℃，則每米管長的熱損失為_________(答案為44.77w/（m2℃），你算對(duì)了嗎？)；若將兩種保溫材料位置互換，則熱損失與原狀況的熱損失之比為______(答案為1.56倍，你算對(duì)了嗎？)，所以，由此得出的結(jié)論是將熱導(dǎo)率小的材料放在______(內(nèi)、外)層好(答案為：內(nèi)，你算對(duì)了嗎？)。任務(wù)5：學(xué)習(xí)對(duì)流傳熱速率的計(jì)算想一想：熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞。對(duì)流傳熱的效果，與流體流動(dòng)的速度有關(guān)系。那么對(duì)流傳熱與哪些因素有關(guān)呢，怎樣計(jì)算對(duì)流傳熱速率呢？1．對(duì)流傳熱速率的計(jì)算流動(dòng)流體與固體壁面之間的對(duì)流傳熱，有兩種方式，即當(dāng)流體溫度高時(shí)向壁面放熱，或者是壁面溫度高時(shí)向流體放熱。傳熱過程的推動(dòng)力Δt是流體與壁面間的溫度差。圖3-8流體通過間壁的傳熱過程示意圖流體通過間壁的對(duì)流傳熱速率的計(jì)算２．對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素

影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素有以下方面：（1）流體的狀態(tài)①狀態(tài)形式：液體、氣體、蒸汽②流體有無相變：有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)要大于無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。（2）流體的物理性質(zhì)對(duì)影響較大的流體的物理性質(zhì)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、黏度、密度、體積膨脹系數(shù)、汽化潛熱等。密度愈大、粘度愈小，則對(duì)流傳熱系數(shù)愈大。（3）流體的流動(dòng)狀態(tài)層流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)較湍流時(shí)的小。（4）流體流動(dòng)的原因一般強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)較自然對(duì)流為大。（5）傳熱面積的形狀、位置及大小管子是管或板；管子是橫放、豎放或斜放；流體走管內(nèi)或管外等；管徑及管長的大小。都影響對(duì)流傳熱系數(shù)?！景咐?】：在一列管式換熱器中，水在內(nèi)直徑為20mm、長度為3m的管束內(nèi)流過。管內(nèi)壁的平均溫度為60℃，水的平均溫度為20℃，若管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)為4000w/（m2℃），試求水與管壁的對(duì)流傳熱速率。雙邊交流：1.學(xué)完本節(jié)課程后，查取相關(guān)資料，了解對(duì)流傳熱系數(shù)的有關(guān)計(jì)算方法，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算關(guān)系，分析影響對(duì)流傳熱的主要因素。請(qǐng)同學(xué)們分組討論，看看自己的答案與別人的有什么不同，然后互相補(bǔ)充。（流體對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素：有流速u、傳熱壁面的特征尺寸、流體的黏度μ、密度ρ、導(dǎo)熱系數(shù)λ、表面張力σ、體積膨脹系數(shù)β、重力加速度g等，你的答案是不是這樣的？）2.夏天用風(fēng)扇吹風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)扇葉輪速度高，就感覺涼爽，為什么？（提示：從流體流速對(duì)的影響分析）

冷、熱流體經(jīng)過間壁換熱器的傳熱速率，是指在單位傳熱面積上、單位時(shí)間的傳熱量，可以用下式來計(jì)算：任務(wù)6：學(xué)習(xí)冷、熱流體經(jīng)過間壁換熱器傳熱速率的計(jì)算【案例6】：現(xiàn)有一臺(tái)列管式換熱器，如圖3-10所示，冷卻水在管內(nèi)流過，水進(jìn)、出口溫度分別是15℃和32℃；熱油在管外與水逆流流動(dòng)，其進(jìn)、出口溫度分別是120℃和40℃，熱油的流量為2.1kg/h,其平均比熱容1.9kJ/(kg.·℃)。若換熱器的總傳熱系數(shù)K為450w/（m2℃），忽略熱損失，試求：換熱器的傳熱面積。=任務(wù)7：學(xué)習(xí)間壁換熱器壁溫的計(jì)算想一想：工業(yè)上使用的換熱器一般由金屬制成，而金屬材料容易熱脹冷縮。溫度太高或太低，都會(huì)破壞金屬的晶格，影響金屬的的安全性能。所以，知道壁溫后，想辦法采取措施，就可以防患于未然。那么壁溫如何計(jì)算呢？

【案例8】：一廢熱鍋爐，由φ25×2.5mm鍋爐鋼管組成，管長L=6m。管外為水沸騰，絕對(duì)壓力為2.55MPa。管內(nèi)通高溫的合成轉(zhuǎn)化氣，其平均溫度為500℃。已知轉(zhuǎn)化氣一側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)аi=300W/(m2·℃),沸騰水一側(cè)аo=10000W/(m2·℃),若忽略管壁結(jié)垢所產(chǎn)生的熱阻，試求：（1）換熱器傳熱速率；（2）鍋爐鋼管兩側(cè)的壁溫【案例9】：在【案例1】的鍋爐使用一段時(shí)間后，沸騰水一側(cè)產(chǎn)生一層污垢，污垢熱阻為Rso=0.005m2·℃/W，其他條件不變，忽略導(dǎo)熱熱阻，求換熱器的傳熱系數(shù)和水一側(cè)的壁溫。開眼界：列管式換熱器的熱補(bǔ)償

熱補(bǔ)償?shù)姆绞剑号蛎浌?jié)式的固定管板式、浮頭式、U型管式。膨脹節(jié)式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖U型管換熱器結(jié)構(gòu)示意圖U型管照片1.帶有膨脹節(jié)式的固定管板式如圖3-12，這種換熱器的兩端管板與殼體制成一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。它是在外殼的適當(dāng)部位上焊接一個(gè)補(bǔ)償圈，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形（壓縮或拉伸），以適應(yīng)殼體和管束不同的熱膨脹程度。這種熱補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，適應(yīng)于冷、熱流體溫差大于50℃時(shí)（應(yīng)不大于70℃）并且殼程流體的壓強(qiáng)不大于600kPa的場(chǎng)合。圖3-12補(bǔ)償圈式列管換熱器2.U型管式換熱器如圖3-13，這種熱補(bǔ)償方法是將每根管子彎曲成U形，管子兩端固定在同一管板上，因此受熱時(shí)每根管子可自由伸縮，與其它管子及殼體無關(guān)。適用在高溫高壓的場(chǎng)合。但清洗困難。圖3-13U形管換熱器

3.浮頭式換熱器如圖3-14，其一端管板與外殼固定連接，另一端管板不與管板連接，可以與管束一起自由移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)不僅可以消除熱應(yīng)力，而且整個(gè)管束可以從殼體中抽出，便于管內(nèi)、外清洗和檢修。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。但應(yīng)用十分廣泛。圖3-14浮頭式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖任務(wù)8：學(xué)習(xí)傳熱過程的強(qiáng)化方法想一想：家用的暖氣設(shè)備，外部結(jié)構(gòu)逐步改觀，舊式的表面光滑，體積龐大但散熱效果不好；改觀后的外部有翅片，復(fù)雜多樣，即便體積小，但散熱效果好。這是為什么呢？1.理論引導(dǎo)所謂強(qiáng)化傳熱過程，就是力求用較少的傳熱面積或較小體積的傳熱設(shè)備來完成同樣的傳熱任務(wù)，以提高經(jīng)濟(jì)性。由傳熱速率方程式Q=KAΔtm可以知道，增大傳熱面積A、傳熱平均溫度差Δtm、傳熱系數(shù)K，都可以使傳熱速率提高。2．具體措施：（1）增大傳熱面積A增大傳熱面積不是單靠加大設(shè)備尺寸來實(shí)現(xiàn)，而是改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)，使單位體積的設(shè)備提供較大的傳熱面積。例如，用螺紋管或翅片管代替光滑管、將板式換熱器的板面壓制成凸凹不平的波紋，增加表面粗糙度，可顯著提高傳熱效果。圖3-15，是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的幾種表面粗糙的換熱管和換熱板，這些結(jié)構(gòu)都有利于傳熱。

（a）內(nèi)、外部帶有翅片的換熱管

（b）面帶溝槽的傳熱管（c）面帶溝槽的傳熱管（d）帶有波紋的換熱板

3-15表面粗糙的換熱管和換熱板

（2）增大總傳熱系數(shù)

要提高K,應(yīng)盡可能提高每一項(xiàng)傳熱性能，具體方法有以下幾種：