理论教育 热量传递的过程分析与优化

热量传递的过程分析与优化

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:只要存在着温差,热量就会自发地由高温物体传向低温物体,因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。大至单机功率为1300 MW的汽轮发电机组,小至微电子器件的冷却,都与传热过程密切相关。在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。工业上有许多以热传导为主的热量传递过程,如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。其中最常见的是传热过程,即热量由壁面一侧的热流体通过壁面传给另一侧的冷流体。

热量传递的过程分析与优化

只要存在着温差,热量就会自发地由高温物体传向低温物体,因此热传递过程是自然界中基本的物理过程之一。它广泛见诸动力、化工冶金航天、空调、制冷、机械、轻纺、建筑等部门。大至单机功率为1300 MW的汽轮发电机组,小至微电子器件的冷却,都与传热过程密切相关。

热传递过程可以分为热传导、对流和辐射等三种基本方式,它们有不同的传热规律。热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分,或由高温系统传到低温系统的方式叫做热传导。热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中,热传导过程往往和对流同时发生。

各种物质的热传导性能不同,一般金属都是热的良导体,玻璃、木材、棉毛制品、羽毛、毛皮以及液体和气体都是热的不良导体,石棉的热传导性能极差,常作为绝热材料。

一切物体,不论其内部有无质点间的相对运动,只要存在温差,就有热传导。工业上有许多以热传导为主的热量传递过程,如橡胶制品的加热硫化、钢锻件的热处理等。在窑炉、传热设备和热绝缘的设计计算及催化剂颗粒的温度分布分析中,热传导规律都占有重要地位。在高温高压设备(如氨合成塔及大型乙烯装置中的废热锅炉等)的设计中,也需用热传导规律来计算设备各传热间壁内的温度分布,以便进行热应力分析。

靠气体或液体的流动来传递热量的方式叫做对流。它实际上也是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式,气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流通常是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由外界的泵或风机驱动的。(www.daowen.com)

工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时,流体与物体表面间的热传递过程,称之为对流换热。工程上也会常遇到液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流换热问题,分别简称为沸腾传热和凝结传热。

物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领,这种现象称为热辐射。热辐射也是热量传递的一种主要方式。但它和热传导、对流不同。它能不依靠介质把热量直接从一个系统传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量,温度越高,辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变,如温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,在500℃以至更高的温度下,则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式,如太阳的热量就是以热辐射的形式,经过宇宙空间再传给地球的。

实际遇到的传热问题常常是几种传热方式同时起作用。其中最常见的是传热过程,即热量由壁面一侧的热流体通过壁面传给另一侧的冷流体。

实现热量由冷流体传给热流体的设备称为换热器。它是许多工业部门广泛应用的一种通用设备。由于换热器在工业部门中的重要性,从节能的角度出发,为了进一步减小换热器的体积,减轻质量和金属消耗,减少换热器为输送流体所消耗的功率,并使换热器能够在较低温差下工作,必须用各种办法来增强换热器内的传热。因此最近十几年来,强化传热技术受到了工业界的广泛重视,得到了十分迅速的发展,并且取得了显著的经济效果。如美国通用油品公司将该公司电厂汽轮机冷凝器中采用的普通铜管用单头螺旋槽管代替,由于螺旋槽管强化传热的效果,冷凝器的管子长度减少了44%,数目减少了15%,质量减轻了27%,总传热面积节约30%,投资节省了10万美元。又如用华中科技大学研制的TZ型椭圆矩形翅片管代替圆形翅片管制作的空冷器,其传热系数可以提高30%,而空气侧的流动阻力可以降低50%。这种空冷器已在我国石化行业和火电厂得到广泛应用,取得了明显的经济效益。

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