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傳熱
在蒸汽加熱系統(tǒng)中，產(chǎn)生和輸送蒸汽的唯一目的是在制程的換熱器表面提供熱量。如果知道了需要輸入的熱量和蒸汽的壓力，則可以確定所需的蒸汽量，這樣就可以確定鍋爐和蒸汽輸送系統(tǒng)的大小。
傳熱的模式
無(wú)論是在一種介質(zhì)或不同介質(zhì)之間，只要存在溫度梯度，傳熱就會(huì)發(fā)生。熱量傳遞的方式可以是導(dǎo)熱、對(duì)流或輻射。
導(dǎo)熱
當(dāng)固體或靜止的流體介質(zhì)中有溫度梯度存在，熱量就會(huì)以傳導(dǎo)的方式傳遞。當(dāng)流體中相臨的分子碰撞時(shí)，熱量從能量較高的分子傳向較低的分子。高溫總是伴隨高的分子能量，導(dǎo)熱的方向是溫度下降的方向。
液體和氣體中都會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。在液體中因?yàn)榉肿又g更加靠近，分子間的相互作用更加強(qiáng)烈和頻繁。在固體中，導(dǎo)熱是由晶格振動(dòng)形式的原子活動(dòng)引起。
用于描述導(dǎo)熱的傳熱公式稱為傅立葉定律。這是一種在穩(wěn)定狀態(tài)下線性溫度分布，對(duì)于一維平板壁面，它表示為:
例2.5.1
對(duì)于一塊鐵板，鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為70 W/(m·℃)
度為1500C，另一側(cè)為800C
鐵板的厚度為25mm，面積為0.3m乘0.5m，一側(cè)的溫
傳熱量為:傳熱量=70W/(m·0C)x(0.3x0.5)m2x (150一80)℃
0.025m
傳熱量=29400W(29.4kW)
導(dǎo)熱能力是平板材質(zhì)的特性，它和溫度有關(guān)系。表2.5.1表示各種常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變
根據(jù)熱量傳導(dǎo)的機(jī)理，一般固體的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)大于液體的導(dǎo)熱系數(shù)，液體的導(dǎo)熱系數(shù)要大于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)�？諝獾膶�(dǎo)熱系數(shù)特別低，這就是為什么很多隔熱材料都含有大量空氣空間。
對(duì)流
不同的溫度下的換熱表面和流體之間的熱量傳遞稱為對(duì)流。其機(jī)理實(shí)際上是一種分子擴(kuò)散和規(guī)模運(yùn)動(dòng)組合。
在表面附近流體流速低，擴(kuò)散(分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng))占主導(dǎo)。但離開(kāi)表面，分子規(guī)模運(yùn)動(dòng)的影響增加。對(duì)流傳熱有強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流兩種方式。強(qiáng)制對(duì)流出現(xiàn)在流體的流動(dòng)由外部力量驅(qū)動(dòng)，如泵或攪拌器。相反自然對(duì)流是由于流體中溫度的變化導(dǎo)致密度的不同而產(chǎn)生的浮力引起。
由于物體的相變，如蒸發(fā)或冷凝而引起的熱量傳遞也歸為對(duì)流傳熱模式。
例2.5.2
考慮一個(gè)換熱面，面積為。.4m乘。.9m，溫度為200C 0
流過(guò)表面的流體的主體溫度為500C0
對(duì)流傳熱系數(shù)(h)為1600W/(m2·℃)。
確定傳熱量:
傳熱量=1600W/(m2·0C) x (0.4 x 0.9)m2 x (50-20)0C
傳熱量=17280W(17.28kW)
輻射
物質(zhì)從表面以電磁波的形式發(fā)射熱量的傳遞方式稱為輻射。由于沒(méi)有中間介質(zhì)存在，這是兩個(gè)不同溫度表面的凈熱量傳遞。這種形式的熱量傳遞不依靠中間介質(zhì)，實(shí)際上在真空狀態(tài)下效率*佳。
總傳熱方程
在大多數(shù)實(shí)際情況下，熱量只通過(guò)一種方式傳遞的情況很少存在。總的傳熱過(guò)程通常是兩種或多種傳熱方式的結(jié)合。
總的傳熱系數(shù)(U)
總的傳熱系數(shù)考慮了被換熱面隔開(kāi)了的兩種流體之間的導(dǎo)熱和對(duì)流。總的傳熱系數(shù)是總的傳熱熱阻的倒數(shù)一總的傳熱熱阻是各分項(xiàng)傳熱熱阻之和。
總的傳熱系數(shù)還需要考慮換熱過(guò)程的結(jié)垢程度，在換熱表面水膜和污垢的積聚將大大降低傳熱效果。
結(jié)垢因素表示了由于流體的不純凈、鐵銹的形成或流體和換熱面發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生的附加熱阻。
各個(gè)系數(shù)的大小取決于換熱過(guò)程的特點(diǎn)、流體的物理性質(zhì)、流率和換熱表面的物理布置等因素。
因?yàn)樵趽Q熱面積確定之前其物理布置無(wú)法確定，因此換熱器的設(shè)計(jì)通常采用交替迭代的過(guò)程。這種過(guò)程的起點(diǎn)通常對(duì)典型的換熱器選擇一個(gè)常用的總傳熱系數(shù)。
精確計(jì)算各個(gè)傳熱系數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在很多情況下由于一些參數(shù)無(wú)法知曉而不能進(jìn)行，因此從實(shí)際考慮看，選擇一個(gè)合適的總傳熱系數(shù)是一種可行的方法。
溫差A(yù)丁
牛頓冷卻定律表示傳熱量和冷熱流體之間的瞬時(shí)溫度差有關(guān)。在傳熱過(guò)程中，溫度差隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化�？偟膫鳠峁绞桥ｎD冷卻定律的延伸，平均溫度差用來(lái)確定對(duì)于給定的熱負(fù)荷所需要的換熱面積。
平均溫差A(yù)丁M
平均溫差的定義在不同的流動(dòng)形式過(guò)程中而不同，例如在換熱器中它取決于流動(dòng)的方向。一次側(cè)和二次側(cè)流體的流向可能是同向(平行流//lll}流)、相反方向(逆流)或垂直(交叉流)。因?yàn)閭鳠岬臒崃恐皇窍嘧兊慕Y(jié)果，當(dāng)蒸汽作為一次側(cè)加熱介質(zhì)時(shí)，溫度可以認(rèn)為是恒定的，溫度的分布不再取決于流向。
但是，二次側(cè)流體流過(guò)換熱面時(shí)，*高的傳熱率出現(xiàn)在進(jìn)口，然后沿著流程不斷下降，在出口處*低，這是因?yàn)殡S著二次側(cè)流體溫度的上升蒸汽和二次側(cè)流體之間的溫度差不斷減小。典型的蒸汽和二次側(cè)流體的溫度分布
二次側(cè)的溫度上升是非線性的，對(duì)數(shù)形式能*好表達(dá)該分布。因此平均溫差采用對(duì)數(shù)平均溫差或
LMTD或t'TLM o
一種簡(jiǎn)單但不太精確的計(jì)算平均溫差的方法是使用算術(shù)平均溫差或AM丁D或4丁AM�？紤]二次側(cè)流體的溫度呈線性分布，可以快速手工計(jì)算。用公式2.5.3計(jì)算的平均溫差可以得到比較滿意的近似值。算術(shù)平均溫差的分布
公式2.5.4和2.5.5都假定比熱或總傳熱系數(shù)沒(méi)有變化，也沒(méi)有熱量損失�，F(xiàn)實(shí)情況是，隨溫度的變化比熱有所變化。由于流體特性和流動(dòng)工況的變化，總的傳熱系數(shù)也有所變化。但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種變化可以忽略不計(jì)，使用平均值能得到很好的結(jié)果。
在很多情況下，換熱設(shè)備有保溫措施，但不可能達(dá)到100%的保溫效果，因此在蒸汽和二次側(cè)流體發(fā)生的熱量傳遞不是蒸汽損失能量的全部。
例2.5.3
使用2 bar g的蒸汽將水從20℃加熱到500C0 2 bar g下飽和蒸汽的溫度為1340C .
因?yàn)楹蛢煞N流體的溫差相比，二次側(cè)流體的溫度上升很大，兩種計(jì)算方法得到結(jié)果的差別很大。
使用算術(shù)平均而不使用對(duì)數(shù)平均，得到的換熱面積比需要的小15%0
傳熱的熱阻
在傳熱過(guò)程中金屬墻不是唯一的熱阻。在蒸汽側(cè)可能有一層空氣膜、冷凝水膜和污垢層。
可能有粘在換熱面上的產(chǎn)品層或污垢層以及遲滯不流動(dòng)的產(chǎn)品層。
對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行攪動(dòng)可能消除遲滯層的影響，經(jīng)常清洗產(chǎn)品側(cè)可以減少污垢層。
雖然如果能經(jīng)常清洗蒸汽側(cè)表面可以減少污垢層厚度而提高傳熱率，但并非總是可能的。
重視鍋爐的正確，同時(shí)將蒸汽中攜帶雜質(zhì)的水分去除，可以大大降低污垢層的影響。
在產(chǎn)品側(cè).
膜狀凝結(jié)
冷凝水膜的消除并非如想像那么簡(jiǎn)單。蒸汽冷凝釋放出蒸發(fā)燴，水滴在換熱器的表面形成，這些水滴結(jié)合在一起形成連續(xù)的冷凝水膜。冷凝水膜的熱阻是不銹鋼換熱面的100150倍，是銅的500600倍。
滴狀凝結(jié)
如果換熱器表面的水滴沒(méi)有馬上合并就會(huì)形成非連續(xù)的冷凝水膜，就會(huì)產(chǎn)生“滴狀凝結(jié)”。在滴狀凝結(jié)狀態(tài)下達(dá)到的傳熱率要遠(yuǎn)高于膜狀凝結(jié)狀態(tài)下的傳熱率。
如果換熱器表面大部分處于滴狀凝結(jié)，那么傳熱系數(shù)比處于膜狀凝結(jié)大10倍。如果換熱器能設(shè)計(jì)成處于滴狀凝結(jié)，那么它產(chǎn)生的熱阻和其它熱阻相比可以忽略不計(jì)。但是維持滴狀凝結(jié)狀態(tài)是很難達(dá)到的。
如果換熱器表面涂有防濕的材料，換熱器有可能在一段時(shí)間內(nèi)維持滴狀凝結(jié)。為了形成滴狀凝結(jié)，很多換熱器表面涂有機(jī)硅樹(shù)脂、聚四氟乙烯、蠟和脂肪酸類涂層。但由于諸如氧化、結(jié)垢等原因，這些涂層將逐漸失去功效，*終膜狀凝結(jié)將占主導(dǎo)。
因?yàn)榭諝馐橇己玫慕^熱體，它提供了更大的傳熱熱阻。空氣的傳熱熱阻是鋼的15003000倍，是銅的8000 16000倍，這表示0.025 mm厚的空氣層相當(dāng)于400 mm厚銅壁產(chǎn)生的熱阻。當(dāng)然這些相對(duì)關(guān)系取決于每一層的溫度分布。
圖2.5.4表示了各傳熱熱阻層對(duì)傳熱過(guò)程總的影響。這些傳熱熱阻不僅增加了整個(gè)導(dǎo)熱層的厚度，同時(shí)也大大降低了各層的平均導(dǎo)熱系數(shù)。
熱阻越大，溫度梯度越大，這表示為了達(dá)到同樣的產(chǎn)品溫度，需要更高的蒸汽壓力。
在制程和空間加熱應(yīng)用中，換熱器表面空氣膜和冷凝水膜普遍存在，實(shí)際上在所有的蒸汽加熱設(shè)備中都有不同程度的存在。為了達(dá)到理想的產(chǎn)品輸出和*小費(fèi)用，減少冷凝表面的各膜層厚度以維持高的傳熱性能是一種有效的方法。事實(shí)上，空氣對(duì)傳熱效率的影響*大，如果能從供給的蒸汽中排除空氣能大大提
高加熱性能。
和傳熱*有關(guān)的5個(gè)術(shù)語(yǔ)為:
1.熱流量Q (W)
2.導(dǎo)熱系數(shù)k (W/(m·℃))
3.熱阻系數(shù)r ((m·}C )/W )
4.熱阻R ((m2·}C)/W)
5.傳熱系數(shù)U (W/(m2·℃))
接下來(lái)的本章節(jié)內(nèi)容對(duì)它們及其之間的相互關(guān)系作闡述。
計(jì)算通過(guò)平板的傳熱量傳統(tǒng)上使用總傳熱系數(shù)“U"，或更正確的是使用平板兩側(cè)流體間的總傳熱系數(shù)。"U”值的變化范圍很大，它跟材料和流體有關(guān)，受經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和操作經(jīng)驗(yàn)影響。前面提到的冷凝水膜、空氣層、污垢層和金屬壁另一側(cè)的產(chǎn)品對(duì)總傳熱系數(shù)均有很大影響，因?yàn)檫@樣，我們首先考慮通過(guò)單層平板的傳熱，然后再考慮多層平板的情況。
通過(guò)單層平板的傳熱
我們可以從*簡(jiǎn)單的例子開(kāi)始，一面金屬墻，熱力性質(zhì)均勻，并具有特定的表面溫度。
通過(guò)多層障礙物的熱流
如圖2.5.4所示，換熱器的管子或板片為蒸汽加熱水的金屬壁，同樣存在其它不同的障礙物諸如空氣膜、冷凝水膜、污垢層以及水側(cè)和換熱面相臨的遲滯的水層來(lái)阻礙熱量的傳遞。這些膜層類似污垢層阻礙熱量傳遞，換熱器設(shè)計(jì)者采用“污垢系數(shù)”考慮其對(duì)換熱的影響。所有這些膜層，附著在金屬壁的熱阻上，組成熱流的阻力，如電流的電阻，這些熱阻形成總熱阻。
導(dǎo)熱系數(shù)的大小取決于膜層的材料(和溫度)。例如，空氣的熱阻是水的熱阻30倍�；谶@個(gè)原因，在蒸汽達(dá)到用汽點(diǎn)前除去空氣比除去蒸汽中的水分更加重要。當(dāng)然，與此同時(shí)去除蒸汽中的水分也很重要。
空氣的熱阻大約是鋼的熱阻2000倍，是銅的熱阻20000倍。因?yàn)榭諝夂退臒嶙枰h(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼和銅的熱阻，因此對(duì)于傳熱的總熱阻來(lái)說(shuō)即使很薄的空氣膜和水膜影響也很大。
如果空氣膜和水膜存在，將傳熱系統(tǒng)的材料由鋼改成銅作用不大，例2.5.5顯示材料的改變所帶來(lái)的性能改進(jìn)效果微乎其微。通過(guò)良好的工程實(shí)踐，例如在控制閥的進(jìn)口蒸汽供給管道上安裝汽水分離器和浮球疏水閥組可以消除空氣膜層和水膜層，同時(shí)安裝過(guò)濾器可以減少污垢層的厚度。
處理產(chǎn)品側(cè)的污垢層有點(diǎn)困難，但定期清洗換熱器有時(shí)是一種解決方法。另外一種減少結(jié)垢的方法是讓換熱器運(yùn)行于低壓工況，這樣可以降低蒸汽溫度，減少產(chǎn)品中的結(jié)垢現(xiàn)象，這種方法特別適用于產(chǎn)品介質(zhì)是溶液的情況，如牛奶。
例2.5.5
考慮一個(gè)汽水換熱器蒸汽側(cè)空氣膜、冷凝水膜、污垢層為0.2 m m厚，在水側(cè)水膜和污垢層分別為0.05mm和0.1 m m。換熱面鋼板的厚度為6 mm.
可以看到和鋼相比，銅的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)大于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，但因?yàn)榭諝夂推渌Y(jié)垢因素對(duì)傳熱的影響占主導(dǎo)作用，所以改用銅以后對(duì)總傳熱系數(shù)的影響很小。
請(qǐng)注意在實(shí)際應(yīng)用中其它因素也影響總的U值，如通過(guò)換熱器管束或平板的蒸汽和水的流速以及對(duì)流和輻射換熱的綜合影響。
同樣，安裝了汽水分離器和過(guò)濾器后也不可能完全消除蒸汽側(cè)空氣、冷凝水和污垢。以上計(jì)算只是突出這些因素對(duì)傳熱的影響。但是，任何消除這些障礙的措施都會(huì)有很大的效果，只要采取了這些措施，蒸汽設(shè)備的換熱效果會(huì)立刻提高。
不需要計(jì)算各個(gè)單獨(dú)的熱阻，已有的表格列出了各種不同型式換熱器總的傳熱系數(shù)U值，例如加熱水或油的蒸汽加熱盤管，這將在2.10中介紹。
換熱器U值受很多因素的影響，例如設(shè)計(jì)(管殼式或板架式)、結(jié)構(gòu)材料和流體介質(zhì)，因此變化很大。 以上內(nèi)容由彪維公司（www.bilwe.com）編寫，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明文章出處。 |
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