一、 傳熱過程機(jī)理分析
根據(jù)傳熱的機(jī)理的不同,熱量傳遞有3種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。傳熱可依靠其中一種或幾種方式進(jìn)行。不管以何種方式傳熱,熱量自發(fā)傳遞的方向總是由高溫處向低溫處傳遞的。???
熱傳導(dǎo)又稱為導(dǎo)熱,是由于物質(zhì)的分子、原子或電子的熱運(yùn)動或振動,使熱量從物體的高溫部分向低溫部分傳遞的過程。任何緊密接觸的物體,不論其內(nèi)部有無質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動,只要存在溫度差,就必然發(fā)生熱傳導(dǎo)??梢姛醾鲗?dǎo)不但發(fā)生在固體中,而且也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。氣體、液體、固體的熱傳導(dǎo)不但發(fā)生在固體中,而且也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。氣體、液體、固體的熱傳導(dǎo)進(jìn)行的機(jī)理各不相同。在氣體中,熱傳導(dǎo)是由不規(guī)則的分子熱運(yùn)動引起的;在大部分液體和不良導(dǎo)體的固體中,熱傳導(dǎo)是由分子或晶格的振動傳遞動量來實現(xiàn)的。因此,良好的導(dǎo)電體也是良好的導(dǎo)熱體。熱傳導(dǎo)不能在真空中進(jìn)行。
熱對流是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對運(yùn)動而引起的熱量傳遞。熱對流僅發(fā)生在流體中。由于引起流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動的原因不同,對流又可分為強(qiáng)制對流和自然對流。由于外力(泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等作用)而引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動,稱為強(qiáng)制對流;由于流體內(nèi)部各部分溫度的不同而產(chǎn)生密度的差異,使流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對運(yùn)動,稱為自然對流。在流體發(fā)生強(qiáng)制對流時,往往伴隨著自然對流。但一般強(qiáng)制對流的強(qiáng)度比自然對流強(qiáng)度大得多。
流體中發(fā)生對流傳熱時,導(dǎo)熱是不能避免的,通常把流體與固體壁面間的熱量傳遞稱之為對流傳熱(或給熱)。
因熱的原因物體發(fā)出輻射能的過程,稱為熱輻射。它是一種通過電磁波傳遞能量的方法。具體地說,物體將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能,以電磁波的形式在空氣中進(jìn)行傳送,當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時,即被其部分或全部吸收,并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果??芍?,輻射傳熱不僅是能量傳遞,同時還伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。熱輻射不需要任何媒介,換言之,可以在真空中傳播,這是熱輻射不同于其他傳熱方式的另一特點(diǎn)。應(yīng)予指出,只有物體溫度較高時,輻射傳熱才能成為主要的傳熱方式。
實際上,傳熱過程往往不是以某種傳熱方式單獨(dú)出現(xiàn),而是以兩種或三種傳熱方式的組合。例如生產(chǎn)中普遍使用的間壁式換熱器中的傳熱,主要是以熱對流和熱傳導(dǎo)相結(jié)合的方式進(jìn)行的。下面將結(jié)合實際生產(chǎn)情況對傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱分別介紹。
化工生產(chǎn)中的熱交換通常發(fā)生在兩流體之間。在換熱過程中,溫度較高放出熱量的流體稱為熱流體,溫度較低吸收熱量的流體稱為冷流體。同時,根據(jù)換熱目的的不同,熱流體(或冷流體)又有其他的名稱。若換熱的目的是為了將冷流體加熱,此時熱流體稱為加熱劑,常見的加熱劑有水蒸氣(一般也稱為加熱蒸汽)等;若換熱的目的是為了將熱流體冷卻(或冷凝),此時冷流體稱為冷卻劑(或冷凝劑),常見的冷卻劑(或冷凝劑)有冷水、冷凍鹽水和空氣等。