传热学及其在工业上的应用

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摘要： 讲述了传热学的三种基本方式及各自特点。 摘要 本文首先从传热学的基本概念出发， 传热学的普适性不仅表现为在能源动力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品、 轻工、纺织、医药等传统工业部门中，而且传热学的理论和技术在生产、科学研究等领域也 得到了广泛的应用。 传热学理论的应用解决了决定这些部门生产过程的热工艺技术， 对一些 关键技术的解决起了重要的甚至是决定性的作用。 关键词：传热，热采技术，传热技术 关键词 首先我们来对传热学作一个概念上的了解。 热量在温度差作用下从一个物体传递至另外一个物体， 或者在同一物体的各个部分之间 进行传递的过程称为传热。 将传热进行分类的一个基本原则是按照热量传递的不同机理， 即热量以何种方式或何种 运动形式进行传递。经过大量归纳总结，人们发现按传热的不同机理，可将传热划分成三种 基本方式：热传导、热对流和热辐射。 当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时， 在物体各部分之间不发生相对位移的 情况下，物质微粒（分子、 原子或自由电子）的热运动传递了热量， 这种现象被称为热传导， 简称导热。 流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫热对流。流体 各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；而由于机械（泵或风机等）的作用 或其它压差而引起的相对运动称为强迫对流（或受迫对流） 。 物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能。由于热的原 【 】 因，物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程称为热辐射 1 。 实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传 导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把 三种传热方式分解开来，然后再加以综合。 热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的 一些定律去补充热力学分析， 因后裔只讨论在平衡状态下的系统． 这些附加的定律是以三种 基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。传热学是研究不同温度的物体，或同一物 体的不同部分之间热量传递规律的学科。 传热不仅是常见的自然现象， 而且广泛存在于工程 技术领域。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴 的热应力、 确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等， 都是典型的传热问题

    【 2】

    。

    在化学和石油化学工业领域内，使用着大量各式各样的传热和传质设备。从一定意义上 说，该领域是换热设备门类最齐全、形式最多的一个行业。许多化工工艺流程中都包含各种 加热器和冷却塔，还有一些化学反应本身就是生热或吸热过程。在稠油的“热采”，原油的 炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油 自身物理性质的关系， 它的对流换热表面传热系数往往比较低， 所以强化油侧的对流换热具 有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分 多而复杂， 一般都在三四种以上； (2)常常与传质过程结合在一起； (3)经常涉及多相流(汽液、 气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体。热力采油技术主要用于稠油油藏的开发。热

    力采油的主要方法是向油层注入高温蒸汽，此外还有热水驱、火烧油层等。注蒸汽开采稠油 有两种方法。第一种方法是蒸汽吞吐，先向生产井注入一定量的蒸汽，然后关井数日，焖井 后开井排液生产。第二种是蒸汽驱，它与水驱类似，只不过驱替流体是蒸汽，其采收率较高

。 热传递现象无时无处不在，它的影响几乎遍及现代所有的工业部门，也渗透到农业、林

    业等许多技术部门中。可以说除了极个别的情况以外，很难发现一个行业、部门或者工业过 程和传热完全没有任何关系。不仅传统工业领域，像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建 材、机械以及食品、轻工、 纺织、 医药等要用到许多传热学的有关知识， 而且诸如航空航天、 核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域 也都在不同程度上有赖于应用传热研究的最新成果，并涌现出像相变与多相流传热、(超)低 温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。在某些环节上，传热技术及相关材料 设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素 4 。 热力设备、热机及其组成的热力系统是热能生产和利用的主要环节 ,这些环节的优劣直 接影响能源的利用效率。传热学在节能中的应用十分广泛并起着重要作用。 一、强化传热技术 强化传热技术是六十年代发展起来的一种先进技术。 强化传热器件是一种节能的高效传 热器件。换热器的传热量可表示为： Q=KF△t 当传热量 Q 一定时，对于一定的传热温差△t，提高传热系数 K，则可收到减少换热面 积 F 的效果。强化传热技术是利用各种型式的翅片管多孔表面管 、表面粗糙化管 、螺旋 槽管 、管内插件等换热器件或在流动介质中附加电场、磁场 、超声波、机械振动、添加剂 等辅助设施， 促使流过换热器件的介质产生湍流减薄边界热阻强化换热面的作用， 从而达到 有效传递热量的目的。 二、相变传热技术 利用蒸气循环的发电系统，有 60%的热能不断排放，电站冷却用水数量庞大。这不仅 造成了能源的浪费， 而且给缺水地区及矿口的电力生产带来很大困难。 直接空冷电站不适应 机组向大容量的发展水循环间接空冷电站热效率较低， 这就限制了空冷电站的发展。 相变传 热技术的发展为间接空冷电站提供了节约用水、回收废热、提高效率、降低电力生产成本的 氨循环相变冷却系统。这种电站冷却系统，利用廉价的氨作为冷却介质，在蒸气冷凝器再沸 器中氨吸收汽机排汽的潜热沸腾相变， 饱和氨汽经输汽管进人空冷塔在空气冷凝器管内凝结 并排放电站废热，最后由回农管返回蒸气冷凝器 再沸器完成相变循环。这种冷却系统，传 热在等温状态下进行，由于蒸气在较低的温度下凝结，因而大大提高了蒸气的循环效率。 三 、高温传热技术 目前，一种先进的工业沪设计是利用多孔板吸收高温工作气体的焓，并发射辐射热能 从而达到回收余热、 节约能原的目的。 这种能量转换形式和高温传热技术适用于冶金、 陶瓷、 玻璃工业等高温传热装置中。燃耗可降低 60%。在这种系统中，由于多孔板的“表面加热” 作用，所以炉膛体积大大减小，工件得到均匀加热，排烟温度大幅度降低。 四、 直接换热技术 利用熔盐微粒相变的潜热储存和释放能量直接接触换热则是一种能量传递的新形式、 节约能源的新技术。盐粒和气体反向流动的直接接触换热包括两个过程：一是储存废热；二 是利用废热。如钢铁厂、玻璃厂、水泥厂或流态化床燃烧的高温气体通过直接接触式热交换 器把热量传递给盐的固态微粒， 盐粒吸收潜热而熔化并把这部分热能储存起来。 熔盐液滴再 通过直接接触式热交换器把储存的能量释放给与它接触的低温气体， 低温气体被加热后就可 加以利用。

    【 】

    五 、高温部件冷却技术 燃气轮机进口温度是影响发动机性能的一个重要循环参数。一台推力为 3500 公斤的喷 气发动机，将涡轮进口温度从 1200 ℃提高到 1350℃,其推重比就可提高 15%，耗油率降低 8%。提高涡轮进口温度依靠发展耐高温材料、耐高温涂层技术和发展冷却技术两方面的努 力来实现。研究和发展冷却技术所用的成本仅是研究和发展耐高温合金材料的 1/4，而使涡 轮进口温度的提高却为改进合金材料的两倍。 利用高温涡轮叶片外部气膜保护性冷却、 内部 撞击冷却、 加肋或扰流柱的强化对流冷却以及上述形式的复合冷却， 是一种有效的高温涡轮 【 5】 。 传热学与生产实践联系十分紧密， 在国际上它是一门非常活跃的技术基础学科， 每年都 会召开各种专题学术会议， 在国内似乎未得到足够重视。 传热学应该在发展节能技术和开发 新能源发挥重要作用。

    注： 【M】高等教育出版社，第二版 1998 P2-4 【1】摘自戴锅生 《传热学》 】 【2】摘自杨世铭 陶文铨 《传热学》【M】高等教育出版社，第三版 1998 【3】摘自陈炯 中国矿业报/2004 年/08 月/05 日/《应用热采技术开发稀油油藏.》叶片冷却 技术【N】 【4】摘自赵镇南《传热学》【M】高等教育出版社，2002 年 7 月 PP7-10 【5】摘自神家锐 葛绍岩《传热学在能源节约中的应用》中国科学院工程热物理研究所

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