传热系数

  由固体器壁隔开的热、冷流体在温度相差为一度时,单位时间内通过单位器壁面积的传热量,又称总传热系数,用K表示。它是传热学中度量传热过程有效程度的主要指标。其数学定义式为,式中为单位时间内流过传热面的热量即热流量;A为传热面积;ΔTm为热、冷流体的对数平均温度差。  传热系数K是表示换热设备性能的极为重要的参数,是进行传热计算的依据。K的大小取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等,K值通常可以由实验测定,或取生产实际的经验数据,也可以通过分析计算求得。  机械工程中遇到的传热过程常常是热传导、对流换热和辐射换热三者的综合,而在应用最多的表面式换热器(又称间壁式换热器)中温度不太高,辐射换热的作用不大,所以分析时主要考虑热传导和对流换热的综合过程。  传热过程中热流体通过对流换热向高温侧壁面传热:                                   这一热量又通过固体壁导热传递给低温侧壁面,最后以对流换热方式由冷流体把热量从低温侧壁面带走。因此,传热过程通常都可简化成串联的3个基本环节:对流换热—导热—对流换热。3个串联环节的分热阻之和组成传热过程的总热阻。因此,传热系数K可表示为:                              式中k1、 k2分别表示热、冷流体与其相接触壁面间的对流传热系数(需要时,其中包括辐射换热的相应折算值);δ、κ分别为器壁的厚度和热导率。分母中的 3个分数代表3个串联环节的分热阻。因此,传热系数不仅与器壁的材料性能和厚度有关,还与器壁两侧的对流换热(有时还有辐射换热)过程有关,而且在多数情况下,导热分热阻要比对流换热分热阻小得多,因而对流换热在整个换热过程中起着主要作用。  常见传热系数的数值范围:                              换热操作中热量通量 q与传热推动力(温度差Δt)的比例系数,即: K=q/Δt它在数值上等于在单位温度差推动下于单位时间内经单位传热面所传递的热量,它与传热面积乘积的倒数为传热过程的总热阻。  对于通过平壁的传热,K可表述为:                                  式中 α1和 α2分别为壁面两侧的传热分系数;λ和δ分别为间壁的热导率和厚度;R1和R2分别为表征壁面两侧的垢层热阻的系数。  当传热过程的温度差一定时,传热系数越大,则换热器的传热速率越高。虽然减小任何一项热阻都可提高传热系数,但当某项热阻远高于其他项时,传热系数将主要取决于此控制项的热阻。壁面热阻通常很小,可忽略不计。垢层可产生相当大的热阻,因之换热器的传热面需定期清洗。换热器设计时,控制项的热阻需准确地确定。在考虑强化传热过程时,首先设法减少控制项的热阻。  传热系数的大小与冷热流体的性质、换热的操作条件(如流速、温度等)、传热面的结垢状况以及换热器的结构和尺寸等许多因素有关。对流传热十分复杂,垢层热阻又难以确定,因此传热系数的计算值与实际值往往相差较大。在设计换热器时,最好有实测值或生产中积累的经验数据作为参考。