化工原理课件第四章传热及传热设备

化工原理 第四章传热及传热设备 第一节概述 一 传热在化工生产中的应用在物体内部或者物系间 只要存在温度差 就会自动发生从高温处向低温处的热量传递 温度差就是传热过程的推动力 在化学工业生产中传热应用极为广泛 传热过程所涉及的主要问题有三类 1 物料的加热与冷却 例如化工生产中的许多单元操作如蒸发 干燥 蒸馏等操作过程中 都需要供给一定热量 一般的化学反应也都伴随着热量的传递 而且都要求将温度控制在一定范围内 因此需要不断地输入和输出热量 2 热量与冷量的回收利用 在能源短缺的今天 热量与冷量都是能量 有效回收利用热量与冷量以节约能源是非常重要的 也是降低生产成本的重要措施之一 例如利用锅炉排出的烟道气的废热 预热燃料燃烧所需要的空气等 3 设备与管路的保温 有许多设备与管路是在特定高温或低温下操作 为了减少热量与冷量的损失 总是在设备与管路的表面包上绝热材料的保温层 以尽量避免传热 由此可见 传热是化工生产中必不可少的基本操作 能量的充分利用是化工生产 尤其是大型生产中极为重要的课题 第一节概述 二 传热的基本方式热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的 热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动 温度差越大 热能的传递越快 温度趋向一致 就停止传热 所以传热过程的推动力是温度差 根据传热机理的不同 热量传递的基本方式有三种 即热传导 热对流和热辐射 1 热传导 又称传导传热 简称导热 即在同一物体内或连接紧密的不同物体间 热量会自动地从高温向低温传递的方式 本质上它是依靠物体内分子的热振动和自由电子的运动而进行热能的传递 在热传导中物体中的分子不发生相对位移 如铁棒的传热等 固体 液体和气体都能以这种方式传热 2 热对流 又称对流传热 是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程 热对流可分为自然对流和强制对流 强制对流传热状况比自然对流好 热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中 第一节概述 3 热辐射 又称辐射传热 是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后 又重新全部或部分地转变为热能的过程 因此辐射传热 不仅是能量的传递 还同时伴随有能量形式的转化 另外 辐射传热不需要任何介质作媒介 它可以在真空中传播 这是热辐射与热传导及热对流的根本区别 一般只有物体温度大于400 时 才有明显的热辐射 实际上 以上三种传热方式很少单独存在 一般都是两种或三种方式同时出现 在一般换热器内 辐射传热量很小 往往可以忽略不计 只需考虑热传导和热对流两种传热方式 第一节概述 三 工业生产上的换热方法参与传热的流体称为载热体 在传热过程中 温度较高而放出热能的载热体称为热载热体或加热剂 温度较低而得到热能的载热体称为冷载热体或冷却剂 冷凝剂 冷 热两种流体在换热器内进行热交换 实现热交换的方法有以下三种 1 直接接触式换热其特点是冷 热两流体在换热器中直接接触 如图4 1所示 在混合过程中进行传热 故也称为混合式换热 混合式换热器适用于用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合 常用于气体的冷却或水蒸气冷凝 图4 1直接接触式换热 第一节概述 2 蓄热式换热其特点是冷 热流体间的热交换是通过蓄热器的周期性加热和冷却来实现的 该换热器是由热容量较大的蓄热室构成 室内装有耐火砖等固体填充物 如图4 2所示 操作时冷 热流体交替的流过蓄热室 利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的 由于这类换热设备的操作是间歇交替进行的 并且难免在交替时发生两股流体的混合 所以这类设备在化工生产中使用的不太多 图4 2蓄热式换热器 第一节概述 3 间壁式换热其特点是冷 热流体被一固体壁面隔开 分别在壁面的两侧流动 不相混合 传热时热流体将热量传给固体壁面 再由壁面传给冷流体 这是生产中使用最广泛的一种形式 适用于两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合 如锅炉烧水 化工生产中最常遇到的换热过程就是间壁式换热 常见换热器如图4 3 4 4及4 5所示 图4 3套管式换热器 图4 4单程列管式换热器 图4 5双程列管式换热器 第一节概述 套管式换热器如图4 3所示 它是由直径不同的两根管子同心套在一起组成的 冷 热流体分别流经内管和环隙 通过内管壁而进行热的交换 列管式换热器主要有壳体 管束 管板 花板 和封头等部件组成 一种流体由封头处的进口管进入分配室空间 封头与管板之间的空间 分配至各管内 称为管程 通过管束后 从另一封头的出口管流出换热器 另一种流体则由壳体的进口管流入 在壳体与管束间的空隙流过 称为壳程 从壳体的另一端出口管流出 图4 4所示为单管程列管式换热器 流体在换热器管束内只通过一次 图4 5所示为双管程列管式换热器 在换热器的分配室空间设置隔板 将管束的全部管子平均分成两组 流体每次只通过一组管子 然后折回进入另一组管子 如此反复 最后从封头处的出口管流出换热器 另外还有多管管程列管式换热器 第一节概述 四 稳定传热与不稳定传热在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程称为稳定传热 连续生产过程中的传热多为稳定传热 若传热系统中温度分布随时间变化的传热过程称为不稳定传热 工业生产上间歇操作的换热设备和连续生产时设备的启动和停车过程 都为不稳定的传热过程 化工生产过程中的传热多为稳定传热 本章只讨论稳定传热 第二节热传导 一 导热基本基本规律1 热传导方程在一个由固体物质组成的平壁如图4 6所示 面积为A 壁厚为 平壁两侧壁面温度分别为t1和t2 单位为K或 热量以热传导方式沿着与壁面垂直的方向从一侧传递到另一侧 实践证明 如果在与壁面垂直的方向上任取一传热厚度db 其对应温度降为dt 则单位时间内通过该壁面传递的热量Q有下列关系 4 1 负号表示传热方向与温度升高方向相反 式中Q称为导热速率 单位为W dt db为沿传热方向温度变化的强度 称为温度递度 称为热导率 又称导热系数 式 4 1 称为热传导基本方程 或称为傅里叶 Fourier 定律 图4 6平壁热传导 第二节热传导 2 热导率 导热系数 导热系数表征物质导热能力的强弱 为物质的物理性质之一 单位是W m K 或W m 其值越大 则物质的导热能力越强 当需要提高导热速率时 可选用导热系数大的材料 反之 应选用导热系数小的材料 各种物质的导热系数通常用实验方法测定 可在专用化工手册中查得 导热系数数值的变化范围很大 一般来说 金属的导热系数最大 非金属固体次之 液体的较小 而气体的最小 温度对导热系数的影响较大 二者之间具有线性关系 即有 0 1 at 式中a称为温度系数 压强对物体的导热系数基本无影响 只有气体在压力很高时 大于200MPa 其导热系数才随压强的增大而增大 第二节热传导 二 平壁的热传导1 单层平壁的热传导按图4 6所示 利用傅立叶定律并分离变量积分 整理后有 4 2 式 4 2 即为单层平壁热传导速率的计算式 现对该式变换有 4 3 本式与电学的欧姆定律相似 式中温度差 t 是导热过程的推动力 而R导为单层平壁的导热热阻 即传热速率与推动力成正比 与热阻成反比 这符合我们前面讲过的过程速率通式 另外 m为壁面两侧温度下导热系数的平均值 第二节热传导 2 多层平壁的热传导工业上常遇到由多种不同材料组成的平壁 称为多层平壁 如锅炉墙壁是由耐火砖 保温砖和普通砖组成 以三层壁为例 如图4 7所示 因是稳定传热 则各层的传热速率相等 式 4 3 对于各层的传热速率均适用 那么有 4 4 式 4 4 表明 多层平壁稳定热传导 其推动力为内外壁面间的总温差 阻力为各层热阻总和 与电学中的串联电路相仿 该式即为多层平面壁的热传导方程式 在多层平壁中 温差大的壁层热阻必然大 例题 参见教材P168例4 2 图4 7多层平壁的热传导 第二节热传导 三 圆筒壁的热传导1 单层圆筒壁的热传导如图4 8所示 有一单层园筒壁的轴向长度为L 内外半径及温度分别为r1 t1和r2 t2 现在半径r r1 r r2 处取园筒壁的一局部 即微元厚dr薄层 此微元薄层的传热面积则为A 2 rL 据傅立叶方程通式有 Q 2 rL dt dr 分离变量积分得 整理后有 4 5 这就是单层园筒壁热传导的计算公式 注意 当r2 r1 2 即园筒壁很薄时 可以近似把 r2 r1 当做壁厚b 2 L r1 r2 2当作传热面积A 按平面壁求算 其误差小于4 化工计算是允许的 图4 8单层圆筒壁壁的热传导 第二节热传导 2 多层圆筒壁的热传导如图4 9所示为三层圆筒壁 由不同材质构成的多层圆筒壁的热传导也可按多层平壁的热传导类似方法处理 依据单层园筒壁规律导出 即有 4 6 这就是多层园筒壁热传导的计算公式 例题 参见教材P170例4 3 图4 9多层圆筒壁壁的热传导 第三节热对流 一 对流传热规律1 对流传热分析对流传热实质上就是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递 通常传热的冷热两个流体总是通过某金属壁面进行热量交换 其表现就是流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程 在第一章中已知 流体沿固体壁面流动时 无论流动主体湍动的多么激烈 靠近管壁处总存在着一层层流内层 由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合 所以固体壁面与流体间进行传热时 热量只能以热传导方式通过层流内层 虽然层流内层的厚度很薄 但导热的热阻值却很大 因此层流内层的热传导将产生较大的温度差 另一方面 在湍流主体中 由于对流使流体质点混合剧烈 热量十分迅速的传递 因此湍流主体中的温度差极小 其传热就是典型的对流传热 由此可见 流体的对流传热实质上是耦合了层流内层的热传导和流体主体的热对流两个过程 其传热的主要阻力存在于近壁处的层流内层 该层的传热机理属于热传导 第三节热对流 图4 10是表示对流传热的温度分布示意图 由于层流内层的导热热阻大 所需要的推动力温度差就比较大 温度曲线较陡 几乎成直线下降 一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层 该层由于有传热阻力 所以才存在传热速率Q 其速率计算应遵循傅立叶定律 在湍流主体 流体温度几乎为一恒定值 由于无传热阻力 即传热能瞬时完成 故无所谓传热速率之说法 图4 10换热管壁两侧流体流动状况及温度分布 第三节热对流 2 对流传热方程依据以上分析 如果我们以流体被加热为例 图4 10左侧 设传热边界层厚度为b 固体壁面面积为A 由傅立叶方程有 4 7 又由于传热边界层厚度为b难以测定 令 称为对流传热系数 此时式 4 7 变为 4 8a 同理得流体被冷却速率关系式为 4 8b 式 4 8 称为对流传热方程 也称为牛顿冷却定律 它是对流传热的基本规律 该规律以很简单的形式描述了复杂的对流传热过程的速率关系 其中的对流传热系数h包括了所有影响对流传热过程的复杂因素 对流传热系数的倒数称为对流传热过程的热阻 即 对于稳定传热有 即壁温总是比较接近h值大的那一侧流体的温度 这一结论对设计换热器是很重要的 第三节热对流 二 对流传热系数1 影响对流传热系数的因素凡是影响边界层导热和边界层外对流的条件都和h有关 目前所能设计的实验表明 影响h的因素主要有 1 1流体的种类 如液体 气体和蒸汽 1 2流体的物理性质 如密度 黏度 导热系数和比热容等 1 3流体的相态变化 在传热过程中有相变发生时的h值远大于没有相变发生时的h值 1 4流体对流的状况 强制对流时的h值大于自然对流时的h值 1 5流体的运动状况 湍流时的h值大于层流时的h值 1 6传热壁面的形状 位置 大小 管或板 水平或垂直 直径 长度和高度等 综上所述 如何确定不同情况下的对流传热系数h是对流传热的中心问题 也是一项十分复杂的问题 第三节热对流 2 对流传热系数的确定原则由于影响对流传热系数的因素太多 要建立一个通式来求各种条件下的h值是十分困难的 目前工程计算中只能采用理论分析与实验相结合的方法建立起经验关联式 即准数关联式 常用的准数及物理意义列于表4 1中 准数关联式是一种经验公式 所以应用这种关联式求解时就不能超出实验条件的范围 使用时就必须注意它的适用条件 具体说来 主要指下面三个方面 一是应用范围 指关联式中Re Pr等准数可适用的数值范围 二是特征尺寸 指关联式中Nu Re等准数中的特征尺寸L应如何取定 三是定性温度 指关联式中各准数中流体的物性应按什么温度查定 第三节热对流 表4 1各特征准数的名称 符号和含义 参见教材P177表4 1 关于对流传热系数前人进行了许多实验研究工作 对于各种传热情况分别提出了进行计算的关联式 下面仅仅介绍常用对流传热系数的关联式来说明关联式的应用 第三节热对流 3 常用对流传热系数的确定 参见教材P180 196第四及第五节 3 1流体无相变且在圆形直管内作强制湍流时的对流传热系数3 1 1对于低粘度流体 即气体或小于2倍常温水黏度的液体 有 或 4 9 教材P180式4 27 式中当流体被加热时 当流体被冷却时 应用范围 0 7 120 管长与管径之比是 若为短管 即 则需进行修正 可将 4 9 式求得h的值乘以大于1的短管修正系数 即h校 h 定型尺寸 di取管内径 定性温度 取流体进 出口温度的算术平均值 3 1 2对于高粘度液体有 4 10 教材P181式4 28 应用范围 104 0 7 Pr 16700 管长与管径之比是L di大于60 定型尺寸 di取管内径 定性温度 除取壁温外 均取流体进 出口温度的算术平均值 第三节热对流 3 2流体无相变且在圆形直管内作强制层流时的对流传热系数 4 11 教材P182式4 29 应用范围 Re 2300 0 6 Pr 6700 RePrdi L 大于100 定型尺寸 di取管内径 定性温度 除取壁温外 均取流体进 出口温度的算术平均值 3 3流体无相变且在圆形直管内作过渡流时的对流传热系数此种情况且当2300 Re 104时 其确定方法是先用湍流时的公式进行计算 然后把所得结果乘以校正系数 从而得到过渡流下的对流传热系数 具体校正系数为 教材P182式4 30 3 4流体有相变化时的对流传热系数流体在换热器内发生相变化的情况有冷凝和沸腾两种 现分别将两种有相变化的传热及传热系数的确定进行介绍 3 4 1蒸汽的冷凝传热 当饱和蒸汽与温度低的固体壁面接触时 蒸汽将在壁面上冷凝成液体 其冷凝分膜状冷凝和滴状冷凝两种方式 膜状冷凝时冷凝液容易润湿冷却面 滴状冷凝时冷凝液不容易润湿冷却面 第三节热对流 在膜状冷凝过程中 壁面上形成一层完整的液膜 蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行 而滴状冷凝过程 冷凝液在壁面上形成液滴 液滴自壁面滚转而滴落 蒸汽与重新露出的壁面直接接触 因而使滴状冷凝的传热系数比膜状冷凝的传热系数大得多 或者说膜状冷凝的热阻要远大于滴状冷凝 在工业用冷凝器中 即使采用了促进产生滴状冷凝的措施 也很难持久保持滴状冷凝 所以工业用冷凝器的设计都是按膜状冷凝来考虑 其计算也是以膜状冷凝为依据 为此冷凝传热系数的计算如下 1 若为垂直管外或板上的冷凝传热 其计算分膜层层流和湍流两种情况 当膜层为层流时有 教材P189式4 40 4 12 当膜层为湍流时有 教材P190式4 43 4 13 2 水平管外的冷凝传热 其传热系数由下式计算 教材P190式4 44 4 14 第三节热对流 3 4 2液体的沸腾传热高温加热面与沸腾液体间的传热在工业生产中是十分重要的 由于液体沸腾的对流传热是一个复杂的过程 影响液体沸腾的因素很多 其中最重要的是传热壁与液体的温差 现以常压下水沸腾的情况为例 说明对流传热的情况 图5 15所示是常压下水在铂电热丝表面上沸腾时 h 与的关系曲线 当温差较小如5oC以下时 传热主要以自然对流方式进行 如图中AB线段所示 随的增大而略有增大 此阶段称为自然对流区 当逐渐升高越过B点时 在加热面上会产生更的多蒸气泡 由于这些蒸气泡的产生 脱离和上升导致液体受到剧烈的扰动 使随的增大而迅速增大 在C点处达到最大值 此阶段称为核状沸腾 C点的温度差称为临界温度差 水的临界温度差约为25oC 第三节热对流 当超过C点继续增大时 加热面逐渐被气泡覆盖 此时由于传热过程中的热阻大 开始减小 到达D点时为最小值 此时 若在继续增加 加热面完全被蒸气泡层所覆盖 通过该蒸气泡层的热量传递是以导热和热辐射方式进行 此阶段称为膜状沸腾 一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作 由于液体沸腾时要产生气泡 所以一切影响气泡生成 长大和脱离壁面的因素对沸腾对流传热都有重要影响 如此复杂的影响因素使液体沸腾的传热系数计算式至今都不能完善 难以较为准确定量表征 但人们发现液体沸腾时的传热系数值一般都比流体不相变的值大 例如水沸腾时值一般在1500 30000W m2 间 如果与沸腾液体换热的另一股流体没有相变化 那么传热过程的阻力主要是无相变流体的热阻 在这种情况下 沸腾传热系数的值就可以无需详细准确计算 例如水的沸腾值常取5000W m2 第三节热对流 综上所述 由于影响对流传热系数 h 的因素很多 所以 的数值范围也很大 表5 7中介绍了常用流体 值的大致范围 由此表可看出 流体在传热过程中有相变化时的 值大于无相变化时的值 在无相变化时 水的 值最大 油类次之 过热蒸气和气体最小 第四节热辐射 如前所述 热辐射就是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一低温物体吸收后 又重新全部或部分地转变为热能的过程 当物体温度较高时 热辐射往往成为主要的传热方式 在日常生活和工程技术中 辐射传热是常见现象 如各种工业用炉 辐射干燥 食品烤箱及太阳能热水器等 最常见的辐射现象是太阳对大地的辐射 近年来 人类对太阳能的利用促进了人们对辐射传热的研究 本节简要介绍热辐射的基本概念与基本定律及应用 一 热辐射的基本概念1 热辐射的物理本质物体受热后由于体内原子复杂的激烈运动 即对外发射出热辐射线 这种热射线以电磁波的形式向周围空间作直线传播 当与另一物体相遇时 则可被吸收 反射和透过 其中被吸收部分就转变为热能 理论上讲 凡是热力学温度在零度以上的物体都能发射出热辐射线 其波长可从零到无穷大范围 但是其中能被物体吸收又能转变为热能的 也就是热效应显著的热射线波长范围为0 4 20微米间 热辐射线的传播不需要任何介质 在真空中依然能快速传播 这种仅与物体本身温度有关而引起的热射线传播过程称为热辐射 第四节热辐射 2 吸收率 反射率与透过率当投射到物体表面上的辐射总能为Q 其中一部分能量QA被该物体吸收 一部分能量QR被该物体反射 余下的能量QD透过该物体 依能量守恒定律有 QA QR QD Q 4 15 定义 QA Q A 称为该物体的吸收率 QR Q R 称为该物体的反射率 QD Q D 称为该物体的透过率 则有 A R D 1 4 16 3 透热体 白体与黑体3 1透热体 指D 1的物体 即表示该物体对投射来的热辐射线既不吸收也不反射 而是全部透过的物体 自然界只有近似的透热体 例如分子结构对称的双原子气体如O2 N2 和H2等可视为透热体 3 2白体 指R 1的物体 即表示对投射来的热射线能全部反射的物体 又称绝对白体 实际物体中有接近于白体的物体 如表面磨光的金属 其反射率可达0 97 所以白体又称镜体 3 3黑体 指A 1的物体 表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的热射线 又称绝对黑体 同样实际物体中也没有绝对的黑体 但无光泽的黑煤 其吸收率可达0 97 接近于黑体 由此可见 透热体 白体与黑体都是一种理想化物体 在自然界是不存在的 引入这些概念的目的是使实际物体热辐射的计算简化 第四节热辐射 4 固体 液体与气体的热辐射特点4 1固体与液体的热辐射特点固体和液体不能透过热辐射线 其透过率D 0 因此 其吸收率与反射率之和为1 即A R 1 这表明热辐射线不能透过的物体 其反射能力越大 则其吸收能力就越小 反之 其反射能力越小 则其吸收能力就越大 固体和液体向外发射热辐射线以及吸收投射来的热辐射线都是在物体表面进行的 因此其表面情况对热辐射的影响较大 4 2气体的热辐射特点气体的辐射和吸收是在整个气体容积内进行的 因为投射到气体的热辐射能进入气体容积内部 沿途被气体分子逐渐吸收 气体容积发射的热辐射能也是整个容积内气体分子发射的热辐射能的总和 因此 气体所发射和吸收的热辐射能都是在整个气体容积内沿射线进程进行的 第四节热辐射 二 物体的辐射能力与斯蒂芬 玻尔兹曼 Stefan Boltzmann 定律在一定温度下 物体在单位时间内由单位面积所发射的全部波长的辐射能 称为该物体在该温度下的辐射能力 用E表示 1 黑体的辐射能力与斯蒂芬 玻尔兹曼定律理论研究证明 黑体的辐射能力与其表面的热力学温度的四次方成正比 该规律称为斯蒂芬 玻尔兹曼定律 可表示 4 17 式中Eb为黑体的辐射能力 5 67 10 8W m2K4 称为斯蒂芬 玻尔兹曼常数 Cb 5 67W m2K4 称为黑体的辐射系数 斯蒂芬 玻尔兹曼定律是热辐射的最基本定律 更是热辐射计算的基础 例题1 试计算一黑体表面温度分别为20 及600 时辐射能力的变化 解 1 黑体在20 时的辐射能力Eb1 418W m2 2 黑体在600 时的辐射能力Eb2 32930W m2Eb2 Eb1 78 8由此题可见 同一黑体温度变化600 20 30倍 而辐射能力为原辐射能力的78 8倍 说明温度对辐射能力的影响在低温时较小 往往可以忽略 而高温时则可成为主要的传热方式 第四节热辐射 2 实际物体的辐射能力 黑度与灰体2 1实际物体的辐射能力与黑度工程上最重要的是确定实际物体的辐射能力 在同一温度下 实际物体辐射能力E恒小于黑体的辐射能力Eb 也就是说黑体的辐射能力是最大的 二者之比称为黑度 用表示 E Eb 即黑度就是定量表征物体的辐射能力接近于黑体的程度 其值恒小于1 物体黑度越大 其辐射能力就越大 所以黑度又称物质的辐射率 或发射率 实验证明 物体的黑度只与自身状况有关 包括表面的材料 温度及表面状况 较易确定 常见材料表面的黑度值可查阅化工手册 2 2灰体为了使工程计算热辐射问题得以简单化 引入灰体概念 所谓灰体就是对各种波长热辐射线具有相同吸收率的理想化物体 一般工程计算中 都近似把实际物体视为灰体 此时其辐射能力E就可以用下式求算 4 18 式中C 5 67 称为灰体 就是实际物体 的辐射系数 第四节热辐射 三 克希霍夫 Kirchhoff 定律本定律就是阐释物体表面的辐射能力与其吸收率之间的关系 以及物体表面的吸收率与其黑度的关系 1 辐射能力与吸收率的关系任何物体的辐射能力E与其吸收率A的比值恒为常数 且等于同温度下黑体的辐射能力Eb 此值仅与物体的温度有关 这就是克希霍夫定律的主要内容 即物体的辐射能力与吸收率成正比 说明吸收率大的物体 其向外的辐射能力也大 反之吸收率小的物体 其辐射能力也小 2 吸收率与黑度 辐射率 的关系因 E Eb E A Eb 所以得 E Eb A 4 19 式 4 19 说明 物体的吸收率与同温度下的黑度 辐射率 在数值上相等 这样实际物体 灰体 难以确定的吸收率均可以用其易于确定的黑度 辐射率 值来代替 第四节热辐射 四 两固体间的辐射传热1 辐射传热速率的计算工业上常遇到的两固体间辐射传热 通常可视为灰体之间的辐射传热 从高温物体1传给低温物体2的辐射传热速率一般用下式计算 4 20 式中Q1 2为净辐射传热速率 C1 2为总辐射系数 为角系数 A为辐射传热面积 T1和T2分别为热 冷流体的热力学温度 下面分常见三种辐射传热情况介绍式 4 20 各项数值的确定 1 1两个面积为无限大 或者面积很大 且距离很近的平行平面壁 每个壁面所发射的辐射能全部投射到对方的壁面上 此情况下有A A1 A2 角系数 1 总辐射系数 1 2两个面积大小有限且相等的平行壁面 每个壁面所发射的辐射能只有部分投射到对方的壁面上 此情况下有A A1 A2 角系数小于1 具体值可根据壁面形状以及尺寸与壁间距从专门化工手册查取 总辐射系数 第四节热辐射 1 3一物体被另一物体包围时的辐射传热 此情况下A取被包围物体的表面积A1 角系数 1 总辐射系数 4 21 下面两种情况下可进行简化计算 一是当A1 A2接近1时 可按无限大平行平壁计算 详见1 1方法 二是当被包围物的表面积A1比包围物的A2很小时 取 即此时热辐射与包围物无关 在计算包围壁面辐射传热速率时 若T2大于T1 则Q1 2为负值 这表明净热量是从壁面2传给壁面1 例题2 有一外径为0 1m的表面已被氧化的铸铁管 其温度为400 插入一截面为0 2m见方的耐火砖烟道中 烟道内壁温度为1000 试求管与耐火砖壁间每米管长热辐射的能量 解 每米铸铁管外表面积每米耐火砖壁表面积查黑度 铸铁管 耐火砖 铸铁管被烟道包围A A1 0 314m2 用式 4 21 计算得 C1 2 3 9W m2 K4 用式 4 20 计算辐射热传速率Q1 2 29600W答案中负号表示铸铁管 T1 从烟道耐火砖壁 T2 吸收热量 第四节热辐射 例题3在高温气体的管道中心安装一只热电偶 测量高温气体的温度 已知管道内表面温度为200 热电偶指示温度为400 高温气体对热电偶表面的对流传热系数h 50w m2 K 热电偶表面的黑度 试计算高温气体的真实温度解已知热电偶温度t1 400 管道内表面温度t2 200 高温气体的真实温度以t表示 在稳态条件下 高温气体以对流传热方式向热电偶传递热量的同时 热电偶表面向管道的内表面辐射传热 二者的传热速率应相等 热电偶表面积以A表示 则有对流传热辐射传热由于h 50w m2 K 1 代入解得t 470 可见 由于热电偶向管道内壁的热辐射 导致其显示的温度总是低于气体的真实温度 因此在高温时热电偶是难以测量物体的真实温度 第四节热辐射 2 辐射传热的强化与消弱方法工程上时常要强化与消弱物体之间的辐射传热速率 常有两种方法 2 1改变物体表面的黑度 如为了增大物体的散热量 即强化热辐射 可在其表面涂上黑度较大的油漆 常见的电器设备即如此 又如为了减少散热量 即消弱热辐射 可在其表面上镀以黑度较小的银 铅等薄层 常见的保温瓶的瓶胆就采用此法 实验研究证明 瓶胆夹层的玻璃 其黑度大 表面上不镀银的热损失是镀银时的88倍 同时 瓶胆夹层中抽成真空 以减少导热与对流传热 2 2采用遮热板 即为了消弱辐射传热 常在两个辐射传热表面之间插入薄板 遮热板 以阻挡辐射传热 例题 参见补充题 电子版P90 及教材P204例4 8 第四节热辐射 五 辐射与对流的联合传热在化工生产中 设备的外壁温度总是高于周围大气温度 因此热量必然会同时以热辐射和热对流两种方式散失于周围环境中 即既会发生从设备表面向周围包围物的辐射传热 同时也会有设备表面与空气之间的对流传热 设备表面向周围空气的对流传热速率为 Qc hA T t 设备表面与周围包围物壁面间的辐射传热的速率为 QR hRA T t 式中hR为辐射系数 依据热辐射规律有 总散热损失为 Q Qc QR h hR A T t hTA Tt t 4 22 hT称为对流 辐射联合传热系数 对有保温层设备 可用下列方法估算 1 空气自然对流时 1 在平壁保温层外且T小于1500C时 hT 9 8 0 07 T t 2 在管或圆筒壁保温层外 hT 9 4 0 052 T t 2 空气强制对流时 hT 6 2 4 2u u 5m s hT 7 8u0 78 u5m s 由于辐射速率与两物体的温度的四次方之差成正比 因此在高温条件下 即使是两物体间的温差较小 也会产生很大的辐射传热速率 另外如果t所代表的空气温度与周围包围物的壁温不同 则需要分开计算 再总和 第五节传热总过程的计算 一 传热总过程的分析一般常用的间壁式换热器的总传热过程都是 热对流 热传导 热对流 相结合的过程 如图4 11所示为任意一间壁换热过程 其换热分为三步 第 步是热量Q由热流体在流动过程以对流传热方式传递给固体壁面1 第 步是热量Q在固体壁以热传导方式由壁1传给壁2 第 步是热量Q从壁2以对流传热方式传给流动中的冷流体 完成传热过程 达到换热目的 显然 一般的间壁换热过程总是上述三步的总和 注意 上述分析是在温度较低的情况下 忽略了热辐射 图4 11间壁两侧流体总传热过程 第五节传热总过程的计算 二 总传热速率方程的建立传热速率是指单位时间内通过传热面传递的热量 单位为W 它表征换热器传热的快慢 设A1 A2和Am分别为壁1 壁2和固体壁平均面积 b为固体壁厚 为固体壁导热系数 h1和h2分别为热 冷流体对壁面的对流传热系数 那么有 热流体壁面1 热对流Q1 h1A1 T t壁1 壁面1壁面2 热传导Q2 Am t壁1 t壁2 b 1 壁面2冷流体 热对流Q3 h2A2 t壁2 t 对于稳定传热 Q1 Q2 Q3 Q 以上三式变形联立得 4 23 令 t T t K称为总传热系数 其倒数称为总热阻 即有 Q KAm t 4 25 式 4 25 即为总传热速率方程通式 式中总传热系数K 壁面积Am及总温差 t应区别不同情况具体求算 下面分别做具体讨论 第五节传热总过程的计算 三 总传热系数K的求算1 总传热系数K的计算1 1平壁传热面K值的计算 对于平壁传热面由于A1 A2 Am A 式 4 24 变为 即有 4 26a 1 多层平壁 只需将式 4 26 分母项中进行叠加即可 即有 4 26b 2 若固体壁面为金属材料 由于固体金属的热导率大 即热阻小 当壁厚较薄时 分母中的b 项可略去不计 则式 4 26 可写为 4 26c 3 由式 4 26c 可知 K值必小于且接近于h1和h2中较小的一个 即接近于热阻较大流体的值 也就是说 当两个流体对流传热系数值相差很悬殊时 则K值近似等于较小的值 4 综上所述 对于平壁的传热速率通式 4 25 即为Q KA t 第五节传热总过程的计算 例题4器壁一侧为沸腾液体h1为5000W m2 器壁另一侧为热流体h2为50W m2 壁厚为4mm 为40W m2 求传热系数K值 为了提高K值 在其他条件不变的情况下 设法提高对流传热系数 即 将h1提高一倍 将h2提高一倍 解 依据式 4 26a 有 其他条件不变将h1提高一倍 即h1 2 5000 104W m2 代入计算式得K 49 5W m2 其他条件不变将h2提高一倍 即h2 2 50 100W m2 代入计算式得K 97 1W m2 计算结果说明 当两个h值相差较大时 提高h值大的流体的h值对传热系数K值的提高甚微 相反将h值小的流体的h值增大一倍时 K值几乎也增加了一倍 可见传热系数K总是接近于h值小的流体的h值 或者说由最大热阻所控制 因此 在传热过程中要提高K值 必须想法设法提高h值小的流体的h值 即降低阻力大的流体的阻力 该阻力称为控制热阻 才会有显著的效果 第五节传热总过程的计算 1 2圆筒壁传热面K值的计算当传热面为园筒壁时 因A1 A2 Am A 这时总传热系数K则随所取的传热面不同而异 设K式中A1为换热管的A内 A2为换热管的A外 Am为换热管的A均 则随基准面的不同有下列三种形式 1 当以外表面为基准面时 即A A外 则K计算式 4 24 变为 此时式 4 25 为Q KAm t K外A外 t 4 27a 2 当以内表面为基准面时 即A A内 则K计算式 4 24 变为 此时式 4 25 为Q KAm t K内A内 t 4 27b 3 当以均表面为基准面时 即A A均 则K计算式 4 24 变为 此时式 4 25 为Q KAm t K均A均 t 4 27c 4 27 式中A均通常取圆筒壁内外直径的对数平均值所对应面积 可见 对于圆筒壁换热器 其传热系数必须注明是以哪个传热面为基准 通常在换热器系列化标准核算中 传热面积均是以换热管外表面积A外为标准 由于计算圆筒壁公式复杂 故一般在管壁较薄时 即d外 d内 2时 可按平壁计算式 4 26 近似计算 第五节传热总过程的计算 2 总传热系数K的测定和经验估算传热系数K值除了上述计算法外 还可以进行现场实测和经验估算 2 1现场实测 根据传热速率方程通式Q KA t可知 只需从现场测得换热器的传热面积A 温度差 t及传热速率Q后 传热系数K就很容易计算出来 其中传热面积A可由设备结构尺寸算出 t可从现场测定两股流体的进出口温度及它们的流动方式而求得 传热速率Q可由现场测得流体的流量 由流体在换热器进出口的状态变化而求得 新制换热器 为了检验其传热性能 也需通过实验 测定其K值 第五节传热总过程的计算 2 2采用经验数据估算在进行换热器的传热计算时 常需要先估计传热系数 表5 2列出了常见的列管式换热器的传热系数经验值的大致范围 由表可见 传热系数K值的变化范围很大 化工技术人员应对不同类型流体间换热时的K值有一数量级概念 表5 2列管式换热器中传热系数K的经验值 第五节传热总过程的计算 3 污垢热阻对传热系数的影响实际生产中的换热设备 因长期使用在固体壁面上常有污垢积存 对传热产生附加热阻 使传热系数降低 因此在设计换热器时 应预先考虑污垢热阻问题 由于污垢层厚度及其导热系数难以测定 通常只能根据污垢热阻的经验值作为参考来计算传热系数 某些常见流体的污垢热阻的经验值可查表5 8 第五节传热总过程的计算 若管壁内 外侧表面上的污垢热阻分别为R内和R外 根据串联热阻叠加原则 K式 4 26 可变为 4 28 式 4 28 表明 间壁两侧流体间传热总热阻等于两侧流体的对流传热热阻 污垢热阻及管壁热阻之和 一般垢层的导热系数都比较小 即使是很薄的一层也会形成比较大的热阻 在生产上应尽量防止和减少污垢的形成 如提高流体的流速 使所带悬浮物不致沉积下来 控制冷却水的加热程度 以防止有水垢析出 对有垢层形成的设备必须定期清洗除垢 以维持较高的传热系数 第五节传热总过程的计算 四 关于温度差的求算如前所述及式 4 27 表明 在计算换热器传热速率时 传热系数和传热面积必须建立一一对应的关系 除此之外 因传热面各部位的传热温度差也在随时间而变化 所以在计算传热速率时也必须算出平均传热温度差 t均来代替 t 此时即有Q KA t均 而 t均的数值与流体流动情况有关 下面就各种情况分别作一讨论 1 恒温传热时的平均温度差参与传热的冷 热两种流体在换热器内的任一位置 任一时间 都保持其各自的温度不变 此传热过程称为恒温传热 例如用水蒸汽加热沸腾的液体 器壁两侧的冷 热流体因自身发生相变化而温度都不变 恒温传热时的平均温度差与流体的流动方向无关 其值如下 t均 T t 4 29 2 变温传热时的平均温度差工业上最常见的是变温传热 即参与传热的两种流体 或其中之一 有温度变化 在变温传热时 换热器各处的传热温度差随流体温度的变化而不同 计算时必须取其平均值 t均 第五节传热总过程的计算 2 1单侧变温时的平均温度差图4 12所示为一侧流体温度有变化 另一侧流体的温度无变化的传热 图4 12a热流体恒温 而冷流体温度发生变化 图4 12b冷流体恒温 而热流体的温度发生变化 两种情况下的传热温度差都会变化的 此时其温度差的平均值可取其进出口温度差的对数平均值 即按下式计算 4 30 在工程计算中 当时 可近似地采用算术平均值代替对数平均值 其误差是小于4 的 工程计算是允许的 图4 12单侧变温时的温差变化 第五节传热总过程的计算 2 2双侧变温时的平均温度差工厂中常用的冷却器和预热器等 在换热过程中间壁的一侧为热流体 另一侧为冷流体 热流体沿间壁的一侧流动 温度逐渐下降 而冷流体沿间壁的另一侧流动 温度逐渐升高 这种情况下 换热器各点的温度是不同的 属双侧变温传热 在此种变温传热中 参与热交换的两种流体的流向大致有四种类型 如图4 13所示 两者平行而同向的流动 称为并流 两者平行而反向的流动 称为逆流 垂直交叉的流动 称为错流 一流体只沿一个方向流动 而另一流体反复折流 称为折流 变温传热时 其平均温度差的计算方法因流向的不同而异 第五节传热总过程的计算 图4 13流体的流动类型示意图 第二节传热计算 2 2 1并流和逆流时的平均温度差此两种流向的平均温差计算形式与式 4 30 完全一样 即依然是对数平均法 通常取两端温度差大的作为 小的为 以方便计算 如遇 2时 仍可用算术平均值计算 不难看出 当两侧流体都变温时 因流向的不同 其温差也不相同 从而导致并流和逆流时的 t均是不相等的 计算表明在两流体的进 出口温度分别相同的前提下 逆流比并流具有更大的平均温度差 因而使逆流优于并流如下两点 1 相同条件 如同流体及同进出口温度 下 逆流比并流有更大的 t均 因而交换相同的热量采用逆流操作可更节省换热器面积 2 并流操作时 热流体出口处温度T2总是大于冷流体的出口温度t2 但逆流则不受此限制 因而交换相同的热量 所需要加热剂 热流体 或者冷却剂 冷流体 的用量逆流比并流就少 因为在此情况下 t热或者 t冷总有较大值 正因为逆流有上述优点 工程上多采用逆流操作 但是在某些工艺有特殊要求时 如要求冷流体被加热时不能超过某一温度 或热流体被冷却时不能低于某一温度 则宜采用并流操作易于控制 第五节传热总过程的计算 2 2 2错流和折流时的平均温度差对于错流或折流时平均温度差的计算由于其脱离了单纯的并流或逆流 因而较为复杂 目前人们总是采用鲍曼 Bowman 法 即先按逆流计算对数平均温度差 再乘以温度差修正系数系 即 4 31 式 4 31 中的温度差修正系数 是由两个参数P和R值的大小 再依据各种换热器的流动情况来确定 现在还无法找寻出其函数关系式 目前只能采用相关数据图查取 两个参数由下式决定 修正系数关系图如图4 14 由于的值总小于1 故折流和错流时的平均温度差总小于逆流 可见 工业上采用折流等其他复杂流动的目的是为了提高传热系数 但其代价却是使平均温度差相应减小 综合利弊 一般在设计时最好应使 0 9 至少也不应低于0 8 否则经济上是不合理的 第五节传热总过程的计算 第五节传热总过程的计算 图4 14几种流动形式的 t均修正系数 第五节传热总过程的计算 例题5在一单壳程 四管程的列管换热器中 用水冷却油 冷水在壳程流动 进口温度为l5 出口温度为32 油的进口温度为l00 出口温度为40 试求两流体间的平均温度差 解此题为求简单折流时的平均温度差 先按逆流计算 即热流体10040 冷流体3215 43 查图4 14 a 得 0 9 所以 t均 t逆 0 9 43 38 7 第五节传热总过程的计算 五 热负荷和载热体用量的计算 教材P207内容的补充 1 热负荷的计算换热器在单位时间内交换的热量称为热负荷 用Q表示 在换热无损失的情况下 单位时间内热流体放出的热量Q热就是换热器交换的热量Q 热负荷 也就是冷流体得到的热量Q冷 即Q热 Q冷 Q 称为热量衡算式 热负荷就是对换热器的换热能力在工艺上的一个定量要求 一个能满足生产换热任务要求的换热器 必须使其传热速率等于 或略大于 热负荷 所以 我们通过计算热负荷 便可确定换热器的传热速率 必须注意 传热速率和热负荷虽然在数值上一般看作相等 但其含意却不同 热负荷是由工艺条件决定的 是对换热器的要求 传热速率是换热器本身的换热能力 是设备的特征 热负荷的计算有以下三种方法 第五节传热总过程的计算 1 1焓差法 利用换热前后冷 热流体焓值的变化计算热负荷或 4 32 式中 热负荷 W 热 冷流体的质量流量 kg s 热流体进 出口的焓 J kg 冷流体进 出口的焓 J kg 焓的数值决定于流体的物态和温度 通常取0 为计算基准 规定液体和气体的焓在0 均取为0J kg 第五节传热总过程的计算 1 2显热法 此法用于流体在换热过程中无相变化的情况 计算式如下或 4 33 式中为热 冷流体的平均定压比热容 J kg 为热流体进 出口温度 为冷流体的进 出口温度 1 3潜热法 此法用于流体在换热过程中仅发生相变化 如冷凝或气化 的场合 或 4 34 式中为热 冷流体的相变潜热 J kg 第五节传热总过程的计算 2 载热体用量的计算换热器中当物料需要冷却时 它所放出的热量由冷流体带走 当物料需要加热时 必须由热流体供给热量 当确定了换热器的热负荷以后 载热体的流量可根据热量衡算确定 例题5将0 5kg s 80 的硝基苯通过换热器用冷却水将其冷却到40 冷却水初温为30 终温不超过35 已知水的比热容为4 19kJ kg 试求换热器的热负荷及冷却水用量 解查得硝基苯T定 60 时的比热容为1 58kJ kg 由式 4 33 计算热负荷Q硝 qm硝c硝 T1 T2 31 6kW冷却水用量为qm水 水 c水 t2 t1 Q硝 c水 t2 t1 1 51kg s 第五节传热总过程的计算 3 载热体的选用在化工生产中 若要加热一种冷流体 同时又要冷却另一种热流体 只要两者温度变化的要求能够达到要求 就应尽可能让这两股流体进行换热 利用生产过程中流体自身的热交换 充分回收热能 对于降低生产成本和节约能源具有十分重要的意义 但是当工艺换热条件不能满足要求时 就需要采用外来的载热体与工艺流体进行热交换 载热体有许多种 应根据工艺流体温度的要求 选择一种合适的载热体 载热体的选择可参考下列原则 载体温度必须满足工艺要求 载热体的温度调节应方便 载热体应具有化学稳定性 不分解 载热体的毒性小 对设备腐蚀性小 载热体不易燃 不易爆 载热体价廉易得 第五节传热总过程的计算 目前生产中使用广泛的载热体是饱和水蒸汽和水 1 饱和水蒸汽 由于其冷凝时放出大量的热 加热均匀 不易有局部过热的现象 依据饱和温度与蒸汽压力的对应关系 通过调节压力能很方便 准确的控制加热温度 饱和水蒸汽加热的缺点是加热温度不太高 因为水蒸气的饱和蒸汽压随温度升高而增大 对锅炉 管路和设备的耐压 密闭要求也大大提高 带来许多困难 所以一般水蒸气加热的温度范围在120 180 绝对压在200 1000kPa 这一温度范围能满足大部分化工工业的需要 蒸发 干燥等单元操作大多也在此温度范围内进行 水蒸汽加热分为直接和间接两种 直接法是将蒸汽用管子直接通入被加热的液体中 蒸汽所含热量可以完全利用 但液体被稀释 这往往是工艺条件不允许的 间接法是在换热器中进行 加热时必须注意以下两点 一是要经常排除不凝性气体 二是要不断排除冷凝水 第五节传热总过程的计算 2 水 是广泛使用的冷却剂 水的初温由气候条件所决定 一般为4 25 因此水的用量主要决定于经过换热器之后的出口温度 其次水中含有一定量的污垢杂质 当沉积在换热器壁面上时就会降低换热器的传热效果 所以冷却水温的确定主要从温度和流速两个方面考虑 水与被冷却的流体之间一般应有5 35 的温度差 冷却水的温度不能超过40 50 以避免溶解在水中的各种盐类析出 在传热壁面上形成污垢 水流速不应小于0 5m s 否则在传热面上易产污垢 工业上如果需要把物料加热到180 以上 就需要用其他的载热体 这类载热体工业上称为高温载热体 相反如果把物料冷却到5 10 或更低的温度 就必须采用低温冷却剂 现把工业上常用的载热体列于表5 1 第五节传热总过程的计算 第六节换热器 换热器是制药 化工等其他许多工程领域中的通用设备 在生产中占有很重要的地位 按照传热的用途可分为加热器 预热器 冷却器 冷凝器