第四章 传热201109

1、化工原理,传热,1/107,第四章传热,教学要求4-1概述4-2热传导4-3对流传热概述4-4对流传热系数关联式4-5传热过程计算4-6辐射传热4-7换热器复习,化工原理,传热,2/107,教学要求,重点：传热基本方程式及应用；对流传热系数的影响因素及计算。覆盖内容：传热的基本方式及特点；定常传热及非定常传热的概念；傅立叶定律，一维定常导热的计算（平壁圆筒壁及球壁）；导热系数及其影响因素；对流传热过程分析，牛顿冷却定律，传热基本方程式及其应用（传热速率、平均温差、传热系数、污垢热阻和控制热阻）；热效率与传热单元数的概念及计算；对流传热的主要影响因素，对流传热系数准数关联式（熟练掌握管内强制湍流

2、对流传热系数），壁温估算；辐射传热的基本概念，黑体、白体（镜体）、透热体和灰体，普郎克定律，斯蒂芬-波尔茨曼定律，克希霍夫定律，两物体间的辐射传热速率计算，角系数的概念，热损失的计算；常用换热器的结构特点，换热器设计原则、步骤。,化工原理,传热,3/107,4-1概述,传热：由温差引起的能量传递。自发过程中热量从高温传递到低温。热力学：传递的总热量；传热学：讨论过程热量的传递速率。目的：强化传热过程；削弱传热过程。,分类：,连续传热,稳态传热：传热速率=常数，,化工原理,传热,4/107,4-1-1传热的基本方式,一热传导,物体的各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子、自由电子等微观粒子的热

3、运动而引起热量的传递，称为热传导(又称导热),特点：,没有物质的宏观位移；发生在相互接触的物质之间和物体内部。典型是发生在固体中。,二热对流,流体各部分之间发生相对运动所引起的热传递。,对流传热：流动的流体与固体壁面之间的热量传递。,化工原理,传热,5/107,三热辐射,因热的原因而产生电磁波在空间的传递,特点：1不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转换；2所有物体都能将热能以电磁波的形式发射出去，不需要任何介质。,4-1-2传热过程中热、冷流体热交换方式,一直接接触式换热和混合式换热器,优点：传热效果好，设备结构简单,二蓄热式换热和蓄热器,蓄热式换热是在蓄热器中实现热交换的一种换热方式。蓄热

4、器内装有填充物(如耐火砖等)，热、冷流体交替地流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。,化工原理,传热,6/107,三间壁式换热和间壁式换热器,冷、热流体被固体壁面所隔开，分别在固体壁面两侧流动。冷、热流体通过间壁进行热量交换。,1套管式换热器,2列管式换热器固定管板式(结构图）、浮头式、U型管式优点：单位体积内具有较大的传热面积。,3沉浸式、喷淋式,特点：只有热量传递。传热速率(Q)：单位时间内通过传热面传递的热量，W；热通量（q）：单位时间单位传热面积传递的热量，w/m2。传热面积：S0、Si、Sm。,化工原理,传热,7/107,化工原理,传热,8/107,4-1-3栽

5、热体及其选择,一概念物料在换热器内被加热或被冷却时，通常需用另一种流体供给或取走热量，这种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂(或称加热介质)；起冷凝作用的载热体称为冷却剂(或称泠却介质)。,二载热体的选择原则：,三工业上常用的载热体,加热剂：热水、蒸和蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐及烟道气；冷却剂：水、空气和各种冷冻剂,化工原理,传热,9/107,4.2热传导,4.2.1基本概念和傅立叶定律,一温度场和温度梯度,温度场：任一瞬间物体或系统内各点的温度分布总和，温度场的数学表达式为：,等温面：温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面。特点：两等温面不相交；同一等温面上各点间无热量传

6、递。,化工原理,传热,10/107,温度梯度：,传热速率：,热通量：,二傅立叶(Fourier)定律,化工原理,传热,11/107,一般地，导电固体非导电固体，液体气体,4-2-2导热系数,一.定义：,导热系数是物质的基本物理性质之一，其在数值上等于单位温度梯度下的热通量，它表征物质导热能力的大小。其数值与物质的种类、组成、结构、密度、温度、压强有关。,二.固体的导热系数,三.液体的导热系数,化工原理,传热,12/107,4气体的导热系数,气体的导热系数很小，常用做保温材料,在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强的变化甚微,4.2.2平壁的热传导,一单层平壁的热传导,1.几点基本假设,1)

7、平壁材料均匀，导热系数不随温度而变(或取平均导热系数)。2)平壁内的温度仅沿垂直于壁面的方向变化。3)壁边缘处的热损失可忽略。,2.温度分布,化工原理,传热,13/107,将由边界条件代入积分通式，解得：,化工原理,传热,14/107,3.传热速率,热通量与传热方向的距离无关,温差推动力,平壁热阻,二多层平壁的热传导,假设：层与层之间接触良好，两个接触表面具有相同的温度。,多层平壁的热传导,化工原理,传热,15/107,三层平壁的热传导速率方程式：,n层平壁的热传导速率方程式：,4.2.3圆筒壁的热传导,单层圆筒壁的热传导,由于平壁表面粗糙不平使不同材料的相邻壁面出现明显的温度降低。原因：接触

8、热阻。,一.单层圆筒壁,化工原理,传热,16/107,与平壁热传导的不同在于圆筒壁的传热面积不是常量，随半径而变；同时温度也随半径而变。,1.温度分布,由于：r=r1，t=t1；r=r2，t=t2。得：,假设：圆筒壁很长，沿轴向散热可忽略取内径为r1,外径为r2，长为L的圆筒。其内处层温度分别为t1和t2(t1t2)。在半径为r处沿半径方向取微分厚度dr的薄壁圆筒，以时间微元d:,化工原理,传热,17/107,2.传热速率,化工原理,传热,18/107,二多层圆筒壁的热传导,假设：各层间接触良好；各层的导热系数分别为1、2、3，厚度分别为b1、b2、b3。,化工原理,传热,19/107,影响因

9、素：接触材料的种类及硬度，接触面的粗糙程度，接触面的压紧力，空隙内的流体性质。接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计,三接触热阻,由于平壁表面粗糙不平使不同材料的相邻壁面出现明显的温度降低。,化工原理,传热,20/107,4-3对流传热概述,对流传热：流体流过固体壁面时的传热过程称为对流传热,分类,对流传热,蒸汽冷凝,液体沸腾,4-3-1对流传热机理,对流传热中包括了热对流和热传导两种基本传热方式，对流传热与流体的流动状况密切相关。,化工原理,传热,21/107,一.流体流动对传热的贡献,对流体流过平板，取控制体：Ldy1，流体密度为，比热为Cp。稳态传热时的热量衡算式为：,若等效为热传导，则各

10、处温度梯度不等，在y=0处达到最大；若uy越大，靠近壁面处的温度梯度更大，中央区域的温度梯度更小。,化工原理,传热,22/107,不同流动状况下流体中的温度分布。,流体流动对传热过程有强化作用。流体的湍动程度越高，靠近壁面处的温度梯度就越大。,2热边界层,流体的温度在靠近固体壁面的薄层流体中有显著的变化，即在此流体层中存在温度梯度，将此薄层定义为热边界层。,化工原理,传热,23/107,当流体流过平板的距离为无穷大时，热边界层将消失。,4-3-2对流传热速率方程和对流传热系数,一.对流传热速率方程,在壁面处：,温度分布？温度剃度？热边界层的厚度？,化工原理,传热,24/107,在换热器中，换热

11、面积有不同的表示方法，可以是管内侧或管外侧表面积。但对流传热系数必须和传热面积以及温度差相对应。如热流体在管内流动，冷流体在管外流动。则对流传热速率方程式可分别表示为：,二.对流传（给）热系数,在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率。它反映了对流传热的快慢，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数。,化工原理,传热,25/107,由,热边界层的厚度影响温度分布，也影响温度梯度，从而影响对流传热系数。,流体在管内流动时，热边界层的发展与流动边界层相似。流体在管内传热时，从传热开始到达到基本稳定的距离称为进口段。在进口段内，逐渐减小，在进口段后，基本保持恒定。,值(W/(m

12、2.)的范围,化工原理,传热,26/107,4-3-3保温层的临界厚度,化工原理,传热,27/107,4-4-1影响对流传热系数的因素,获得的主要方法：,1.理论分析法：建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。2.实验方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。3.类比方法：把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。,一.流体的种类和相变化的情况,4-4对流传热系数关联式,液、气、蒸汽的不相同；牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别；流体有无相变化（汽化潜热r），对传热有不同的影响。,化工原

13、理,传热,28/107,二.流体的性质,1.导热系数,2.粘度,影响层流底层及热边界层的厚度。,3.比热容、密度,Cp：单位体积流体具有的热容量。越大，表示流体携带热量的能力越强。,4.体积膨胀系数,越大的流体，产生的密度差别越大，有利于自然对流。,三.流体温度,物性参数：粘度、导热系数、密度、比热容,附加的自然对流,化工原理,传热,29/107,四.流动原因自然对流、强制对流,若流体静止,自然对流,自然对流速度：,与流体物性、流动空间的几何尺寸、加热壁面的位置等因素有关。,强制对流是由于外力迫使流体流动，其对流传热系数比自然对流的传热系数大得多。,化工原理,传热,30/107,五.流动类型：

14、层流或湍流,六.传热面的形状、大小、位置：如圆管与平板、垂直与水平、管内与管外等,4-4-2对流传热过程的因次分析,一.流体无相变时的强制对流传热过程,1)首先列出影响该过程的物理量,2)确定无因次准数的数目,化工原理,传热,31/107,3)确定准数的形式,a)列出物理量的因次：如下表示,b)选出m个(基本因次数目，本例中为4个)物理量作为i个(本例为3)无因次准数的共同物理量(本例中选l、u、),选择时应考虑以下原则：不能包含待求量；不能同时选用因次相同的物理量；选择的共同物理量中应包含所有的基本因次。,(3)因次分析:将共同物理量与余下的物理量分别组成无因准数,化工原理,传热,32/10

15、7,列方程求解，确定各待定指数的值，得各无因次数群：,努塞特准数，表示导热热阻与对流热阻之比,普兰特准数，反映物性的影响。通常，气体的Pr1。,二.自然对流传热过程,自然对流的一般函数关系式为：,可得：,化工原理,传热,33/107,三.应用准数关联式应注意的问题,取流体进、出口温度的平均值：t=(t1+t2)/2取壁面的平均温度tw取流体和壁面的平均温度(称膜温)tm=(tw+t)/2,1.定性温度的选取方法：,2.特征尺寸的选取,无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸,3)公式的应用条件：如Re、Pr等的数值范围,化工原理,传热,34/107,4-5-3流体无相变时的对流传热系数,对于

16、低粘度(粘度小于2倍的常温水的粘度)流体，则有：,式中n值与热流方向有关，当流体被加热时，n=0.4，当流体被冷却时，n=0.3。应用范围：Re10000；0.7Pr120；l/d60,定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径di。,高粘度液体的无相变传热，给热系数用下式计算:,一.流体在管内作强制对流,1流体在园形直管内作强制湍流,化工原理,传热,35/107,应用范围：Re10000；0.7Pr16700；l/d60,2.管内强制滞流和过渡流,应用范围：Re2300；Pr0.6。,特征尺寸：管内径d1。,在Re=230010000的过渡区，可按湍流传热的公式计算值，然

17、后乘以修正系数：,定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温度。特征尺寸：取为管内径。,定性温度：w取壁温下的值，其余物性参数取流体进、出口温度的算术平均值作定性温度。,化工原理,传热,36/107,3.流体在弯管中作强制对流,弯曲管道中的二次环流,流体流过弯曲管道或螺旋管时，会引起二次环流而强化传热，如右图所示。给热系数应乘以一个大于1的修正系数：,式中d为管内径，R为弯曲管道的弯曲半径。,4流体在非圆形管中作强制对流,此时，仍可采用上述各关联式，只要将管内径改为当量直径即可。例如对于内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，其当量直径为：,化工原理,传热,37/107,1

18、流体在管束外强制流动,换热管的排列分为直列和错列两种，错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈，故错列比直列传热要快，但错列的流动阻力较大，清洗不如直列容易。,影响管束传热的因素除Re,Pr数外，还有管子排列方式，管间距和管排数，给热系数用下式计算，即：,式中C、和n的值见下表：,二.管外强制对流,化工原理,传热,38/107,上式中C、和n值,应用范围：,特征尺寸：管外径，流速取每排管子中最狭窄通道处的流速。定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。,化工原理,传热,39/107,2流体在换热器的管间流动,对于常用的列管式换热器，由于壳体是圆筒，

19、管束中各排的管数不同。而且通常都装有折流挡板(如右图示)，因此流速和流向的不断变化，Re100即达到湍流。,换热器的折流挡板,换热器内装有圆缺型挡板时(割去直径的25%所留下的部分)，壳程流体的对流给热系数：,(1)Re=312104时,(2)Re=21031106时,化工原理,传热,40/107,在上两式中，定性温度除w取壁温外，其余均取流体平均温度。特征尺寸要用当量直径，根据管子的排列方式，直列时：,(a)直列(b)错列管间当量直径推导,错列时：,流速u按管间最大流通截面积A计算，即：,化工原理,传热,41/107,自然对流的给热系数仅与Gr数和Pr数有关，其一般关系式为：,式中C和n的值

20、如下表示：,三.自然对流,化工原理,传热,42/107,4-4-4.流体有相变时的对流传热系数,一.蒸汽冷凝,1蒸汽冷凝的两种方式：,化工原理,传热,43/107,2.膜状冷凝对流传热系数,1)努塞尔特(Nusselt)理论式,假设：冷凝液膜处于层流流动，热量以热传导方式通过液膜；蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力；蒸汽冷凝液体时只释放汽化潜热，蒸汽及壁面温度不变；冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数。,步骤：在x位置由力平衡速度分布质量流量(W)dW=f()d冷凝放热=液膜热传导传递热量d=()dx=f(x)x=F(x)积分求取,化工原理,传热,44/107,、分别为凝液的导热系数，密度和

21、粘度；r冷凝潜热，J/kg；t蒸汽饱和温度ts壁面tw之差，。,2.实验结果,化工原理,传热,45/107,3影响冷凝传热的因素,1)冷凝液膜有温度差t,流体的物性：液膜的、，蒸汽的冷凝潜热,3)蒸汽的流速和流动方向,4)蒸汽中不凝性气体的含量：,5)冷凝壁面的影响：,二.液体的沸腾,大容积沸腾,管内沸腾,化工原理,传热,46/107,2.大容积饱和沸腾曲线,水的沸腾曲线,自然对流沸腾区：t5,(2)泡核沸腾或泡状沸腾区：t=525,(3)膜状沸腾区不稳定膜状沸腾稳定膜状沸腾,3影响沸腾传热的因素,化工原理,传热,47/107,4-4-5壁温的估算,一.壁温估算的意义,1.在某些对流传热系数的

22、关联式中，需知壁温才能计算传热系数,2.选择换热器的类型和管子材料也需知道壁温,二.计算方法,1.在已知管内、外流体的平均温度ti、to之间假设壁温tw,2.计算两流体的对流传热系数i、o,3.核算所设tw是否正确，用下列近似关系进行核算：,化工原理,传热,48/107,4-5传热过程计算,4-5-1能量衡算,总焓衡算方程,当换热器中两流体无相变化，且流体的比热容不随温度而变或取平均温度下的比热容时,当换热器中两流体有相变化时：,设计型计算：由生产任务确定热负荷和传热面积。操作型计算：由传热面积及操作条件计算传热量、出口温度、载热体流量等。,化工原理,传热,49/107,4-5-2总传热速率微

23、分方程和总传热系数,一.总传热速率微分方程,总传热系数必须和所选择的传热面积相对应，即有：,二.总传热系数,1.总传热系数的数值范围(见下表),化工原理,传热,50/107,列管换热器总传热系数K的经验数据,化工原理,传热,51/107,2.总传热系数的计算式,1）热流体以对流传热的方式将热量传给热侧表面；2)热侧表面以传导传热方式将热量传给冷侧表面；3)然后冷侧表面以对流传热方式将热量传给冷流体。,两流体通过管壁的传热包含以下过程：,化工原理,传热,52/107,由以上三式可得总传热速方程：,在上式两边同除dSo,便可有：,化工原理,传热,53/107,所以有：,同理有：,3.污垢热阻,工程

24、计算上通常是选用污垢热阻的经验数值，如管壁内侧和外侧的污垢热阻分别是Rs1和Rs2，则总热阻：,化工原理,传热,54/107,4.提高总传热系数的途径,1）当传热面是平壁或薄管壁时，di、do、dm相等或接近，则有：,当管壁热阻和污垢热阻可忽略时，有：,总热阻由热阻大的那一侧的对流传热所控制,4-5-3平均温度差tm的计算,基本假设：1）传热为定态操作过程；2）两流体的比热容为常数；3）总传热系数为常数；3）换热器的热损失可以忽略。,2）减小污垢热阻定期清洗,化工原理,传热,55/107,一.恒温差传热,二.变温差传热,以冷、热流体均无相变逆流流动为例：,1.逆流和并流时的平均温度差,取面积为

25、dS的微元：,化工原理,传热,56/107,操作线,AB直线描述了逆流换热器中任一截面上冷、热流体温度间的关系，称为换热器的操作线。对并流可得。,任一截面上的传热推动力等于相应t轴上对应的AB线上点与对角线上相应点的T轴坐标之差。,化工原理,传热,57/107,传热速率方程,由逆流换热器的操作线方程，得,相同条件下，逆流的tm最大，并流的最小。,化工原理,传热,58/107,若流动非逆并流，如错流、折流，则tm采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。即先按逆流计算tm，再乘以考虑流动方向的校正因素。即：,其中：,2.错流、折流的平均温度差,化工原理,传热,59/107,作温度差校正系数图的假定：壳程任

26、一截面上流体温度均匀一致管方各程传热面积相等总传热系数K和流体比热容为常数流体无相变化换热器的热损失可以忽略,化工原理,传热,60/107,三.总传热系数K不为常数的传热计算,1.K随温度呈线性变化,2.分段计算,每段K可视为常数,3.K随温度变化较大,化工原理,传热,61/107,4-5-4传热单元数法,一.传热效率,在换热器中可能达到的最大温差：T1-t1,最小值流体：换热器中两流体中热容量流率较小者，表示为：,化工原理,传热,62/107,二.传热单元数NTU,换热器的热量衡算和传热速率微分方程为：,对冷流体，上式可改写为：,基于冷流体的传热单元数(NTU)C：,化工原理,传热,63/1

27、07,什么是传热单元？,什么是传热单元数？,以逆流为例，将整个传热面分成若干段，每一段均有：,化工原理,传热,64/107,二.传热效率与传热单元数的关系,并流时：,逆流时：,化工原理,传热,65/107,4-5-4传热过程计算,一.设计型计算,命题方式：将Wh(或Wc)由T1(或t1)降温（或升温）到T2(或t2)。,计算目的：确定经济合理载热体、传热面积、换热器结构。,步骤：,计算热负荷,选择合适的载热体及进、出口温度,确定载热体消耗量,确定流向,计算平均温度差,选择流速计算0、i,选择Rs0、Rsi计算K0,计算S0,确定换热器结构,二.操作型计算,第一类命题：给定换热器传热面积及有关尺

28、寸，冷、热流体物性、流量、流动方式、进口温度。,计算目的：冷、热流体出口温度。,化工原理,传热,66/107,第二类命题：给定换热器传热面积及有关尺寸，热流体物性、流量、流动方式、进、出口温度，冷流体进口温度。,计算目的：冷流体流量、出口温度。,换热器校核：给定换热器传热面积、结构，冷、热流体物性、流量、进出口温度。计算目的：判断给定换热器是否合用（S0实？S0需）。,例.有一逆流换热器。热流体为空气1=100W/m2.。冷流体为水（湍流）2=2000W/m2.。已知：t1=20、t2=85、T1=100、T2=70，管壁及污垢热阻不计、管壁很薄。当水流量增加一倍时，求：1）水和空气的出口温度

29、？2）传热量是原来的多少倍？,计算方法：热负荷,热量衡算,传热速率,化工原理,传热,67/107,分析：,将两种工作状况下的热量衡算、传热速率方程分别相除，可得两独立方程，且都含有冷热流体出口温度，从而求解新工况下冷热流体出口温度。此问题为求冷热流体出口温度，也可以采用传热单元数法。,解：,热量衡算方程相除,将已知数据代入得：,传热速率方程相除,a,b,化工原理,传热,68/107,将计算所得数据代入b式：,c,将a、c式联立，试差求解得：,讨论：增加水量，水一侧增大较多，但K增大很少。传热速率增大主要是由平均温差推动离增加所贡献的。,化工原理,传热,69/107,采用传热单元数法,最小值流体

30、为冷流体,第一工况时：,逆流：,化工原理,传热,70/107,计算得：,新工况下：,由逆流时传热效率与传热单元数的关系式，计算新工况下的传热效率：,将热量衡算方程相除：,采用传热单元数法求解冷热流体的出口温度可以避免试差。,化工原理,传热,71/107,例.某气体冷却器S=20m2。用水将Wh=1.4kg/s的某气体由50冷却到35。使用的冷却水的进口温度为25，与气体呈逆流。K=230W/m2.。气体的比热Cph=1.0kJ/kg.。热损失不计。试求：冷却水的用量及出口温度。,解：,a,b,化工原理,传热,72/107,例.有一蒸汽冷凝器。蒸汽的1=104W/m2.，冷却水的2=103W/m

31、2.。实测：t1=30、t2=35、Ts=100。现将冷却水量增加一倍，蒸汽的冷凝量增加多少？（管壁及污垢热阻不计，管壁很薄，热损失不计）,分析：由于冷却水流量增加，使冷凝水一侧的对流传热系数改变，同时也使冷却水的出口温度发生变化，从而使传热过程的平均温度差改变。这两个因素都会使传热速率改变。由于蒸汽是由饱和蒸汽变为饱和液体，释放的潜热传递给冷却水，所以不同工况下的传热速率之比等于蒸汽的冷凝量之比。,解：原工况：,冷流体吸收的热量来源于间壁两侧的对流传热，故：,化工原理,传热,73/107,将上式变形：,a,新工况下，由冷却水吸收热量等于传热速率可得：,b,将（b/a）整理：,化工原理,传热,

32、74/107,讨论：,在传热过程中，改变热阻较大的一侧流体的湍动程度，能使总传热系数有较大程度的提高。在本例中，增加的传热速率尽管是由K、tm两部分增大的综合结果，但主要是由K的增大引起的。因此，当工艺流体的流量、进口温度改变时，可以采用适当减小或增大载热体流量以及改变载热体进口温度等手段进行调节。在传热过程中，换热器必须同时满足热量衡算方程和传热速率方程。,化工原理,传热,75/107,4-6辐射传热,4-6-1基本概念,一.辐射和辐射传热,物体以电磁波的形式传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能。物体可以由不同的原因产生电磁波，其中因热的原因引起的电磁波辐射，称为热辐射。,热辐射线

33、波长在0.4m20m，属可见光、红外线,二.吸收率、发射率、透过率,A=1的物体称为黑体或称为绝对黑体,辐射传热：不同物体之间相互辐射和吸收能量，从而使热量从高温物体相低温物体传递的过程。,Q,QR,QA,QD,化工原理,传热,76/107,R=1的物体为镜体或称为绝对白体,三.灰体-以相同的吸收率吸收所有波长的热辐射能的物体，如工业用的大多数固体材料。,4-6-2.物体的辐射能力和有关的定律,辐射能力：单位时间、单位面积上发射的所有波长辐射线的辐射能量，用E表示，单位W/m2。单色辐射能力：单位时间、单位面积上发射的特定波长辐射线的辐射能量，用E表示，单位W/m2。,化工原理,传热,77/1

34、07,不同温度下有不同的能量分布曲线。在指定温度下，黑体辐射各种波长的能量是不同的。在某一波长时，其单色辐射能力达到最大。在温度不太高时，辐射能主要集中在波长为0.810m的范围内。,一.普朗克定律：,黑体单色辐射能力按波长的分布规律,化工原理,传热,78/107,二.斯蒂芬-波尔茨曼定律：,式中：,黑度：相同温度下，灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之比（发射率）。表达式：,灰体的辐射能力：,化工原理,传热,79/107,灰体的黑度（）取决于物性、表面状况，一般由实验测定。,某些工业材料的黑度,化工原理,传热,80/107,三.克希霍夫(Kirchhoff)定律,板1(灰体)能量平衡：单位时间单

35、位面积发射E1，获得A1Eb，向板2的净的辐射传热量为q=E1-A1Eb。辐射传热达平衡(两物体温度相等)时，q=0，E1=A1Eb或E1/A1=Eb。若板1用任意灰体板来代替，则得,E1,A1,T1,Eb,T2,E1,板1(灰体),板2(黑体),Eb,A1Eb,(1-A1)Eb,C灰体的辐射系数灰体辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体的辐射能力。,T1T2,化工原理,传热,81/107,4-6-3两固体间的辐射传热,E1,R1,T1,E2,R2,T2,E2,板1(灰体),板2(灰体),T1T2,E2R1,E2R1R2,E2R12R2,E2R12R22,E1,R1,T1,E2,R2,T2,E

36、1,板1(灰体),板2(灰体),T1T2,E1R2,E1R1R2,E1R12R22,E1R1R22,辐射能可被多次被吸收和反射,化工原理,传热,82/107,平行灰体平板间的辐射过程,化工原理,传热,83/107,当两壁面的大小与其间距相比不够大，一个壁面发出的辐射只有一部分能到达另一个壁面。引入角系数（几何因素）。,辐射传热的速率为：,式中的角系数表示从辐射面积S所发出的能力被另一物体表面截获的分数。其数值不仅与两物体的几何排列有关，还与式中的S是选用板1的面积S1还是选用板2的面积S2作为辐射面积有关。,化工原理,传热,84/107,Aw，和C1-2的计算方法,影响辐射传热速率的因素：,1

37、）温度水平；,2）几何位置；,3）黑度；,4）两表面间的介质；,化工原理,传热,85/107,4-6-4对流和辐射的联合传热,因设备壁面被环境大气所包围，=1,总热量损失：,对流-辐射联合给热系数,对流损失热量：,辐射损失热量(牛顿冷却定律的形式)：,辐射给热系数,化工原理,传热,86/107,4-7换热器,4-7-1间壁式换热器的类型,一.夹套式,用于反应器的加热或冷却，加热剂或冷却剂在夹套内通过间壁与反应器内的物料进行换热。,用蒸汽进行加热时，蒸汽高进低出。当冷却时，冷却水从下部进入，而由上部流出。,为提高器内物料一侧的给热系数，可在器内设置搅拌器，使容器内的流体作强制对流。,二.管式换热

38、器,1.蛇管式换热器,化工原理,传热,87/107,1）.沉浸式蛇管换热器,结构：由肘管连接的直管，或由盘成螺旋状的弯管所组成。蛇管形状主要决定于容器形状。将蛇管浸没于容器中，即构成蛇管式换热器。,当管内通入液体载热体时，应从蛇管的下部通入，当管内通入蒸汽加热时，应从蛇管的顶部通入，冷凝水经蛇管下部的疏水器排出。,优点：结构简单，能承受高压；缺点：管外流体给热系数小，为强化传热，可在器内安装搅拌器。,化工原理,传热,88/107,2）.喷淋式换热器,喷淋式换热器的最大优点是便于检修和清洗，对冷却水水质可以适当降低。,用作冷却器。将蛇管成排地固定在钢架上，被冷却流体在管内流动，冷却水由管上方的喷

39、淋装置通过齿型堰板均匀喷洒在蛇管表面而流下，最后收集于排管的底盘内。,2.套管式换热器,优点：构简单，能承受较高压力，应用灵活；缺点：耗材多，占地面积大，难以构成很大的传热面积，故一般适合于流体流量不大、传热负荷较小的场合。,结构：直径不同的金属管装配成的同心套管。可根据换热要求串联使用。程数可依传热面积的大小而增减，并可数排并列。冷、热流体一般呈逆流流动，平均传热温差大，并可达到较高的流速，形成湍流，具有较高的传热系数。,化工原理,传热,89/107,3.列管式,1).固定管板式,列管式换热器工业上使用最广泛的一种换热设备优点：单位体积的传热面积、处理能力和操作弹性大，适应能力强，尤其在高温

40、、高压和大型装置中采用更为普遍。,结构：管束与焊接在壳体的两端管板连接。在壳体内，沿管长方向装置有若干块折流挡板；优点：结构简单、紧凑、造价便宜；,缺点：管外不能机械清洗，管板、管子和壳体都是刚性连接，当管壁和壳壁的温度相差较大时，会产生很大的热应力，甚至将管子从管板上拉脱。解决方法补偿圈(或称膨胀节)。,化工原理,传热,90/107,2).U型管式,优点：管子受热受冷可以自由伸缩，而与壳体无关。结构比较简单，管束可以拔出清洗。缺点：管内的机械清洗困难，只能走清洁流体。,结构：管子弯制成U型，U型管的两头固定在同一块管板上，与管板连接的封头内用隔板隔成两室。,3).浮头式,结构：一块管板与壳体

41、固定，另一块管板可以在壳体内来回活动，并连接一浮头，当管束受热受冷时即可自由伸缩。浮头式换热器各有一个内浮头和一个外浮头。优点：有良好的热补偿性能，管束可从壳体中拔出清洗；缺点：结构复杂，造价较高。,化工原理,传热,91/107,二.板式换热器,1).板式换热器,结构紧凑，占用空间小很小的空间即可提供较大的换热面积，不需另外的拆装空间；相同使用环境下，其占地面积和重量是其他类型换热器的1/31/5。,传热系数高雷诺准数10时，即可产生剧烈湍流，一般总传热系数可高达30008000W/M2.K。端部温差小逆流换热，可达到1的端部温差。热损失小只有板片边缘暴露，不需保温，热效率98%。适应性好，易

42、调整通过改变板片数目和组合方式即可调节换热能力，与变化的热负荷相匹配。流体滞留量小，对变化反应迅速，拆装简单，容易维护板片是独立的单元体，拆装简单，可将密封垫密闭的板片拆开、清洗。,化工原理,传热,92/107,结垢倾向低高度紊流、光滑板表面，使积垢机率很小，且具自清洁功能，不易堵塞。低成本使用一次冲压成型的波纹板片装配而成，金属耗量低，当使用耐蚀材料时，投资成本明显低于其他的换热器。缺点：处理能力不大，操作压力比较低，一般不超过20atm，受垫片耐热性的限制，操作温度不能太高，一般合成橡胶垫不超过130，压缩石棉垫圈也不超过250。,2).螺旋板式换热器,传热系数高在离心力的作用下，较低Re

43、数下出现湍流(Re=1400-1800)，允许流速可达2m/s，故传热系数较高，如水水的传热系数达2000-3000W/（m2K）。不易堵塞流速较高，又是在螺旋流道内流动，能较好的发挥流体对板面的冲刷作用，因而流体中的悬浮物不易沉积下来。由于流道长，可为完全逆流，便于控制温度和利用低温热源，操作时允许较低的温度差，因此，在一些低温差传热的场合，采用螺旋板换热器比较合适。,化工原理,传热,93/107,结构紧凑，制造简便，单位体积设备内的传热面积约为列管式换热器的3倍。操作压力和温度不能太高，尤其是所能承受的压力比较低，操作压力只能在20atm以下，操作温度约在300-400以下。不易检修，整个

44、换热器已被卷制焊接为一个整体，一旦发生中间泄漏或其他故障，设备即告报废。,化工原理,传热,94/107,三.翅片式换热器,1).翅片换热器,结构：在管子外表面上装有径向或轴向翅片。用途：适用于两种流体的给热系数相差很大的场合，翅片安装在给热系数很小的一侧。翅片与光管的连接应紧密无间，否则会在连接处产生很大的接触热阻。常用的连接方法有镶嵌、缠绕或高频焊接，其中焊接最为密切，但加工费用较高。,2).板翅式,传热效果；好结构紧凑；轻巧牢固；适应性强，操作范围广；流道很小,化工原理,传热,95/107,传热效果好板翅促进湍流，破坏传热边界层的发展，总传热系数高，同时冷、热流体间换热不仅以平隔板为传热面

45、，而且大部分热量通过翅片换热，因而具有很高的传热速率。结构紧凑单位体积换热器提供的传热面积一般能达到2500m2，最高可达到4300m2，而列管式换热器只有160m2。轻巧牢固由于结构紧凑，通常用铝合金制造，在相同的传热面积下，其重量仅为列管式换热器的十分之一，波纹翅片不仅是传热面，又是两板间的支撑，故强度很高。适应性强，操作范围广由于铝合金的导热系数高，特别适合于低温和超低温条件下的换热。流道很小，容易堵塞而使压降增大。换热器内一旦结垢，清洗和检修困难，故处理的物料应较清洁或预先进行净制。由于平隔板是用薄铝片制成，故要求流体对铝不发生腐蚀。,化工原理,传热,96/107,4-7-2列管换热器

46、的设计和选用,一.列管换热器设计时应考虑的问题,1.流体流径的选择,(1)不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗；(2)需通过增大流速提高h的流体应选管程，因管程流通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速；(3)腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀；(4)压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压；(5)饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其h与流速无关；(6)被冷却的流体一般走壳程，便于散热；(7)粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面和流向都在不断变化，在Re100即可达到湍流。,化工原理,传热,97/107,2.流体流速选择,安全性

47、；强化传热()；结垢；压降(操作费用)。,3.流体两端温度的确定,冷热流体进出口温度由工艺条件给定。加热剂：由产生加热剂设备情况及能量利用确定冷却水：进口由当地气候条件估算，通常t2-t1=510，具体值根据水源情况确定。,4.管子规格和排列方式,管子规格：直径有192mm、252.5mm；选用长度：1.5m、2m、3m、6m等。换热管与壳径(L/D)之比：L/D=46。换热管排列：正三角形、正方形直排、正方形错排、同心圆排列。管间距：胀接法，t=(1.31.5)d0,且t(d0+6)；焊接法，t=1.25d0。,化工原理,传热,98/107,5.管程和壳程数的确定,在标准系列中管程数有1、2

48、、4、6。采用多管程时，通常应使每程的管数大致相等，管程数m=u/u。u：适宜流体；u：相同传热面积下单管程换热器内的流速。温差校正系数t0.8。由于制造、安装、检修的原因，通常不采用多壳程，可采用换热器串联代替。,6.折流挡板,化工原理,传热,99/107,作用：提高管外的给热系数；形状：园缺型、园盘型、分流型等；挡板的形状和间距必须适当，方能取得良好效果。以弓形为例，缺口的高度一般取为壳体内径的10-40%，常见的是20-25%。缺口方向可水平和垂直排列。挡板间距过大，流速小，不能保证流体垂直流过管束，管外h；间距过小，流动阻力增加，且不便于检修。我国系列标准规定的挡板间距：固定管板式：150、300和600mm三种规格；浮头式：150、200、300、480和600mm五种规格。,7.外壳直径的确定,b：最外层管的中心与外壳内壁的距离，通常b=11.5d0。,化工原理,