1、第四章 傳 熱,傳熱 過程在化工中的應用,傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的 存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實現傳熱的 前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關。但是進行傳熱的 目的不外乎是以下三種： 1.加熱或冷卻 2.換熱 3.保溫 可見，傳熱過程是普遍存在的。,第一節(jié)：概述,傳熱的三種基本方式,一個物系或一個設備只要存在溫度差就會發(fā)生熱量傳遞，當沒有外功加入時，熱量 就總是會自動地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導，熱對流和熱輻射?；どa中碰到的各種傳熱現象都屬于這三種基本方式。,（

2、一） 熱傳導（導熱）,一個物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到個部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導。,物質的三態(tài)均可以充當熱傳導介質，但導熱的機理因物質種類不同而異，具體為： 固體金屬：自由電子運動在晶格之間； 液體和非金屬固體：個別分子的動量傳遞； 氣體：分子的不規(guī)則運動。,（二） 對流傳熱,熱對流是指物體中質點發(fā)生相對的位移而引起的熱量交換，熱對流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中 不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質點能發(fā)生的相對位移。據引起對流的原因不同可分為：自然對流和強制對流。,熱對流與流體運動狀況有關，熱對流還伴隨有流體

3、質點間的熱傳導，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對流傳熱，即包含了熱傳導和熱對流。,（三）熱輻射,熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。,三種類型換熱器,(1) 直接混合式將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。很多人看過電影“洗澡”吧，老式澡堂中水池的水，是將水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加熱，此即直接混合式。如圖所示。北方許多工廠的澡堂，仍然采用這種辦法。,(2)蓄熱式先將熱流體的熱量儲存在熱載體上，然后由熱載體將熱量傳遞給冷流體、此即蓄熱式換熱器。如圖所示。煉焦爐中煤氣燃燒系統就是采用蓄熱式換熱。,

4、(3)間壁式熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體，化工中應用極為廣泛。有夾套式熱交換器；蛇形式熱交換器；套管式熱交換器；列管式熱交換器；板式熱交換器。如圖所示。,夾套式換熱器,套管式換熱器（1內管 2外管）,單程列管式換熱器 1 外殼 2管束 3、4接管 5封頭 6管板 7擋板,雙程列管式換熱器 1殼體 2管束 3擋板 4隔板,穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱,穩(wěn)定傳熱：在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變特點：通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數。,不穩(wěn)定傳熱：若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點：傳熱速率、熱通量均為變量。通常連續(xù)生產多為穩(wěn)定傳熱

5、，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱。 化工過程中連續(xù)生產是主要的，因而我們主要討論穩(wěn)定傳熱。,傳熱速率有兩種表示方法: 1.熱流量(傳熱速率Q): 單位時間內在整個傳熱面積上由熱流體傳給冷流體的熱量。 2.熱通量(熱流密度q): 單位傳熱面積上通過的熱流量。,傳熱速率方程,傳熱速率方程式：換熱器的傳熱速率Q與傳熱面積A和冷熱兩種流體的平均溫差tm成正比;,：傳熱速率, tm：兩流體的平均溫度差, ：比例系數，總傳熱系數 。 上式為傳熱速率方程或傳熱基本方程，是換熱器傳熱計算的重要依據。,傳熱平衡方程,以某換熱器為衡算對象，列出穩(wěn)定傳熱時的熱量衡算方程。,第二節(jié)熱傳導,溫度場,（1）溫度場某一瞬間，空間（

6、或物體）所有各點溫度分布 定常態(tài)溫度場： 一維定常態(tài)溫度場： （2）等溫面同一時刻，溫度場中相同溫度各點所組成的曲面。溫度不同的等溫面彼此不能相交。,溫度梯度,同一等溫面上各點的溫度相同，故沿著等溫面移動，溫度無變化，即無熱量傳遞；若沿著與等溫面相交的任何方向移動，溫度發(fā)生變化，并伴有熱量傳遞。而最大的溫度改變是在與等溫面垂直方向上（法線方向）。 溫度梯度方向是朝著溫度增加的方向，與熱流方向相反。 一維溫度梯度：gret,熱傳導與傅立葉定律,熱傳導遵循傅立葉定律。它是一個經驗性定律。實踐證明，單位時間內的傳熱量Q與垂直于熱流方向的導熱截面面積A和溫度梯度 成正比。即,Q傳熱速率，； A導熱面積

7、，； 導熱系數； 溫度梯度。,導熱系數,1物理意義表征物質的導熱能力，物質的熱物性參數。 2影響因數主要有物質種類、組成和溫度，并與結構疏松程度有關。 3 4計算公式：多數物質 a：溫度系數,單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,設(1) 材質均勻為常數 (2) 一維定態(tài)導熱溫度沿x方向變化 (3) Q與A均為常量 (4) t 1t2 由傅立葉定律： 分離變量后積分:,多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,設（1）材質均勻，1234為常數 （2）一維定態(tài)導熱 （3）Q與A均為常量 （4） t1t2t3t4,應用合比公式,圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導,平壁穩(wěn)定熱傳導,單層平壁導熱速率的工作方程式,溫度差稱為傳熱推動力，R稱為導熱熱阻。,

8、導熱系數k是物質的物理性質之一。其值的大小反映物質導熱能力的強弱，其值越大，導熱能力越強。工程上通常根據導熱系數的數值來選擇合適的導熱材料，例如，需要提高導熱速率的場合選用導熱系數大的材料，反之，需要減小導熱速率的場合選用導熱系數小的材料。,金屬 1-400 W/(m2K) 建筑材料 0.1-1 W/(m2K) 絕熱材料 0.01-0.1 W/(m2K) 液體 0.1-0.6 W/(m2K) 氣體 0.005-0.05 W/(m2K),各種物質導熱系數的大致范圍如下：,工業(yè)上經常遇到多層平壁導熱的情況，如用耐火磚、保溫轉和青磚筑成的三層爐壁。仿照串聯電路的歐姆定律，對于三層熱阻的串聯導熱，穩(wěn)態(tài)

9、下，有,二、圓筒壁穩(wěn)定熱傳導,熱量通過列管式換熱器的管壁和圓筒型設備的器壁的傳導即為圓筒壁的熱傳導，圓筒壁的導熱速率可以表示為,圓筒壁的導熱速率式與平壁的導熱速率式具有相同的數學形式，只不過圓筒壁的傳熱面積隨徑向位置而變，應取平均面積作為傳熱面積。,工業(yè)上經常遇到多層圓筒壁的導熱，如圖7-10所示，在蒸汽管道外包裹絕熱層；在換熱管的內、外側表面上生成垢層，從而構成多層圓筒壁。參照多層平壁的處理方法，可得：,如果需要計算多層圓筒壁交界面上的溫度，可用下式,【例4-1】一套管換熱器的內管為252.5mm的鋼管，鋼的導熱系數為45 W/(mK)，該換熱器在使用一段時間以后，在換熱管的內外表面上分別生

10、成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導熱系數分別為1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK)，已知兩垢層與流體接觸一側的溫度分別為160和120，試求此換熱器單位管長的傳熱量。 解：換熱器的熱流密度,W/m,代入數據得,【例4-2】一套管換熱器的內管為252.5mm的鋼管，鋼的導熱系數為45 W/(mK)，該換熱器在使用一段時間以后，在換熱管的內外表面上分別生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢層的導熱系數分別為1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK)，已知兩垢層與流體接觸一側的溫度分別為160和120，試求此換熱器單位管長的傳熱量。 解：換熱器的熱流密度,W/m,代入數據得,【例4-3】工

11、業(yè)爐的爐壁，由下列三層組成： 耐火磚 k1=1.4W/(mK), b1=225mm 保溫磚 k2=0.15W/(mK), b2=115mm 保溫磚 k3=0.8W/(mK), b3=225mm 今測得其內壁溫度為930，外壁溫度為55，求單位 面積的熱損失。 解：由串聯熱阻的概念,W/m2,第三節(jié) 對流傳熱,一、對流傳熱過程分析,二、牛頓冷卻定律,三、對流傳熱系數及其影響因素,四、對流傳熱系數的因次分析,由于對流傳熱的多樣性，有必要將問題分類加以研究。,在強制對流傳熱問題中，對于幾何相似的設備，可將給熱系數的影響因素表示為 u流體速度，反映流體流動狀況影響 , k, Cp流體密度、粘度、導熱系

12、數和比熱，反映物性影響 l傳熱表面的特征尺寸，反映傳熱面幾何因素的影響。,在自然對流傳熱中，流體流動是由浮升力引起的，故將u代以浮升力而得自然對數傳熱中給熱系數的影響因素表示式 gt表示流體由于溫差t而產生的浮升力， 稱為流體的膨脹系數，因次為1/。,對于幾何相似的設備，運用因次分析法，寫成準數式 上兩式中各準數的意義見表。,努塞爾準數 ； 待求準數，包括待求的給熱系數,雷諾準數 ； 反映對流強度對傳熱的影響,普蘭特準數 ； 反映流體物性的影響,格拉斯霍夫準數 ；反映自然對流的影響,借助實驗研究方法求取以上各類別中的具體準數關聯式。,在學習為數繁多的關聯式時，應注意以下三個方面的問題。,應用范

13、圍 只能在實驗的范圍內應用，外推是不可靠的。 定性溫度 取流體進，出口溫度的算術平均值作為定性溫度； 高粘度流體用壁溫作粘度定性溫度；冷凝傳熱取凝 液主體溫度和壁溫的算術平均值作為定性溫度。 特征尺寸 傳熱面的幾何因素有時是很復雜的，一般選取對傳 熱起決定作用的幾何因素作為特征尺寸，管內流動 取管內徑作為特征尺寸；管外的流動取管外徑作為 特征尺寸，等等。,管內對流傳熱還與流體的入口效應有關，在流動邊界層與傳熱邊界層尚未充分發(fā)展的所謂“進口段”，給熱系數還要受到速度分布和溫度分布的影響，進口段的給熱系數高于充分發(fā)展后的給熱系數值。,入口效應,五、對流傳熱系數關聯式,式中n值與熱流方向有關， 當流

14、體被加熱時，n=0.4， 當流體被冷卻時，n=0.3。 應用范圍：Re10000；0.7Pr120； 。 定性溫度：取流體進、出口溫度的算術平均值。 特征尺寸：取為管內徑d1。,（一 ）、流體無相變時的對流傳熱系數,1 流體在管內作強制對流,園形直管強制湍流的給熱系數,流體在圓形直管內作強制湍流時，對于低粘度流體，則有,A 管內流動,n取不同的數值，這是為了反映熱流方向對給熱系數的影響。,對于氣體 由于Pr1，即Pr0.4Pr0.3，氣體被加熱的給熱系數小于被冷卻給熱系數。這是由于氣體粘度隨溫度升高而增大，氣體被加熱時的邊界層較厚的緣故。,對于液體 由于Pr1，所以Pr0.4Pr0.3，即液體

15、被加熱的給熱系數大于被冷卻的給熱系數。這是因為：當液體被加熱時，管壁處滯流底層的溫度高于液體主體的平均溫度，由于液體粘度隨溫度升高而降低，故貼壁處液體粘度較小，使滯流底層的實際厚度比用液體主體溫度計算的厚度要薄，給熱系數較大。,液體被加熱 1.05，液體被冷卻 0.95。,園形直管內高粘度液體無相變傳熱，給熱系數,應用范圍：Re10000；0.7Pr16700；,定性溫度：w取壁溫作定性溫度，其余各物性取液體平均溫度作定性溫度。,特征尺寸：取為管內徑。,流體流過彎曲管道或螺旋管時，會引起二次環(huán)流而強 化傳熱，給熱系數應乘以一個大于1的修正系數：,3 流體在非圓形管中流動,d為管內徑，R為彎曲半

16、徑。,2 流體在彎管作強制對流,特征尺寸應用當量直徑de。例如內管外徑為d1，外管內徑為d2的同心套管環(huán)狀通道，當量直徑,在管進口段，流動尚未充分發(fā)展，傳熱邊界層較薄，給熱系數較大，需進行入口效應修正對于 的換熱管，應考慮進口段對給熱系數的增加效應。故將所得h乘以修正系數：,其它條件一定時，可有 ，于是，當流量由W增至W時，給熱系數由增至 ，則 由此可見，提高流速可以強化傳熱，這也是調節(jié)換熱器以適應生產要求的根據所在。但流速升高，流動阻力增大，用提高流速的方法來強化傳熱是以增加動力消耗為代價的。,應用范圍：Re2300；Pr0.6。,定性溫度：w取壁溫，其余取進、出口溫度的算術平均值。 特征尺

17、寸：管內徑d1。,4 流體在圓形管內強制滯流,5 流體在圓形管內 過渡流,在Re=230010000的過渡區(qū)，作為粗略計算，可按湍流傳熱的公式計算h值，然后乘以修正系數f：,【例4-4】套管換熱器外管內徑60mm，內管規(guī)格384.0mm，用水將為2500kg/h的某液體有機物從100冷卻至40，水走管內，有機物走環(huán)隙，逆流流動，操作溫度下，有機物密度860kg/m3, 粘度2.810-3N?s/m2，比熱2.26kJ/(公斤?)，導熱系數0.452W/(m?), 水的進、出口溫度分別為15和45，熱損失忽略不計。試求：(1)水對管內壁的給熱系數；(2)有機溶液對管外壁的給熱系數；(3)若將水流

18、量增加20%，其他條件不變，重求水對管內壁的給熱系數。,解： 水的定性溫度： ，查得 2=995.7kg/m3, 2=0.0008Ns/m2, k2=0.618W/(mK) Cp2=4.174kJ/(公斤K) 根據熱量衡算式求得水流量 公斤 管內流速： m/s,水側給熱系數： W/(m2K） 套管環(huán)隙當量直徑de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm, 環(huán)隙流速 m/s (過渡流),根據過渡流給熱系數的計算方法，有 W/(m2K) 故得溶液側給熱系數： W/(m2K) 水流量增加后的給熱系數 W/(m2K),換熱器殼程都是橫掠管束流動，換熱管排列分為直列和錯列兩種，流體沖刷直列和錯列

19、管束的情景是不同的。 錯列時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，比直列時在管間走廊通道的流動擾動更為強烈，故錯列比直列傳熱要快，但錯列的流動阻力較大，清洗不如直列容易。 影響管束傳熱的因素除Re, Pr數外，還有管子排列方式，管間距和管排數，給熱系數,應用范圍： 特征尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。 定性溫度：流體進、出口溫度的算術平均值。,B 流體在管外作強制對流,1 流體在管束外橫掠流動,各排的給熱系數不同，應按下式求其平均值。,列管式換熱器，各排的管數不同。裝有折流擋板，先是橫掠管束，在繞過折流擋板時，則變?yōu)轫樦茏拥姆较蛄鲃?。由于流速和流向的不斷變化，Re100

20、即達到湍流。 換熱器內裝有圓缺型擋板時，殼程給熱系數：,(1)Re=312104時 (2)Re=21031106時,2 流體在換熱器殼程的傳熱,定性溫度除w取壁溫外，其余均取流體平均溫度。 特征尺寸要用當量直徑，根據管子的排列方式。 直列時 錯列時,流速u按管間最大流通截面積A計算 D換熱器外殼內徑，m； l兩折流擋板間距，m。,C 自然對流傳熱系數,所謂大容積自然對流，如：無攪拌時釜內液體的加熱；傳熱設備外表面與周圍環(huán)境大氣之間的對流傳熱,（二）、流體有相變化時的對流傳熱系數,1 蒸汽泠凝的對流傳熱,蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源，在鍋爐內利用煤燃燒時產生的熱量將水加熱汽化，使之產生蒸汽。蒸汽具有

21、一定的壓力，飽和蒸汽的壓力和溫度具有一定的關系。蒸汽在飽和溫度下冷凝成同溫度的冷凝水時，放出冷凝潛熱，供冷流體加熱。,(1) 蒸汽冷凝的方式 膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜膜狀冷凝時蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去，此時，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液籍重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數隨之越小。, 滴狀冷凝： 凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液滴，且不斷成長變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾下，在下滾過程中，一方面會合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給

22、熱系數約為膜狀冷凝的510倍甚至更高。,實現滴狀冷凝的方法：一是在壁面上涂一層油類物質，二是在蒸汽中混入油類或脂類物質。對紫銅管進行表面改性處理，能在實驗室條件下實現連續(xù)的滴狀冷凝，但在工業(yè)換熱器上應用，尚待時日。,特征尺寸：l取垂直管或板的高度。 定性溫度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均溫度下的值。 k、凝液的導熱系數，密度和粘度； r冷凝潛熱，kJ/公斤； t蒸汽飽和溫度ts與壁面tw之差，。,(2) 膜狀冷凝的傳熱系數,蒸汽在垂直管外或垂直板側的冷凝 當Re2100時，膜內為滯流,若Re2100，膜層為湍流,垂直管外和板側膜層雷諾數的表達式 W凝液質量流量，公斤/s； b浸潤周邊長度

23、，m； M冷凝負荷，M=W/b； A膜層流通截面積，m2； de液膜當量直徑，m。,牛頓冷卻定律改寫成,式中 稱為無因次冷凝給熱系數。以h*表示，則 同理，式(7.4-22)亦可整理為,A 蒸汽在水平單管及水平管束外冷凝 水平單管 凝液受重力作用沿管壁周向向下流動并脫離管壁，液膜愈往下愈厚，其平均給熱系數可用下式計算,水平管束 上面管子產生的凝液流到下面管子上，使下面管子液膜厚度增加，傳熱減慢，但另一方面，凝液下落時會產生一定的撞擊和飛濺，這種附加的擾動又會使傳熱加快。,式中h為水平單管的冷凝給熱系數，km為管束校正系數。如果管束的總管數為N，則管束校正系數為,(3) 影響冷凝傳熱的其它因素

24、蒸汽流速和流向 蒸汽流動會在汽液界面上產生摩擦阻力，若蒸汽與液膜流向相同，則會加速液膜的流動，使液膜減薄，傳熱加快。 不凝性氣體 蒸汽中含有不凝性氣體時，即使含量極微，也會對冷凝傳熱產生十分有害的影響。例如水蒸汽中含有1%的空氣能使給熱系數下降60%。不凝性氣體將會在液膜外側聚積而形成一層氣膜，冷凝器操作中及時排除不凝性氣體至關重要。 過熱蒸汽 溫度高于其飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽，實驗表明，在大氣壓力下，過熱30的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數高1%，而過熱540的蒸汽的給熱系數高30%，所以在一定情況下不考慮過熱的影響，仍按飽和蒸汽進行計算。,2 液體的沸騰傳熱 工業(yè)上經常需要將液體加熱使之沸騰

25、蒸發(fā)，如：在鍋爐中把水加熱成水蒸汽；在蒸發(fā)器中將溶劑汽化以濃縮溶液，都是屬于沸騰傳熱。 大容積沸騰是指加熱面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰現象，此時，液體的運動由自然對流和汽泡的擾動所引起的。 強制對流沸騰是指液體在管內流動的過程中而受熱沸騰的現象，此時，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動，形成汽液兩相流動，沿途吸熱，直至全部汽化。,(1)液體的沸騰曲線 液體主體達到飽和溫度ts，加熱壁面的溫度tw，隨壁面過熱度t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現出不同的傳熱規(guī)律。圖表示水在一個大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過熱度t的變化關系，稱為沸騰曲線。,自然對流沸騰區(qū)：過熱度t較小，加熱

26、壁面處的液體輕微過熱，產生的汽泡在升浮過程往往尚未達到自由液面就放熱終結而消失。其給熱系數h和熱流密度q比無相變自然對流略大。如圖中AB段所示。 核狀沸騰區(qū)：隨著t的增大，在加熱面上產生汽泡數量增加，汽泡脫離時，促進近壁液體的摻混和擾動，故給熱系數 h和熱流密度都迅速增加，如圖中公元前所示。 過渡沸騰區(qū)：當t增大至過C點后，加熱面上產生的汽泡數大大增加，且汽泡的生成速率大于脫離速率，汽泡脫離壁面前連接成汽膜，由于熱阻增加，給熱系數h與熱流密度 q均下降，如圖中CD所示。 膜狀沸騰：t繼續(xù)增大，汽泡迅速形成并互相結合成汽膜覆蓋在加熱壁面上，產生穩(wěn)定的膜狀沸騰，此時，由于膜內輻射傳熱的逐漸增強，給

27、熱系數h和熱流密度又隨Dt的增加而升高。如圖DE所示。,燒毀點：由圖可知，點C和E的熱流密度相等。當熱流密度增至qc后，為進一步提高傳熱速率，t必須增至tE以上，這時的壁面溫度有可能高于換熱器的金屬材料的熔化溫度。所以C點稱為臨界點，亦稱為燒毀點。,汽泡的生成依賴于兩個條件：一是液體必須過熱；二是加熱壁面上應存在有汽化核心。傳熱表面的汽化核心與該表面的粗糙程度，氧化情況以及材質等諸多因素有關，這是一個十分復雜的問題，有些情況至今尚不清楚，目前比較一致的看法是：粗糙表面上微細的凹縫或裂穴最可能成為汽化核心，在凹穴中吸附了微量的氣體或蒸汽，這里就成為孕育新生汽泡的胚胎。,(2) 沸騰傳熱過程的機理

28、,大容積飽和核狀沸騰 核狀沸騰傳熱速率的影響因素甚為復雜，迄今為止的認識還很膚淺，一般采用因次分析的方法。,管內沸騰傳熱 圖示出了垂直管內液體沸騰過程中出現的流動型態(tài)和傳熱類型，液體進入管內至開始產生汽泡的這一段為單相液體的無相變加熱過程，液體開始產生汽泡時，液體主體尚未達到飽和溫度，處于過冷狀態(tài)，稱為過冷沸騰。繼續(xù)加熱而至飽和溫度時，即進入泡狀沸騰區(qū)，形成泡狀流和塊狀流(汽泡匯合成塊)，隨著蒸汽含量的進一步增加，大汽塊進一步合并，在管中心形成汽芯，稱為環(huán)狀流。環(huán)狀液膜受熱蒸發(fā)，逐漸變薄，直至液膜消失，稱為蒸干。對濕蒸汽繼續(xù)加熱，最后進入干蒸汽的單相傳熱區(qū)。,第四節(jié) 輻射傳熱,一、基本概念,不

29、直接接觸的兩物體可以不依賴其間的任何介質而傳遞輻射熱，通常把物體發(fā)射輻射能以及輻射能的傳播成為輻射，如果發(fā)射的輻射能是與物體的溫度有關的熱能轉換的，則稱為熱輻射。,熱射線在物理本質上與光射線一樣服從反射和折射定律。當物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收(QA),一部分被反射回去(QR), 一部分透過物體(QD), 其中被吸收的這部分可以轉化為熱能。,(一) 輻射產生的原因和特點,(二) 投射在物體上輻射能的分布,A、R和D分別為物體吸收率、反射率和透過率。,黑體：當A=1, R=D=0時，表明輻射能全部被吸收。自然界中并不存在絕對黑體，黑墨表面， A=0.960.98，定

30、義黑體的目的是為了在計算中確定一個比較的標準。,透熱體：當D=1, A=R=0時，表明輻射能全部透過物體。例如對稱雙原子氣體O2、N2、H2等都是透熱體。,灰體：工業(yè)上常見固體材料被稱作“灰體”，所謂灰體是指它只能部分地吸收發(fā)射來的熱射線，其余則反射回去，即A+R=1。,固體材料的吸收率和反射率的大小取決于物體的性質，溫度和表面狀況。,鏡體：當R=1, A=D=0時，表明輻射能全部被反射。自然界中也不存在絕對鏡體，例如表面拋光的銅，其反射率R=0.97。,(三) 黑體 白體 透明體 不透明體 灰體,二 斯蒂芬波爾茨曼定律,黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式

31、。,E物體的輻射能力，單位時間內物體單位面積發(fā)射總輻射能，因次為W/m2。,C0黑體輻射系數，C0=5.67W/(m2K4)。,黑體輻射能力Eb與絕對溫度T關系為：,任何物料輻射能力與吸收率之比恒等于同溫度下黑體輻射能力 C=AC0灰體的輻射系數。 對于實際物體A1, CC0。 將黑體作為輻射計算的比較標準。,黑度 灰體輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比，以表示：,結論：黑體的輻射能力最大，物體吸收率越大，輻射能力越強。,上式即為克?；舴蚨伞?三 克?；舴蚨?設有兩塊相距很近平行平板。若板1為灰體，其輻射能力、吸收率和溫度分別為E1、A1和T1，板2為黑體，其輻射能力，吸收率和溫度分別為E

32、2(=Eb),A2(=1)和T2，且T1T2，板1發(fā)射的能量為E1，獲得的能量為A1Eb，其差額即凈的輻射傳熱量q=E1-A1Eb，當兩個物體的溫度相等時，輻射傳熱達到平衡狀態(tài)，即q=0，也即E1=A1Eb或E1/A1=Eb，則得,比較得A =，即同一溫度下，物體的黑度在數值上等于它的吸收率。,上式為灰體輻射能力的計算公式，為求灰體的輻射能力，需知灰體的黑度。黑度值可以通過實驗測定，其值與材料的性質，溫度和表面狀況有關，常用材料的黑度列于表中。,某些工業(yè)材料的黑度,四 兩固體間的輻射傳熱,若兩物體的溫度各為T1和T2，且T1T2，則物體1發(fā)射E1至物體2時，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射

33、回去的能量又被物體部分吸收和部分反射，如此無窮往返直至E1被全吸收為止，從物體2發(fā)射的輻射能E2，也要經歷反復吸收和反射的過程。,發(fā)射或反射的能量不一定能全部投射到對方物體上，因此，在計算兩固體間輻射傳熱時，必須考慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小，以及兩者之間的距離和位置。,C1-2總輻射系數，它與兩個灰體的黑度和相對位置有關; Aw輻射面積，m; 角系數，表示物體1發(fā)射能量被物體2截獲的百分率。 表給出了幾種簡單情況下輻射面積，角系數和總輻射 系數的確定方法。,較高溫度的物體1傳給較低溫度的物體2的輻射熱量：,五 對流和輻射的聯合傳熱,許多化工設備的外壁溫度高于周圍環(huán)境大氣的溫度，這些設

34、備的表面以對流和輻射兩種形式向環(huán)境大氣散失熱量，因此，設備的熱損失應為對流傳熱量和輻射傳熱量之和，由于對流而損失的熱量為,高溫設備的熱損失,由于輻射而損失的熱量可用式(7.5-9)表示，為處理方便起見，將該式寫成與式(7.5-10)相同的形式,式中 ：稱為對流輻射聯合給熱系數。為減少熱損失，常在設備表面上敷設一層或若干層保溫層，保溫層的存在，加大了設備的導熱熱阻，使保溫層外表面的溫度tw大為降低，從而削弱熱損失。聯合給熱系數用下列近似關系式計算。 在平壁保溫層外：,在管道或圓筒壁保溫層外：,hR稱為輻射給熱系數, 因設備被環(huán)境大氣所包圍，=1，于是,上兩式適用于tw150場合。由式可知，設備壁

35、面溫度越高，熱損失越大,一、傳熱溫差,參與熱交換的兩種流體或其中之一有溫度變化，熱流體放出熱量溫度沿程降低，冷流體獲得熱量溫度流程升高，冷熱流體的溫度差沿換熱器表面各點是不同的。,當用傳熱基本方程式計算整個換熱器的傳熱速率時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差。,平均溫差還與參與換熱的兩流體的流動方式有關，流體的流動方式不同，平均傳熱溫差不同。,第五節(jié)傳熱過程的計算,逆流,并流,并流,假定： 在傳熱過程中，熱損失忽略不計； 兩流體的比熱為常數，不隨溫度而變； 總傳熱系數K為常數，不沿傳熱表面變化。,（一）逆流或并流時的平均溫差,逆流,【例4-5】在套管換熱器中用20的冷卻水將某溶液從100冷卻至

36、60，溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為3.5kJ/(公斤)，已測得水出口溫度為40，試分別計算并流與逆流操作時的對數平均溫差。若已知并流和逆流時總傳熱系數K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。,平均溫差是換熱器兩端溫差的對數平均值，稱對數平均溫差。并流逆流平均溫差計算式相同，兩端溫差的計算方法不同。,解：逆流和并流的平均溫差分別是：,傳熱負荷為：,逆流操作和并流操作時換熱器的面積分別是：,采用逆流傳熱的另一優(yōu)點是節(jié)約載熱體的用量，以物料的加熱為例，加熱劑的用量,當T1、T2、t1和 t2不變時，逆流傳熱的平均溫差大于并流傳熱的平均溫差，逆流操作所需的傳熱面積小于并

37、流操作的傳熱面積。,并流時T2恒大于t2，但逆流時T2有可能低于t2，逆流時熱流體的出口溫度有可能低于并流逆流時熱流體的用量有可能比并流時為少。一般都采用逆流操作。,但是并流也有它的特點，例如工藝上要求被加熱的流體不得高于某一溫度，或被冷卻的流體不得低于某一溫度，采用并流較易控制。,參與換熱的兩流體中只有一個流體變溫的情況，例如在冷凝器中用飽和蒸汽將某冷流體加熱，或在蒸發(fā)器中利用熱流體的顯熱使某液體沸騰，并流與逆流的對數平均溫差相等。,參與換熱的兩種流體的溫度都恒定不變，例如在蒸發(fā)器中用飽和蒸汽加熱液體使之蒸發(fā)汽化。換熱器間壁一側為飽和水蒸汽冷凝，冷凝溫度T恒定不變，間壁另一側液體沸騰汽化，其

38、沸騰溫度保持在沸點t不變，則換熱器的傳熱溫差 亦為定值。,兩種流體在列管式換熱器中流動并非是簡單的并流和逆流，而是比較復雜的多程流動，既有折流又有錯流。,錯流是指兩流體在間壁兩側彼此的流動方向垂直；,一種流體作折流流動，另一種流體不折流，或僅沿一個方向流動。,若兩種流體都作折流流動或既有錯流又有折流，稱為復雜折流。,復雜折流,錯流,簡單折流,（二）錯流和折流時的平均溫差,稱為溫差修正系數，表示為P和R兩參數的函數,式中,式(7.2-23)表示的溫差修正曲線繪于圖7-5(a)、(b) 和 (c)中。,錯流或折流時的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據流動型式加以修正,溫差修正系數1，即tmt

39、m，逆，換熱器設計時值不應小于0.8，否則不經濟。增大的一個方法就是改用多殼程。,總傳熱系數K綜合反映傳熱設備性能，流動狀況和流體物性對傳熱過程的影響，倒數1/K稱為傳熱過程的總熱阻。,冷、熱兩流體的溫度分別為T和t，給熱系數分別為h2和h1，管壁熱側表面和冷側表面的溫度分別為Tw和tw, 間壁兩側面積分別為A1和A2，流體通過間壁的熱交換經過“對流傳導對流”三個串聯步驟。,二、總傳熱系數,冷熱兩流體通過間壁進行熱交換的總熱阻等于兩個對流熱阻與一個導熱熱阻之和，這和串聯電路的歐姆定律是類似。,根據列管換熱器標準，傳熱面積以換熱管外表面計算,式中 為管壁的對數平均直徑,當間壁為平壁，或管壁很薄或

40、管徑較大時，各面積相等或近似相等,若導熱熱阻很小，則,若 ，則 ， ，,若 ，則 ， ，,管內流體對流傳熱控制。,管外流體對流傳熱控制。,總傳熱系數總是更接近數值較小的給熱系數，欲提高K值，關 鍵是提高較小的給熱系數。,例4-6：某空氣加熱器，蒸汽在管間冷凝，以加熱管內流動的 空氣，已知空氣側給熱系數h150W/m2K ，蒸汽冷凝給 熱系數h25000W/m2K，為強化傳熱，現 （1）將蒸汽給熱系數提高1倍，求總傳熱系數； （2）將空氣給熱系數提高1倍，求總傳熱系數。,解：,計算表明： 提高大給熱系數， 總傳熱系數基本 不變； 提高小給熱系數 1倍，總傳熱系數 提高近1倍。,獲取K的其他途徑：

41、, 查取K值 在有關傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經驗數值，但應選用工藝條件接近、傳熱設備類似的較為成熟的經驗K值作為設計依據，表7-1列出了一些條件下經驗K值的大致范圍，供設計時參考。, 實驗測定 通過實驗測定現有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：,實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大，這主要是由于計算給熱系數h的關聯式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準確等原,因所致，因此，使用計算的K值時應慎重，最好與另外兩種方法作對照，以確定合理的K值。,列管換熱器總傳熱系數K的經驗數據,污垢熱阻,換熱器在運行一段時間后，流體介質中可沉積物會在換

42、熱表面上生成垢層，有時換熱面還會被流體腐蝕而形成垢層。垢層的生成對傳熱產生附加熱阻，使總傳熱系數減小，傳熱速率顯著下降。,若垢層厚度為s，垢層導熱系數為s，則垢層熱阻為Rs=s/s。因為垢層導熱系數很小，即使厚度不大，垢層熱阻也很大，往往成為主要熱阻，必須給予足夠重視。,由于垢層的厚度和導熱系數不易準確估計，工程計算上通常是選用污垢熱阻的經驗數值。如管壁內側和外側的污垢熱阻分別是Rs1和Rs2，則總熱阻,用Rf表示管壁內外兩側污垢熱阻之和，則,式中K2為清潔表面的總傳熱系數，K2是結垢表面的總傳熱系數，分別測得這兩個傳熱系數，即可確定Rf值。,污垢熱阻的大致數值,【例4-7】在雙管程列管式換熱

43、器中用0.3MPa (表壓)的飽和蒸汽將流量為2000kg/h的某溶液從20加熱至80，溶液走管程，蒸汽走殼程，冷凝水于飽和溫度下排出，換熱器內裝有46根f 252.5mm的管子，已知溶液的比熱CP=2.8kJ/(公斤K)，密度r=850kg/m3，總傳熱系數K=1000W/(m2K), 傳熱溫差近似取為蒸汽的飽和溫度與溶液的平均溫度之差，溶液的平均溫度取為進、出口溫度的算術平均值。忽略換熱器的熱損失，試確定： 溶液在管內的流速； 蒸汽的消耗量； 換熱管的長度。,解： 溶液的體積流量：,管程流通截面積：,管內平均流速：, 查得表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝潛熱r=2140kJ/kg, 蒸汽消

44、耗量, 表壓0.3MPa下飽和蒸汽的冷凝溫度ts=142.9, 傳熱溫差：,根據傳熱速率方程,換熱管長度：,在計算強制對流、自然對流、冷凝和沸騰傳熱的給熱系數以及設備的熱損失時，需要知道壁溫，此外，在選擇換熱器類型和管材時，也需要壁溫數據。,由于換熱器間壁兩側流體的溫度不同，間壁兩側表面的溫度也是不同的，但是金屬間壁的熱阻通常很小，因而忽略間壁溫度的差異。若間壁兩側流體的平均溫度分別為T和t，給熱系數分別為 h1和h2，則間壁平均溫度tw滿足下式,近似取,由于壁溫tw未知，因而給熱系數h1和h2也是未知的，因此，由式求解壁溫需要試差計算。,三、壁溫的估算,【例4-8】兩流體在列管式換熱器中進行

45、熱量交換，已知管內熱流體的平均溫度為175，給熱系數為10000W/(m2K)，管外冷流體的平均溫度為120，給熱系數為1000 W/(m2K)，忽略管壁熱阻和污垢熱阻，試計算管壁的平均溫度。 解：根據管壁平均溫度的計算公式,方法是：先假設一壁溫，據此計算兩個給熱系數，進而由式計算壁溫，直至計算的壁溫和假設的壁溫相一致。假設壁溫時應作粗略估計，由式知，溫差與熱阻成正比，也即：壁溫接近給熱系數較大一側流體的溫度。,tw=170,傳熱過程的強化占有十分重要的地位，設計和開發(fā)高效換熱設備, 可以達到節(jié)能降耗的經濟目的。 相反，許多場合需要力求削弱傳熱，隔熱保溫技術在高溫和低溫工程中對提高經濟效益關系

46、重大，已經發(fā)展成為傳熱學的一個重要分支。,傳熱強化,不難看出，提高方程式右邊任何一項，均可達到提高換熱器傳熱能力的目的，但究竟哪一個環(huán)節(jié)是傳熱的控制步驟，則需要具體問題作具體分析，只有針對傳熱過程的薄弱環(huán)節(jié)采取強化措施，才能收到預期的效果。,四、強化傳熱的途徑,物料的溫度是由工藝條件給定的，不能任意變動； 加熱劑(或冷卻劑)的進口溫度往往也是不能改動的； 冷卻水的初溫決定于環(huán)境氣候，出口溫度雖可通過增大水流量而降低，但流動阻力迅速增加，操作費用升高；,增加傳熱溫差,在生產上常常采用增大溫差的方法來強化傳熱：,但在大多數情況下：,用飽和蒸氣作加熱介質，通過增加蒸汽壓力來提高蒸汽溫度； 在水冷器中

47、降低水溫以增大溫差； 冷熱兩流體進出口溫度固定不變，逆流操作增加傳熱溫差。,由熱力學第二定律，傳熱溫差越大，有效能損失越大，于是，非但不能增大溫差，有時還要減小溫差，以降低有效能損失。,由總傳熱系數關系式,提高K值，必須設法提高冷熱流體的兩個給熱系數，降低間壁熱阻和污垢熱阻，但應分清矛盾的主次，重點放在薄弱環(huán)節(jié)上。 對于金屬壁面，導熱一般不構成主要熱阻，垢層熱阻隨使用時間的延長而變大，往往成為控制傳熱速率的主要因素，防止結垢和除垢是保證換熱器正常工作的重要措施。,當污垢也不構成影響傳熱的主要因素時，則間壁兩側的對流傳熱熱阻就構成問題的主要方面，若兩個h存在數量級的差別時，傳熱的薄弱環(huán)節(jié)處在較小h一方，應設法增加小h的數值，若兩個h數值相近，應同時予以提高。,提高傳熱系數,對流傳熱時，熱量以導熱方式通過滯流底層，對流熱阻主要集中在這里，因此，強化傳熱的方法是：減薄滯流底層的厚度，