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1、第四章 传 热,传热过程在化工生产中的应用,传热的三种基本方式,传热基本方程,热负荷的计算,稳定传热和不稳定传热,第一节 概述,一、 传热 过程在化工中的应用,传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，通常来说有温度差的 存在就有热的传递，也就是说温差的存在是实现传热的 前提条件或者说是推动力，在化工中很多过程都直接或间接的与传热有关。但是进行传热的 目的不外乎是以下三种： 1.加热或冷却 2.换热 3.保温 可见，传热过程是普遍存在的。,二、 传热的三种基本方式,一个物系或一个设备只要存在温度差就会发生热量传递，当没有外功加入时，热量 就总是会自动地从高温物体传递到低温物体。根据传热的
2、机理不同，热传递有三种基本方式：热传导，热对流和热辐射。化工生产中碰到的各种传热现象都属于这三种基本方式。,（一） 热传导（导热）,一个物体的两部分连续存在温差，热就要从高温部分向低温部分传递，直到个部分的温度相等为止，这种传热方式就称为热传导。,物质的三态均可以充当热传导介质，但导热 的机理因物质种类不同而异，具体为： 固体金属：自由电子运动在晶格之间； 液体和非金属固体：个别分子的动量传递； 气体：分子的不规则运动。,（二） 对流传热,热对流是指物体中质点发生相对的位移而引起的热量交换，热对流是流体所特有的一种传热的方式，即存在气体或液体中，在固体中 不存在这种传热方式。其中只有流体的质点
3、能发生的相对位移。据引起对流的原因不同可分为：自然对流和强制对流。,热对流与流体运动状况有关，热对流还伴随有流体质点间的热传导，工程上通常将流体与固体之间的热交换称为对流传热，即包含了热传导和热对流。,（三）热辐射,热辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。一切物体都能以这种方式传递能量，而不借助任何传递介质。通常在高温下热辐射才是主要方式。,三、传热基本方程,当两种流体间需要进行换热而又不允许直接混合时，需在间壁式换热器中进行换热。如在间壁式换热器中，热流体通过管壁将热量传给冷流体热传递的快慢用传热速率来表示。传热速率是指单位时间内通过传热面传递的能量单位是。,换热器的传热速率Q与传热面积A和冷
4、热两种流体的平均温差tm成正比;,即Atm ：传热速率 , tm：两流体的平均温度差,K ：比例系数，总传热系数 ，因次W/(m2K)。 上式为传热速率方程或传热基本方程，是换热器传热计算的重要依据。传热速率是换热器在一定的操作条件下的换热速率。而热通量q是指单位传热面积上的传热速率。常见的间壁式换热器有套管换热器和列管换热器。见下图：,套管式换热器 1内管 2外管,单程列管式换热器 1 外壳 2管束 3、4接管 5封头 6管板 7挡板,双程列管式换热器 1壳体 2管束 3挡板 4隔板,不同的换热器的传热面积计算：,而流通截面积,式中m为管程数。,四、 热负荷的计算,生产中常把单位时间内的流体
5、 所放出或吸收的热量称为热负荷。如果无外功输入，位能，动能可忽略，不考虑热损失，并传热良好时，由能量守恒定律得，单位时间热流体放出的热量应等于冷流体所吸收的热量。,热流体冷却放出的热量,冷流体加热需要得到的热量,物料蒸发或冷凝需要供给或移除的热量是,过热蒸汽冷凝，过冷液体蒸发，既有显热，又有潜热,（一） 无相变化时,（）比热法 hph（） cph（tt1） ： 换热器的热负荷 h h，c： 热冷流体的质量流量h ph，pc：热冷流体的平均比热 ，：热冷流体的开始，终了温度，K t1，t2： 热冷流体的开始，终了温度，K,（）热焓法,h（h1h2） c（cc1） ： 换热器的热负荷 h h，c：
6、 热冷流体的质量流量h h1，h2：热流体的进出口的焓g c1，c2：冷流体的进出口的焓g 。,换热器中热流体为饱和蒸汽，当冷凝时有相的变化，但是冷凝液在饱和温度下离开换热器,（二）有相变的传热,hrcpc（t1t2） r ：为饱和蒸汽冷凝潜热 其值等于在饱和蒸汽的焓与该温度下的液体焓的差 如果冷凝液在低于饱和温度之下排出时，则用下式计算热负荷 hrph（s） cpc（t2t1） 式中ph为冷凝液的比热; s为冷凝液的饱和温度,可见，热流体放出的热量被冷流体所吸收，冷流体获得的热量等于热流体放出的热量。根据热量恒算式，可由既定的传热任务求得载热体的消耗量。,五 稳定传热和不稳定传热,稳定传热：
7、在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。,不稳定传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。 化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。,第二节 热传导,一、平壁稳定热传导,单层平壁导热速率的工作方程式,温度差称为传热推动力，R称为导热热阻。,导热系数k是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导热能力的强弱，其值越大，导热能力越强。工程上通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料，例如，需要提高导热速率的场合
8、选用导热系数大的材料，反之，需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。,金属 1-400 W/(m2K) 建筑材料 0.1-1 W/(m2K) 绝热材料 0.01-0.1 W/(m2K) 液体 0.1-0.6 W/(m2K) 气体 0.005-0.05 W/(m2K),各种物质导热系数的大致范围如下：,工业上经常遇到多层平壁导热的情况，如用耐火砖、保温转和青砖筑成的三层炉壁。仿照串联电路的欧姆定律，对于三层热阻的串联导热，稳态下，有,二、圆筒壁稳定热传导,热量通过列管式换热器的管壁和圆筒型设备的器壁的传导即为圆筒壁的热传导，圆筒壁的导热速率可以表示为,圆筒壁的导热速率式与平壁的导热速率式具有
9、相同的数学形式，只不过圆筒壁的传热面积随径向位置而变，应取平均面积作为传热面积。,工业上经常遇到多层圆筒壁的导热，如图7-10所示，在蒸汽管道外包裹绝热层；在换热管的内、外侧表面上生成垢层，从而构成多层圆筒壁。参照多层平壁的处理方法，可得：,如果需要计算多层圆筒壁交界面上的温度，可用下式,【例4-1】一套管换热器的内管为252.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120，试求此换热器单位管长
10、的传热量。 解：换热器的热流密度,W/m,代入数据得,【例4-2】一套管换热器的内管为252.5mm的钢管，钢的导热系数为45 W/(mK)，该换热器在使用一段时间以后，在换热管的内外表面上分别生成了1mm和0.5mm厚的污垢，垢层的导热系数分别为1.0 W/(mK)和0.5 W/(mK)，已知两垢层与流体接触一侧的温度分别为160和120，试求此换热器单位管长的传热量。 解：换热器的热流密度,W/m,代入数据得,【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成： 耐火砖 k1=1.4W/(mK), b1=225mm 保温砖 k2=0.15W/(mK), b2=115mm 保温砖 k3=0.8W/(m
11、K), b3=225mm 今测得其内壁温度为930，外壁温度为55，求单位 面积的热损失。 解：由串联热阻的概念,W/m2,第三节 对流传热,一、对流传热过程分析,二、牛顿冷却定律,三、对流传热系数及其影响因素,四、对流传热系数的因次分析,由于对流传热的多样性，有必要将问题分类加以研究。,在强制对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将给热系数的影响因素表示为 u流体速度，反映流体流动状况影响 , k, Cp流体密度、粘度、导热系数和比热，反映物性影响 l传热表面的特征尺寸，反映传热面几何因素的影响。,在自然对流传热中，流体流动是由浮升力引起的，故将u代以浮升力而得自然对数传热中给热系数的影响因
12、素表示式 gt表示流体由于温差t而产生的浮升力， 称为流体的膨胀系数，因次为1/。,对于几何相似的设备，运用因次分析法，写成准数式 上两式中各准数的意义见表。,努塞尔准数 ； 待求准数，包括待求的给热系数,雷诺准数 ； 反映对流强度对传热的影响,普兰特准数 ； 反映流体物性的影响,格拉斯霍夫准数 ；反映自然对流的影响,借助实验研究方法求取以上各类别中的具体准数关联式。,在学习为数繁多的关联式时，应注意以下三个方面的问题。,应用范围 只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。 定性温度 取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度； 高粘度流体用壁温作粘度定性温度；冷凝传热取凝 液主体温度和壁温的算
13、术平均值作为定性温度。 特征尺寸 传热面的几何因素有时是很复杂的，一般选取对传 热起决定作用的几何因素作为特征尺寸，管内流动 取管内径作为特征尺寸；管外的流动取管外径作为 特征尺寸，等等。,管内对流传热还与流体的入口效应有关，在流动边界层与传热边界层尚未充分发展的所谓“进口段”，给热系数还要受到速度分布和温度分布的影响，进口段的给热系数高于充分发展后的给热系数值。,入口效应,五、对流传热系数关联式,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； 。 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
14、径d1。,（一 ）、流体无相变时的对流传热系数,1 流体在管内作强制对流,园形直管强制湍流的给热系数,流体在圆形直管内作强制湍流时，对于低粘度流体，则有,A 管内流动,n取不同的数值，这是为了反映热流方向对给热系数的影响。,对于气体 由于Pr1，即Pr0.4Pr0.3，气体被加热的给热系数小于被冷却给热系数。这是由于气体粘度随温度升高而增大，气体被加热时的边界层较厚的缘故。,对于液体 由于Pr1，所以Pr0.4Pr0.3，即液体被加热的给热系数大于被冷却的给热系数。这是因为：当液体被加热时，管壁处滞流底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液体粘度随温度升高而降低，故贴壁处液体粘度较小，使滞流底
15、层的实际厚度比用液体主体温度计算的厚度要薄，给热系数较大。,液体被加热 1.05，液体被冷却 0.95。,园形直管内高粘度液体无相变传热，给热系数,应用范围：Re10000；0.7Pr16700；,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作定性温度。,特征尺寸：取为管内径。,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，给热系数应乘以一个大于1的修正系数：,3 流体在非圆形管中流动,d为管内径，R为弯曲半径。,2 流体在弯管作强制对流,特征尺寸应用当量直径de。例如内管外径为d1，外管内径为d2的同心套管环状通道，当量直径,在管进口段，流动尚未充分发展，传热边界层较薄，
16、给热系数较大，需进行入口效应修正对于 的换热管，应考虑进口段对给热系数的增加效应。故将所得h乘以修正系数：,其它条件一定时，可有 ，于是，当流量由W增至W时，给热系数由增至 ，则 由此可见，提高流速可以强化传热，这也是调节换热器以适应生产要求的根据所在。但流速升高，流动阻力增大，用提高流速的方法来强化传热是以增加动力消耗为代价的。,应用范围：Re2300；Pr0.6。,定性温度：w取壁温，其余取进、出口温度的算术平均值。 特征尺寸：管内径d1。,4 流体在圆形管内强制滞流,5 流体在圆形管内 过渡流,在Re=230010000的过渡区，作为粗略计算，可按湍流传热的公式计算h值，然后乘以修正系数
17、f：,【例4-4】套管换热器外管内径60mm，内管规格384.0mm，用水将为2500kg/h的某液体有机物从100冷却至40，水走管内，有机物走环隙，逆流流动，操作温度下，有机物密度860kg/m3, 粘度2.810-3N?s/m2，比热2.26kJ/(公斤?)，导热系数0.452W/(m?), 水的进、出口温度分别为15和45，热损失忽略不计。试求：(1)水对管内壁的给热系数；(2)有机溶液对管外壁的给热系数；(3)若将水流量增加20%，其他条件不变，重求水对管内壁的给热系数。,解： 水的定性温度： ，查得 2=995.7kg/m3, 2=0.0008Ns/m2, k2=0.618W/(m
18、K) Cp2=4.174kJ/(公斤K) 根据热量衡算式求得水流量 公斤 管内流速： m/s,水侧给热系数： W/(m2K） 套管环隙当量直径de=d2-d1=0.060-0.04=0.02mm, 环隙流速 m/s (过渡流),根据过渡流给热系数的计算方法，有 W/(m2K) 故得溶液侧给热系数： W/(m2K) 水流量增加后的给热系数 W/(m2K),换热器壳程都是横掠管束流动，换热管排列分为直列和错列两种，流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的。 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
19、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,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。,B 流体在管外作强制对流,1 流体在管束外横掠流动,各排的给热系数不同，应按下式求其平均值。,列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板，先是横掠管束，在绕过折流挡板时，则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断变化，Re100即达到湍流。 换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数：,(1)Re=312104时 (2)Re=21031106时,2 流体在换热器壳程的传热,定性温度除w取壁温外，其
20、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 错列时,流速u按管间最大流通截面积A计算 D换热器外壳内径，m； l两折流挡板间距，m。,C 自然对流传热系数,所谓大容积自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热,（二）、流体有相变化时的对流传热系数,1 蒸汽泠凝的对流传热,蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽具有一定的压力，饱和蒸汽的压力和温度具有一定的关系。蒸汽在饱和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供冷流体加热。,(1) 蒸汽冷凝的方式 膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁
21、面，它就在壁面上铺展成膜膜状冷凝时蒸汽放出的潜热必须穿过液膜才能传递到壁面上去，此时，液膜层就形成壁面与蒸汽间传热的主要热阻。若凝液籍重力沿壁下流，则液膜越往下越厚，给热系数随之越小。, 滴状冷凝： 凝液不能完全润湿壁面，在壁面上形成一个个小液滴，且不断成长变大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滚下，在下滚过程中，一方面会合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面扫清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。没有完整液膜的阻碍，热阻很小，给热系数约为膜状冷凝的510倍甚至更高。,实现滴状冷凝的方法：一是在壁面上涂一层油类物质，二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改性处理，能在实验室条件下实现连
22、续的滴状冷凝，但在工业换热器上应用，尚待时日。,特征尺寸：l取垂直管或板的高度。 定性温度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均温度下的值。 k、凝液的导热系数，密度和粘度； r冷凝潜热，kJ/公斤； t蒸汽饱和温度ts与壁面tw之差，。,(2) 膜状冷凝的传热系数,蒸汽在垂直管外或垂直板侧的冷凝 当Re2100时，膜内为滞流,若Re2100，膜层为湍流,垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式 W凝液质量流量，公斤/s； b浸润周边长度，m； M冷凝负荷，M=W/b； A膜层流通截面积，m2； de液膜当量直径，m。,牛顿冷却定律改写成,式中 称为无因次冷凝给热系数。以h*表示，则 同理，式(7.4-
23、22)亦可整理为,A 蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝 水平单管 凝液受重力作用沿管壁周向向下流动并脱离管壁，液膜愈往下愈厚，其平均给热系数可用下式计算,水平管束 上面管子产生的凝液流到下面管子上，使下面管子液膜厚度增加，传热减慢，但另一方面，凝液下落时会产生一定的撞击和飞溅，这种附加的扰动又会使传热加快。,式中h为水平单管的冷凝给热系数，km为管束校正系数。如果管束的总管数为N，则管束校正系数为,(3) 影响冷凝传热的其它因素 蒸汽流速和流向 蒸汽流动会在汽液界面上产生摩擦阻力，若蒸汽与液膜流向相同，则会加速液膜的流动，使液膜减薄，传热加快。 不凝性气体 蒸汽中含有不凝性气体时，即使含量极微，
24、也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽中含有1%的空气能使给热系数下降60%。不凝性气体将会在液膜外侧聚积而形成一层气膜，冷凝器操作中及时排除不凝性气体至关重要。 过热蒸汽 温度高于其饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽，实验表明，在大气压力下，过热30的蒸汽较饱和蒸汽的给热系数高1%，而过热540的蒸汽的给热系数高30%，所以在一定情况下不考虑过热的影响，仍按饱和蒸汽进行计算。,2 液体的沸腾传热 工业上经常需要将液体加热使之沸腾蒸发，如：在锅炉中把水加热成水蒸汽；在蒸发器中将溶剂汽化以浓缩溶液，都是属于沸腾传热。 大容积沸腾是指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动
25、由自然对流和汽泡的扰动所引起的。 强制对流沸腾是指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。,(1)液体的沸腾曲线 液体主体达到饱和温度ts，加热壁面的温度tw，随壁面过热度t=tw-ts的增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。图表示水在一个大气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度t的变化关系，称为沸腾曲线。,自然对流沸腾区：过热度t较小，加热壁面处的液体轻微过热，产生的汽泡在升浮过程往往尚未达到自由液面就放热终结而消失。其给热系数h和热流密度q比无相变自然对流略大。如图中AB段所示。 核状沸腾区：随着t的增
26、大，在加热面上产生汽泡数量增加，汽泡脱离时，促进近壁液体的掺混和扰动，故给热系数 h和热流密度都迅速增加，如图中公元前所示。 过渡沸腾区：当t增大至过C点后，加热面上产生的汽泡数大大增加，且汽泡的生成速率大于脱离速率，汽泡脱离壁面前连接成汽膜，由于热阻增加，给热系数h与热流密度 q均下降，如图中CD所示。 膜状沸腾：t继续增大，汽泡迅速形成并互相结合成汽膜覆盖在加热壁面上，产生稳定的膜状沸腾，此时，由于膜内辐射传热的逐渐增强，给热系数h和热流密度又随Dt的增加而升高。如图DE所示。,烧毁点：由图可知，点C和E的热流密度相等。当热流密度增至qc后，为进一步提高传热速率，t必须增至tE以上，这时的
27、壁面温度有可能高于换热器的金属材料的熔化温度。所以C点称为临界点，亦称为烧毁点。,汽泡的生成依赖于两个条件：一是液体必须过热；二是加热壁面上应存在有汽化核心。传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度，氧化情况以及材质等诸多因素有关，这是一个十分复杂的问题，有些情况至今尚不清楚，目前比较一致的看法是：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里就成为孕育新生汽泡的胚胎。,(2) 沸腾传热过程的机理,大容积饱和核状沸腾 核状沸腾传热速率的影响因素甚为复杂，迄今为止的认识还很肤浅，一般采用因次分析的方法。,管内沸腾传热 图示出了垂直管内液体沸腾过程中出现的流动型态和
28、传热类型，液体进入管内至开始产生汽泡的这一段为单相液体的无相变加热过程，液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处于过冷状态，称为过冷沸腾。继续加热而至饱和温度时，即进入泡状沸腾区，形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为蒸干。对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相传热区。,第四节 辐射传热,一、基本概念,不直接接触的两物体可以不依赖其间的任何介质而传递辐射热，通常把物体发射辐射能以及辐射能的传播成为辐射，如果发射的辐射能是与物体的温度有关的热能转换的，则称为热辐射。,热射
29、线在物理本质上与光射线一样服从反射和折射定律。当物体发射的辐射能投射到另一物体的表面上时，一部分被物体吸收(QA),一部分被反射回去(QR), 一部分透过物体(QD), 其中被吸收的这部分可以转化为热能。,(一) 辐射产生的原因和特点,(二) 投射在物体上辐射能的分布,A、R和D分别为物体吸收率、反射率和透过率。,黑体：当A=1, R=D=0时，表明辐射能全部被吸收。自然界中并不存在绝对黑体，黑墨表面， A=0.960.98，定义黑体的目的是为了在计算中确定一个比较的标准。,透热体：当D=1, A=R=0时，表明辐射能全部透过物体。例如对称双原子气体O2、N2、H2等都是透热体。,灰体：工业上
30、常见固体材料被称作“灰体”，所谓灰体是指它只能部分地吸收发射来的热射线，其余则反射回去，即A+R=1。,固体材料的吸收率和反射率的大小取决于物体的性质，温度和表面状况。,镜体：当R=1, A=D=0时，表明辐射能全部被反射。自然界中也不存在绝对镜体，例如表面抛光的铜，其反射率R=0.97。,(三) 黑体 白体 透明体 不透明体 灰体,二 斯蒂芬波尔茨曼定律,黑体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。高温下辐射传热成为主要的传热方式。,E物体的辐射能力，单位时间内物体单位面积发射总辐射能，因次为W/m2。,C0黑体辐射系数，C0=5.67W/(m2K4)。,黑体辐射能力Eb与绝对温度T关系为：,任
31、何物料辐射能力与吸收率之比恒等于同温度下黑体辐射能力 C=AC0灰体的辐射系数。 对于实际物体A1, CC0。 将黑体作为辐射计算的比较标准。,黑度 灰体辐射能力与同温度下黑体辐射能力之比，以表示：,结论：黑体的辐射能力最大，物体吸收率越大，辐射能力越强。,上式即为克希霍夫定律。,三 克希霍夫定律,设有两块相距很近平行平板。若板1为灰体，其辐射能力、吸收率和温度分别为E1、A1和T1，板2为黑体，其辐射能力，吸收率和温度分别为E2(=Eb),A2(=1)和T2，且T1T2，板1发射的能量为E1，获得的能量为A1Eb，其差额即净的辐射传热量q=E1-A1Eb，当两个物体的温度相等时，辐射传热达到
32、平衡状态，即q=0，也即E1=A1Eb或E1/A1=Eb，则得,比较得A =，即同一温度下，物体的黑度在数值上等于它的吸收率。,上式为灰体辐射能力的计算公式，为求灰体的辐射能力，需知灰体的黑度。黑度值可以通过实验测定，其值与材料的性质，温度和表面状况有关，常用材料的黑度列于表中。,某些工业材料的黑度,四 两固体间的辐射传热,若两物体的温度各为T1和T2，且T1T2，则物体1发射E1至物体2时，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物体部分吸收和部分反射，如此无穷往返直至E1被全吸收为止，从物体2发射的辐射能E2，也要经历反复吸收和反射的过程。,发射或反射的能量不一定能全部投射到对方
33、物体上，因此，在计算两固体间辐射传热时，必须考虑两物体的吸收率与反射率，形状与大小，以及两者之间的距离和位置。,C1-2总辐射系数，它与两个灰体的黑度和相对位置有关; Aw辐射面积，m; 角系数，表示物体1发射能量被物体2截获的百分率。 表给出了几种简单情况下辐射面积，角系数和总辐射 系数的确定方法。,较高温度的物体1传给较低温度的物体2的辐射热量：,五 对流和辐射的联合传热,许多化工设备的外壁温度高于周围环境大气的温度，这些设备的表面以对流和辐射两种形式向环境大气散失热量，因此，设备的热损失应为对流传热量和辐射传热量之和，由于对流而损失的热量为,高温设备的热损失,由于辐射而损失的热量可用式(
34、7.5-9)表示，为处理方便起见，将该式写成与式(7.5-10)相同的形式,式中 ：称为对流辐射联合给热系数。为减少热损失，常在设备表面上敷设一层或若干层保温层，保温层的存在，加大了设备的导热热阻，使保温层外表面的温度tw大为降低，从而削弱热损失。联合给热系数用下列近似关系式计算。 在平壁保温层外：,在管道或圆筒壁保温层外：,hR称为辐射给热系数, 因设备被环境大气所包围，=1，于是,上两式适用于tw150场合。由式可知，设备壁面温度越高，热损失越大,一、传热温差,参与热交换的两种流体或其中之一有温度变化，热流体放出热量温度沿程降低，冷流体获得热量温度流程升高，冷热流体的温度差沿换热器表面各点
35、是不同的。,当用传热基本方程式计算整个换热器的传热速率时，必须使用整个传热面积上的平均温差。,平均温差还与参与换热的两流体的流动方式有关，流体的流动方式不同，平均传热温差不同。,第五节传热过程的计算,逆流,并流,并流,假定： 在传热过程中，热损失忽略不计； 两流体的比热为常数，不随温度而变； 总传热系数K为常数，不沿传热表面变化。,（一）逆流或并流时的平均温差,逆流,【例4-5】在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从100冷却至60，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为3.5kJ/(公斤)，已测得水出口温度为40，试分别计算并流与逆流操作时的对数平均温差。若已知并流和逆流时总传热系数K=10
36、00W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面积。,平均温差是换热器两端温差的对数平均值，称对数平均温差。并流逆流平均温差计算式相同，两端温差的计算方法不同。,解：逆流和并流的平均温差分别是：,传热负荷为：,逆流操作和并流操作时换热器的面积分别是：,采用逆流传热的另一优点是节约载热体的用量，以物料的加热为例，加热剂的用量,当T1、T2、t1和 t2不变时，逆流传热的平均温差大于并流传热的平均温差，逆流操作所需的传热面积小于并流操作的传热面积。,并流时T2恒大于t2，但逆流时T2有可能低于t2，逆流时热流体的出口温度有可能低于并流逆流时热流体的用量有可能比并流时为少。一般都采用逆流操作。,但
37、是并流也有它的特点，例如工艺上要求被加热的流体不得高于某一温度，或被冷却的流体不得低于某一温度，采用并流较易控制。,参与换热的两流体中只有一个流体变温的情况，例如在冷凝器中用饱和蒸汽将某冷流体加热，或在蒸发器中利用热流体的显热使某液体沸腾，并流与逆流的对数平均温差相等。,参与换热的两种流体的温度都恒定不变，例如在蒸发器中用饱和蒸汽加热液体使之蒸发汽化。换热器间壁一侧为饱和水蒸汽冷凝，冷凝温度T恒定不变，间壁另一侧液体沸腾汽化，其沸腾温度保持在沸点t不变，则换热器的传热温差 亦为定值。,两种流体在列管式换热器中流动并非是简单的并流和逆流，而是比较复杂的多程流动，既有折流又有错流。,错流是指两流体
38、在间壁两侧彼此的流动方向垂直；,一种流体作折流流动，另一种流体不折流，或仅沿一个方向流动。,若两种流体都作折流流动或既有错流又有折流，称为复杂折流。,复杂折流,错流,简单折流,（二）错流和折流时的平均温差,称为温差修正系数，表示为P和R两参数的函数,式中,式(7.2-23)表示的温差修正曲线绘于图7-5(a)、(b) 和 (c)中。,错流或折流时的平均温差，通常是先按逆流求算，然后再根据流动型式加以修正,温差修正系数1，即tmtm，逆，换热器设计时值不应小于0.8，否则不经济。增大的一个方法就是改用多壳程。,总传热系数K综合反映传热设备性能，流动状况和流体物性对传热过程的影响，倒数1/K称为传
39、热过程的总热阻。,冷、热两流体的温度分别为T和t，给热系数分别为h2和h1，管壁热侧表面和冷侧表面的温度分别为Tw和tw, 间壁两侧面积分别为A1和A2，流体通过间壁的热交换经过“对流传导对流”三个串联步骤。,二、总传热系数,冷热两流体通过间壁进行热交换的总热阻等于两个对流热阻与一个导热热阻之和，这和串联电路的欧姆定律是类似。,根据列管换热器标准，传热面积以换热管外表面计算,式中 为管壁的对数平均直径,当间壁为平壁，或管壁很薄或管径较大时，各面积相等或近似相等,若导热热阻很小，则,若 ，则 ， ，,若 ，则 ， ，,管内流体对流传热控制。,管外流体对流传热控制。,总传热系数总是更接近数值较小的
40、给热系数，欲提高K值，关 键是提高较小的给热系数。,例4-6：某空气加热器，蒸汽在管间冷凝，以加热管内流动的 空气，已知空气侧给热系数h150W/m2K ，蒸汽冷凝给 热系数h25000W/m2K，为强化传热，现 （1）将蒸汽给热系数提高1倍，求总传热系数； （2）将空气给热系数提高1倍，求总传热系数。,解：,计算表明： 提高大给热系数， 总传热系数基本 不变； 提高小给热系数 1倍，总传热系数 提高近1倍。,获取K的其他途径：, 查取K值 在有关传热手册和专著中载有某些情况下K的经验数值，但应选用工艺条件接近、传热设备类似的较为成熟的经验K值作为设计依据，表7-1列出了一些条件下经验K值的大
41、致范围，供设计时参考。, 实验测定 通过实验测定现有换热器的流量和温度，由传热基本方程计算K值：,实验测定可以获得较为可靠的K值。由计算方法得到的K值往往与查取的和实测的K值相差较大，这主要是由于计算给热系数h的关联式有一定误差和污垢热阻不易估计准确等原,因所致，因此，使用计算的K值时应慎重，最好与另外两种方法作对照，以确定合理的K值。,列管换热器总传热系数K的经验数据,污垢热阻,换热器在运行一段时间后，流体介质中可沉积物会在换热表面上生成垢层，有时换热面还会被流体腐蚀而形成垢层。垢层的生成对传热产生附加热阻，使总传热系数减小，传热速率显著下降。,若垢层厚度为s，垢层导热系数为s，则垢层热阻为
42、Rs=s/s。因为垢层导热系数很小，即使厚度不大，垢层热阻也很大，往往成为主要热阻，必须给予足够重视。,由于垢层的厚度和导热系数不易准确估计，工程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,用Rf表示管壁内外两侧污垢热阻之和，则,式中K2为清洁表面的总传热系数，K2是结垢表面的总传热系数，分别测得这两个传热系数，即可确定Rf值。,污垢热阻的大致数值,【例4-7】在双管程列管式换热器中用0.3MPa (表压)的饱和蒸汽将流量为2000kg/h的某溶液从20加热至80，溶液走管程，蒸汽走壳程，冷凝水于饱和温度下排出，换热器内装有46根f 252.5
43、mm的管子，已知溶液的比热CP=2.8kJ/(公斤K)，密度r=850kg/m3，总传热系数K=1000W/(m2K), 传热温差近似取为蒸汽的饱和温度与溶液的平均温度之差，溶液的平均温度取为进、出口温度的算术平均值。忽略换热器的热损失，试确定： 溶液在管内的流速； 蒸汽的消耗量； 换热管的长度。,解： 溶液的体积流量：,管程流通截面积：,管内平均流速：, 查得表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝潜热r=2140kJ/kg, 蒸汽消耗量, 表压0.3MPa下饱和蒸汽的冷凝温度ts=142.9, 传热温差：,根据传热速率方程,换热管长度：,在计算强制对流、自然对流、冷凝和沸腾传热的给热系数以及设备的
44、热损失时，需要知道壁温，此外，在选择换热器类型和管材时，也需要壁温数据。,由于换热器间壁两侧流体的温度不同，间壁两侧表面的温度也是不同的，但是金属间壁的热阻通常很小，因而忽略间壁温度的差异。若间壁两侧流体的平均温度分别为T和t，给热系数分别为 h1和h2，则间壁平均温度tw满足下式,近似取,由于壁温tw未知，因而给热系数h1和h2也是未知的，因此，由式求解壁温需要试差计算。,三、壁温的估算,【例4-8】两流体在列管式换热器中进行热量交换，已知管内热流体的平均温度为175，给热系数为10000W/(m2K)，管外冷流体的平均温度为120，给热系数为1000 W/(m2K)，忽略管壁热阻和污垢热阻
45、，试计算管壁的平均温度。 解：根据管壁平均温度的计算公式,方法是：先假设一壁温，据此计算两个给热系数，进而由式计算壁温，直至计算的壁温和假设的壁温相一致。假设壁温时应作粗略估计，由式知，温差与热阻成正比，也即：壁温接近给热系数较大一侧流体的温度。,tw=170,传热过程的强化占有十分重要的地位，设计和开发高效换热设备, 可以达到节能降耗的经济目的。 相反，许多场合需要力求削弱传热，隔热保温技术在高温和低温工程中对提高经济效益关系重大，已经发展成为传热学的一个重要分支。,传热强化,不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题
46、作具体分析，只有针对传热过程的薄弱环节采取强化措施，才能收到预期的效果。,四、强化传热的途径,物料的温度是由工艺条件给定的，不能任意变动； 加热剂(或冷却剂)的进口温度往往也是不能改动的； 冷却水的初温决定于环境气候，出口温度虽可通过增大水流量而降低，但流动阻力迅速增加，操作费用升高；,增加传热温差,在生产上常常采用增大温差的方法来强化传热：,但在大多数情况下：,用饱和蒸气作加热介质，通过增加蒸汽压力来提高蒸汽温度； 在水冷器中降低水温以增大温差； 冷热两流体进出口温度固定不变，逆流操作增加传热温差。,由热力学第二定律，传热温差越大，有效能损失越大，于是，非但不能增大温差，有时还要减小温差，以
47、降低有效能损失。,由总传热系数关系式,提高K值，必须设法提高冷热流体的两个给热系数，降低间壁热阻和污垢热阻，但应分清矛盾的主次，重点放在薄弱环节上。 对于金属壁面，导热一般不构成主要热阻，垢层热阻随使用时间的延长而变大，往往成为控制传热速率的主要因素，防止结垢和除垢是保证换热器正常工作的重要措施。,当污垢也不构成影响传热的主要因素时，则间壁两侧的对流传热热阻就构成问题的主要方面，若两个h存在数量级的差别时，传热的薄弱环节处在较小h一方，应设法增加小h的数值，若两个h数值相近，应同时予以提高。,提高传热系数,对流传热时，热量以导热方式通过滞流底层，对流热阻主要集中在这里，因此，强化传热的方法是：减薄滞流底层的厚度，增强边界层的湍动程度。采取的手段是：,管程流速可以通过增加管程数来提高，壳程流速可以通过增加折流挡板数来提高。由于hu0.8，随着流速的增加，传热系数增大，但由于pu2，流动阻力增加更快，强化具有局限性。,通过特殊设计的传热壁面不断改变流体的流动速度和方向，增强边界层的扰动，如：将换热面加工成粗糙表面；在管内表面上加工螺纹槽，制成螺纹管或螺旋槽管，在管内安装插入物强化管内的传热，常用插入物是麻花纽带，制作和装卸都方便。,提高流体速度,改变流动状态,引入机械振动,增大传热面积,使传热表面