化工原理第六章-傳熱

第6章傳熱6.1.1概述6.1.2傳熱過程6.1概述6.1.1概述加熱或冷卻換熱保溫一、傳熱在化工中的應(yīng)用傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中可占到40%左右

削弱傳熱過程

二、化工生產(chǎn)過程對傳熱過程的要求

強化傳熱過程三、傳熱過程冷熱流體的接觸方式1.直接接觸式(混合式傳熱)液體氣體2.蓄熱式結(jié)構(gòu)較簡單耐高溫低溫流體高溫流體設(shè)備體積大有一定程度的混合缺點：優(yōu)點：3.間壁式

傳熱面為內(nèi)管壁的表面積

套管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積

熱流體T1T2冷流體t1t2間壁式傳熱的3步驟：

a.熱流體靠對流傳熱將熱量Q傳給金屬壁一側(cè)——給熱；

b.熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)的形式傳至另一側(cè)——導(dǎo)熱；

c.熱量以對流傳熱形式從壁面?zhèn)鹘o冷流體——給熱。四、熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等

用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等冷卻溫度

30C水加熱溫度

180C飽和水蒸氣熱負(fù)荷Q’：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時，吸收或放出的熱量，單位

J/s或W。傳熱速率Q：熱流量，單位時間內(nèi)通過換熱器的整個傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。熱流密度q：熱通量，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。6.1.2(間壁式換熱器的)傳熱過程一、基本概念三、換熱器的熱流量（Q）定態(tài)傳熱過程，熱流密度不隨時間而變，但沿著管長是變化。式中K──總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；

Q──傳熱速率，W或J/s；

A──總傳熱面積，m2；

tm──兩流體的平均溫差，℃或K?？倐鳠崴俾史匠蹋核摹⒎嵌☉B(tài)傳熱過程一段時間內(nèi)所傳遞的累積總熱量QT

1.熱傳導(dǎo)特點：沒有物質(zhì)的宏觀位移氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果固體導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運動非導(dǎo)電體：晶格結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)液體機理復(fù)雜五、傳熱機理熱傳導(dǎo)：熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。熱對流：流體內(nèi)部質(zhì)點發(fā)生相對位移的熱量傳遞過程。

熱輻射：物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。

自然對流強制對流特點：能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介

2.對流3.熱輻射6.2.1傅立葉定律和熱導(dǎo)率6.2.2通過平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2.3通過圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2.4通過多層壁的熱傳導(dǎo)6.2熱傳導(dǎo)一、有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念式中 t──某點的溫度，℃；

x,y,z──某點的坐標(biāo)；

τ──時間。溫度場：某時刻，物體或空間各點的溫度分布。

1.溫度場和等溫面6.2.1傅立葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)非定態(tài)溫度場

定態(tài)溫度場

等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。

不同溫度的等溫面不相交。2.溫度梯度

溫度梯度是一個點的概念。溫度梯度是一個向量。方向垂直于該點所在等溫面，以溫度增大的方向為正。一維定態(tài)熱傳導(dǎo)dt/dx二、傅立葉定律式中dQ

──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；

dA

──導(dǎo)熱面積，m2；

t/

n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反用熱通量來表示對一維定態(tài)熱傳導(dǎo)

2.

是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。三、導(dǎo)熱系數(shù)1.

在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。

=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）3.各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)

金屬固體

>

非金屬固體

>

液體

>

氣體

在一定溫度范圍內(nèi)：式中

0,──0℃,t℃時的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)。對大多數(shù)金屬材料a<0，t

對大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

①固體

金屬：

純金屬>

合金非金屬：同樣溫度下，

越大，

越大。②液體金屬液體

較高，非金屬液體低，水的

最大。

t

，

（除水和甘油）③氣體一般來說，純液體的大于溶液

t

，

氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。6.2.2通過平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：(1)高度和寬度遠(yuǎn)大于厚度；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時間變化。取dx的薄層，作熱量衡算：

定態(tài)溫度場

傅立葉定律：

邊界條件：

設(shè)

不隨t而變

討論：

1．推動力熱阻2．平壁內(nèi)的溫度分布

a.

不隨t變化或取平均值b.

隨t變化：t～x呈拋物線關(guān)系。平壁內(nèi)溫度呈線性分布6.2.3通過圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)

假定：(1)定態(tài)溫度場；(2)一維溫度場。取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：定態(tài)溫度場傅立葉定律邊界條件設(shè)

不隨t而變式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；

r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。討論：1．對數(shù)平均面積推動力阻力平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)2．3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布t～r成對數(shù)曲線變化(假設(shè)

不隨t變化)4．平壁：各處的Q和q均相等；圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。圓筒壁平壁一、推動力和阻力的加和性

6.2.3通過多層壁的定態(tài)導(dǎo)熱過程以3層為例

推廣至n層：推動力阻力二、各層的溫差思考：厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，哪一層熱阻最大，說明各層的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2例:內(nèi)徑為15mm，外徑為19mm的鋼管，其

1

為20W/m℃，其外包扎一層厚度為30mm，

2為0.2W/m℃的保溫材料，若鋼管內(nèi)表面溫度為580℃,保溫層外表面溫度為80℃,試求:(1)每米管長的熱損失;(2)保溫層中的溫度分布。

例:有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比

2/1=5，此時單位時間的熱損失為Q；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度t1、t3不變，則此時熱損失為Q’，求Q’/Q=？6.3.1對流給熱過程分析6.3.2對流給熱過程的數(shù)學(xué)描述6.3.3無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式6.3對流給熱6.3.1對流給熱過程分析一、對流給熱的溫度分布1.熱邊界層或溫度邊界層流體在平壁上流過時，流體和壁面間將進(jìn)行換熱，引起壁面法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度，近壁面處，流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域，稱為熱邊界層或溫度邊界層。

2.層流流動主要依靠熱傳導(dǎo)方式來進(jìn)行熱量傳遞3.湍流流動層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度小，對流方式過渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對流方式4.對流給熱過程的強化減少層流底層的厚度

二、對流給熱過程的分類流體在傳熱過程中是否有相變化流體無相變的給熱過程流體有相變的給熱過程強制對流給熱自然對流給熱蒸汽冷凝給熱液體沸騰給熱三、強制對流與自然對流1.強制對流流體在外力(如泵、風(fēng)機或其他勢能差)作用下引起的宏觀流動湍流時對流給熱的阻力主要集中在壁面附近2.自然對流—a處的密度研究對象:一高度為L的垂直平板與液體間的給熱—b處的密度較小

說明：

①自然對流的強弱與加熱面的位置密切有關(guān)。除上述垂直放置以外，加熱面也可以水平放置。問：采暖器、制冷空調(diào)應(yīng)安裝在房間的上方還是下方？為什么？②環(huán)流速度除取決于溫差外，還取決于流動阻力。因而與流體的性質(zhì)、流動空間的幾何形狀與尺寸有關(guān)。6.3.2對流給熱過程的數(shù)學(xué)描述

有效膜理論：在靠近壁面處引起溫度的變化形成溫度邊界層。溫度差主要集中在層流底層中。假設(shè)流體與固體壁面之間的傳熱熱阻全集中在厚度為δt有效膜內(nèi)。一、牛頓冷卻定律TTWttW

t總有效膜厚度湍流區(qū)虛擬膜厚度層流底層膜厚度有效膜是集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜

令

─對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)流體被冷卻：TTWttW

t牛頓冷卻定律：流體被加熱：1.牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Q∝

t。2.復(fù)雜問題簡單化表示。說明：二、獲得給熱系數(shù)的方法1.解析法2.數(shù)學(xué)模型法3.因次分析法4.實驗法三、影響對流給熱系數(shù)

的因素及無因次化①引起流動的原因自然對流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動。強制對流：由于外力和壓差而引起的流動。

強

>自

②流體的物性

，

，

，cp

1.影響因素⑤是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變

>無相變④傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。③流動形態(tài)層流、湍流

湍

>層

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速。基本因次：長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度

變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱的影響Prandtl，流體物性對對流傳熱的影響Grashof，自然對流對對流傳熱的影響3.實驗安排及結(jié)果整理②不同Pr的流體在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以強制湍流為例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流體，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(ARea)定性溫度的取法：四、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項2．特性尺寸3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．定性溫度:確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為~。取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。a.流體進(jìn)出口溫度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均溫度tw;c.流體與壁面的平均溫度稱為平均膜溫t=(tm+tW)/2。一、流體在管內(nèi)的強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流流體被加熱時，b＝0.4；被冷卻時，b＝0.3。定性溫度取tm＝(t2＋t1)/2注意事項：

特征尺寸為管內(nèi)徑di

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體

強化措施：(1)高粘度流體

適用范圍:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di液體被加熱1.05液體被冷卻0.95氣體冷卻或加熱1(2)短管l/d<60(3)過渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管

(5)非圓形管強制湍流a.當(dāng)量直徑法b.實驗法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計算，u不同de,要用實際的流通面積計算適用范圍：例:一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：①管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；②管子換為

19×2mm，管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；③當(dāng)苯的流量提高一倍，對流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性特點：2.圓形管內(nèi)強制層流①物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。

熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊憿蹖恿饕蟮倪M(jìn)口段長度長，實際進(jìn)口段小時，對流傳熱系數(shù)提高。

②層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴(yán)重使得對流傳熱系數(shù)提高。

適用范圍：定性溫度：二、管外強制對流的對流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外垂直流過在換熱器內(nèi)單排管：整個管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do2．流體在換熱器殼程的流動擋板形式：圓盤形、圓缺形殼程流體的對流傳熱系數(shù)（圓缺形）：定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt流速u按流通截面最大處的截面計算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；

D——換熱器殼徑，m；

do——管子的外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。注意：換熱器無折流擋板時，流體平行流過管束，對流給熱系數(shù)按管內(nèi)強制對流計算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：3）加強湍動2）de↓1）u↑缺點:阻力損失↑三、大空間的自然對流傳熱

特征尺寸：垂直的管或板為高度,水平管為管外徑注意：A,b與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫⑤是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變

>無相變④傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。③流動形態(tài)層流、湍流

湍

>層

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速?；疽虼危洪L度L，時間T，質(zhì)量M，溫度

變量總數(shù)：8個由定律（8-4）=4，可知有4個無因次數(shù)群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動型態(tài)對對流傳熱的影響Prandtl，流體物性對對流傳熱的影響Grashof，自然對流對對流傳熱的影響3.實驗安排及結(jié)果整理②不同Pr的流體在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以強制湍流為例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流體，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(Area)定性溫度的取法：四、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項2．特性尺寸3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．定性溫度:確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為~。取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。a.流體進(jìn)出口溫度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均溫度tw;c.流體與壁面的平均溫度稱為平均膜溫t=(tm+tW)/2。一、流體在管內(nèi)的強制對流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流流體被加熱時，b＝0.4；被冷卻時，b＝0.3。定性溫度取tm＝(t2＋t1)/2注意事項：

特征尺寸為管內(nèi)徑di

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體

強化措施：(1)高粘度流體

適用范圍:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di流體被加熱1.05流體被冷卻0.95氣體冷卻或加熱1(2)短管l/d<60(3)過渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管

(5)非圓形管強制湍流a.當(dāng)量直徑法b.直接實驗法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計算，u不同de,要用實際的流通面積計算適用范圍：例:一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：①管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；②管子換為

19×2mm，管壁對苯的對流傳熱系數(shù)；③當(dāng)苯的流量提高一倍，對流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性特點：2.圓形管內(nèi)強制層流③層流要求的進(jìn)口段長度長，實際進(jìn)口段小時，對流傳熱系數(shù)提高。

②層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴(yán)重使得對流傳熱系數(shù)提高。

①物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。

熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊戇m用范圍：若定性溫度：二、管外強制對流的對流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外垂直流過在換熱器內(nèi)單排管：整個管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do2．流體在換熱器殼程的流動擋板形式：圓形、圓缺形殼程流體的對流傳熱系數(shù)（圓缺形）：定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt流速u按流通截面最大處的截面計算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；

D——換熱器殼徑，m；

do——管子的外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。注意：換熱器無折流擋板時，流體平行流過管束，對流給熱系數(shù)按管內(nèi)強制對流計算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對流傳熱系數(shù)的措施：3）加強湍動2）de↓1）u↑缺點:阻力損失↑三、大空間的自然對流傳熱

特征尺寸：垂直的管或板為高度,水平管為管外徑注意：A,b與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫6.4.1沸騰給熱一、沸騰給熱1.概念液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產(chǎn)生汽泡的過程稱為沸騰。2.工業(yè)應(yīng)用再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐設(shè)備的尺寸與形狀大容積沸騰

管內(nèi)沸騰(強制對流沸騰）

管內(nèi)液流的主體溫度是否達(dá)到相應(yīng)壓力下的飽和溫度過冷沸騰：若液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱表面上有氣泡產(chǎn)生，稱為過冷沸騰熱量的傳遞:通過汽化—冷凝過程實現(xiàn)

飽和沸騰：當(dāng)液流主體溫度達(dá)到飽和溫度，則離開加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)。這種沸騰稱為飽和沸騰。3.液體在加熱面上沸騰的分類二、氣泡形成的條件過熱度：

t=tW－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化核心

生成汽泡

長大

脫離壁面

新汽泡形成

攪動液層沸騰給熱時，氣泡的生成和脫離對該薄層液體產(chǎn)生強烈擾動，使熱阻大為降低。沸騰給熱的熱阻集中于緊貼加熱表面的液體薄層內(nèi)。三、大容積飽和沸騰曲線

①AB段—表面汽化階段②BC段——核狀沸騰階段2.2C<t<55

C

③CD段——不穩(wěn)定膜狀沸騰階段④DE段——穩(wěn)定膜狀沸騰階段

t＞250C

t<2.2

C

55C<t<250

C

工業(yè)上：核狀沸騰優(yōu)點：

大，tW小四、沸騰傳熱的影響因素及強化措施強化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）在核狀沸騰階段溫差提高，

1.液體的性質(zhì)2.溫差3.操作壓強新的、潔凈的、粗糙的加熱面4.加熱面強化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒6.4.2冷凝給熱一、

冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝二、冷凝過程的熱阻三、蒸汽冷凝的

1.水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：定性溫度：膜溫t=(t+tw)/2管外徑do液膜的厚度

湍流2.豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：定性溫度：膜溫

管外徑或板高H同向時，；反向時，；u四、冷凝傳熱的影響因素和強化措施1.流體物性冷凝液

,

；2.溫差液膜層流流動時，t=t－tW

，,3.不凝性氣體不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。4.蒸汽流速與流向（u>10m/s）冷凝液

,；潛熱r

,

5.蒸汽過熱

6.冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列包括冷卻和冷凝兩個過程。6.5.1固體輻射6.5.2

高溫設(shè)備及管道的熱損失6.5熱輻射一、基本概念1.輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。

2.熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。特點：能量傳遞的同時還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換；不需要任何介質(zhì)。6.5.1固體輻射能量守恒定律：二、能量守恒定律的應(yīng)用穿透率反射率吸收率黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d

=f(物體性質(zhì)、溫度、表面、輻射波長）固體、液體：氣體：r=0a+d=1d=0

r+a=1a=1r=1d=1三、物體的輻射能力物體在一定溫度下，單位表面積，單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到

），W/m2。物體的單色輻射能力：物體在一定溫度下，發(fā)射某種波長的能力；以E

表示，單位W/m3。輻射能與單色輻射能的關(guān)系：普朗克定律

0──黑體輻射常數(shù)，=5.67×10-8W/(m2.K4)；C0──黑體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2.K4)——斯蒂芬-波爾茨曼定律1.輻射能力

四次方定律表明，熱輻射對溫度特別敏感。四、黑體的輻射能力與吸收能力2.吸收能力

a=1

五、實際物體的輻射能力與吸收能力1.輻射能力物體的黑度：

<1

說明：①黑度表示實際物體接近黑體的程度②影響物體黑度

的因素

物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長③物體的黑度是物體的一種性質(zhì)，只與物體本身的情況有關(guān)，與外界因素?zé)o關(guān)，其值可用實驗測定.④物體的黑度不單純是顏色的概念——以黑度表征2.吸收能力①特點a.部分吸收a<1b.對不同波長的輻射能吸收的程度不同

c.影響因素：物體本身的情況(物體種類，表面溫度，表面頭部等)，輻射物體的情況（即所輻射的波長）②結(jié)論：實際物體的吸收率a比黑度

更復(fù)雜。六、灰體的輻射能力和吸收能力1.灰體以相同的吸收率吸收所有波長的輻射能的物體。①灰體的吸收率不隨輻射線的波長而變。②灰體為不透熱體，即a+r=12.灰體的特點3.灰體的吸收能力——吸收率a克希霍夫定律4.灰體輻射能力表征——黑度

七、兩固體間的相互輻射任意放置的灰體1和2，其面積分別為A1和A2，表面溫度分別為T1和T2不變。兩灰體表面的輻射能力和吸收率分別為E1、E2和a1、a2?！到y(tǒng)黑度

式中 Q12——高溫物體1向低溫物體2傳遞的熱量，W；

1-2——幾何因子或角系數(shù)；

A——輻射面積，m2；

T1——高溫物體的溫度，K；

T2——低溫物體的溫度，K。討論

①對兩塊相距很近而面積足夠大的平行板，

1-2=1。即物體的相對位置對輻射傳熱已無影響。②一物體被另一物體包圍時的輻射A1/A2≈1A1/A2≈0不必知道ε2和A2即可求出Q12。大房間內(nèi)高溫管道的輻射散熱，氣體管道內(nèi)熱電偶測溫的輻射誤差計算都屬于此種情況。3.影響輻射傳熱的因素Ｑ

T4，

低溫時可忽略，高溫時可能成為主要方式

①溫度的影響②幾何位置的影響③表面黑度的影響Ｑ，可通過改變黑度的大小強化或減小輻射傳熱。④輻射表面間介質(zhì)的影響減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏）。6.5.2

高溫設(shè)備及管道的熱損失對流散熱：

輻射散熱：

令

=1

總熱損失：

對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)空氣自然對流，當(dāng)tW<150

C時空氣速度u<=5m/s時管道及圓筒壁保溫層外空氣速度u>5m/s時平壁保溫層外(2)空氣沿粗糙壁面強制對流6.6.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述6.6.2傳熱過程基本方程式6.6.3換熱器的設(shè)計型計算6.6.4換熱器的操作型計算6.6.5非定態(tài)傳熱過程的擬定態(tài)處理6.6.6變系數(shù)的傳熱過程計算6.6傳熱過程的計算6.6.1傳熱過程的數(shù)學(xué)描述一、熱量衡算微分方程式研究對象:微元傳熱面積dA

假設(shè)：①熱、冷流體的質(zhì)量流量為常數(shù)；②熱、冷流體的熱容cp1、cp2及K沿傳熱面不變；③忽略換熱器的熱損失；④過程系定態(tài)傳熱。熱量衡算式：熱流體：冷流體：二、微元傳熱速率方程式熱流體→壁面內(nèi)壁面→外壁面壁面→冷流體定態(tài)傳熱

twTw對流對流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)總熱阻管內(nèi)熱阻管壁熱阻管外熱阻三、傳熱系數(shù)和熱阻1.K的計算①圓管基于內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)基于外表面積的總傳熱系數(shù)②平壁dA=dA1=dA2=dAm2.污垢熱阻Rs

傳熱管外側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W傳熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W3.阻力控制步驟若忽略管壁熱阻與污垢熱阻要提高K，必須設(shè)法提高α2的值。要提高K，必須設(shè)法提高α1的值。四、壁溫的計算忽略金屬壁的熱阻，即Tw≈tw

6.6.2傳熱過程基本方程式一、傳熱過程的積分表達(dá)式傳熱速率方程熱流體放出的熱量冷流體吸收的熱量二、逆流流動時操作線與推動力的變化規(guī)律1.操作線控制體：冷流體入口端和任意截面間熱量衡算：——操作線

2推動力的變化規(guī)律三、傳熱基本方程式

T1T2t2t1——傳熱過程基本方程式

——對數(shù)平均推動力

傳熱過程基本方程式成立的條件是操作線為直線四、對數(shù)平均推動力1.通常將溫差較大者作為Δt1,較小者作為Δt2

2.對數(shù)平均推動力恒小于算術(shù)平均推動力

3.當(dāng)0.5＜Δt1/Δt2＜2時，用算術(shù)平均Δtm=(Δt1+Δt2)/2代替對數(shù)平均值,其誤差不超過4%。4.當(dāng)Δt1或Δt2等于零時，Δtm=04.上式適用于并流及一側(cè)流體有相變的情況。6.6.3換熱器的設(shè)計型計算

一、設(shè)計型計算的命題方式設(shè)計任務(wù)（示例)：將流量為qm1的熱流體自給定溫度T1冷卻至指定溫度T2。設(shè)計條件：可供使用的冷卻介質(zhì)即冷流體的進(jìn)口溫度t1。計算目的：確定經(jīng)濟上合理的傳熱面積及換熱器其它有關(guān)尺寸。某列管式冷凝器的列管規(guī)格為Φ25mm×2.5mm。有機蒸汽在管外冷凝，管內(nèi)通冷卻水，冷卻水的流量為2.5kg/s。在新使用時，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為20℃和30℃。使用一段時間后，由于生成垢層，在冷卻水進(jìn)口溫度和流量不變的情況下，冷卻水的出口溫度降為26℃。已知基于外表面的傳熱面積為16.5m2，有機蒸汽的冷凝溫度為80℃，求水垢層的熱阻。有一套管換熱器，內(nèi)管為φ54ｍｍ×２ｍｍ，外管為φ116ｍｍ×４ｍｍ的鋼管?，F(xiàn)用120℃的飽和水蒸汽加熱苯，將苯由50℃加熱至80℃，苯在內(nèi)管中以4000kg/h的流量流動，試求：(1)加熱蒸汽消耗量；(2)所需套管的有效長度；(3)由于某種原因，加熱蒸汽的溫度降為110℃，苯的出口溫度將變?yōu)槎嗌伲?假設(shè)α苯不變)已知：在50～80℃范圍內(nèi)，苯的物性為：Ｃp

＝1.86kJ/kg·℃，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·℃，苯側(cè)的對流傳熱系數(shù)α苯＝980W/(m2℃)，120℃時水蒸汽冷凝潛熱ｒ＝2205kJ/kg，蒸汽側(cè)對流傳熱系數(shù)α汽＝10000W/m2·℃，壁兩側(cè)垢層熱阻及換熱器熱損失均可忽略，加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出。二、設(shè)計型問題的計算方法以熱流體的冷卻為例：KT1、T2、t1、t2、流動方向流動通道三、選擇的依據(jù)①從傳質(zhì)速率看，即從推動力看：比較基準(zhǔn)：T1、T2、t1、t2相同

逆流優(yōu)于并流1.流動方式的選擇②從平衡看，即從qm2,min看：比較基準(zhǔn)：逆流優(yōu)于并流qm1、T1、T2、t1相同

節(jié)省冷卻介質(zhì)回收熱量的溫位高，可利用價值大③宜用并流的情況

對熱敏性物料，并流操作可避免出口溫度過高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在某些高溫?fù)Q熱器中，逆流操作因冷卻流體的最高溫度t2和T1集中在一端，會使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫可采用并流，以延長換熱器的使用壽命。2.冷卻介質(zhì)的出口溫度的選擇目標(biāo)函數(shù)：t2過高(t2-t1)↑,qm2↓，回收能量價值↑動力消耗↓，操作費用↓△tm↓A↑設(shè)備費用↑經(jīng)驗：△tm＞10℃t2不宜過高。t2＜45℃。若水為冷卻介質(zhì)6.6.4換熱器的操作型計算一、計算命題與計算方法1.第一類命題內(nèi)容：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，冷、熱流體的流量和進(jìn)口溫度以及流體的流動方式。

求：計算目的：求某些參數(shù)改變后冷、熱流體的出口溫度及換熱器的傳熱能力。計算方法:

以熱流體的冷卻為例分析。求T2，t2。計算目的：求某些參數(shù)改變后所需冷流體（或熱流體）的流量及出口溫度。2.第二類命題

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，熱流體（或冷流體）的流量和進(jìn)、出口溫度，冷流體（或熱流體）的進(jìn)口溫度以及流動方式。以熱流體的冷卻為例分析。求qm2，t2。

試差法求出t2

求出qm2計算目的：判斷現(xiàn)有換熱器對指定的傳熱任務(wù)是否適用。3.換熱器校核計算給定條件：換熱器的傳熱面積及有關(guān)尺寸，傳熱任務(wù)。三、傳熱過程的調(diào)節(jié)措施：增大冷卻劑用量原工況：熱流體

qm1，T1，T2，α1

；冷流體qm2，t1，t2，α2新工況：熱流體

qm1↑，T1，T2

不變，如何調(diào)節(jié)？②

或△tm和K皆有較大變化qm2↑調(diào)節(jié)作用來自K和△tm△tm↑qm2↑調(diào)節(jié)作用來自△tm①

調(diào)節(jié)原因分析：qm2↑△

tm基本不變熱流體給熱為控制步驟無調(diào)節(jié)作用冷流體給熱為控制步驟調(diào)節(jié)作用來自K的增大③(t2-t1)較小

冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，改變了換熱器內(nèi)傳熱過程的速率。傳熱速率的改變，可能來自△tm的變化，也可能來自K的變化，而多數(shù)是由兩者共同引起的。

結(jié)論：6.6.5傳熱單元數(shù)法

一、逆流操作

——傳熱單元數(shù)——換熱器的熱效率二、并流操作

蒸汽熱容可視為無窮大，因此R2=0。三、一側(cè)流體發(fā)生相變6.6.6非定態(tài)傳熱過程的擬定態(tài)處理一、過程特點1.熱流體飽和蒸汽的溫度T不變。

2.釜內(nèi)液體混合均勻，液體溫度t保持均一。

3.任何時刻的熱流密度q與加熱面的位置無關(guān)。

二、釜內(nèi)液體溫度t與時間τ的關(guān)系研究范圍：dτ時間段前提：忽略熱損失與壁面溫升熱量衡算式：

式中m——釜內(nèi)液體的質(zhì)量，kg；

cp——釜內(nèi)液體的比熱容，J/