第3章传热及传热设备-2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,传热及传热设备,第三章,总述,传热，即热量传递，有温度差存在的地方，就必然有热量传递，传热的基本方式有三种：,热传导、对流传热和辐射传热。,热传导简称导热，是指物质各部分之间没有相对位移，由于直接接触而发生能量传递的现象，,导热在固体、液体和气体中均可进行。,热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体、液体和气体中均可发生，只有在固体中才是纯粹的热传导，,在流体中对流与热传导同时发生。,10/13/2024,2,主要内容,3-1,热传导,3-2,对流传热,3-3,传热过程计算,3-4,辐射传热,3-5,换热器,10/13/2024,3,3-3,传热过程计算,一、能量衡算,二、传热速率计算,（一）无相变的热负荷计算,（二）有相变的热负荷计算,（三）总传热系数,三、平均温度差法,（一）恒温传热时的平均温度差,（二）,变温传热时的平均温度差,（三）流向的选择,10/13/2024,4,一、能量衡算,要强化传热过程主要应着眼于增加推动力，减少热阻，即设增大,t,或增大,S,和,K,。,传热计算则主要解决方程中的,Q,、,S,、,K,、,t,及相关量的计算。,总传热速率方程是传热计算中最基本的方程式。,对于间壁式换热器做能量衡算，无外功加入，采用比热法和热焓法衡算。,换热器绝热良好，热损失忽略时，在单位时间内换热器传热速率,(,热负荷,),应等于热流体放出的热量,Q,h,，也等于冷流体吸收的热量,Q,c,，即,Q=Q,h,Q,c,(2-61),10/13/2024,5,二、传热速率计算和总传热系数,（一）无相变的热负荷计算,1,比热法,对于整个换热器，其热量衡算式为,(2-62),Q,换热器的热负荷，,kJ/h,或,kW,。,W,h,、,W,c,分别表示热流体和冷流体质量流量，,kg/s,C,ph,、,C,pc,热、冷流体的定压比热，取流体进、出口算术平均温度下的比热容,kJ/(,kg.,),t,冷流体的温度，；,T,热流体的温度，。,10/13/2024,6,2,热焓法,(2-63),式中,H,单位质量流体的焓，,kJ/kg,。,二、传热速率计算和总传热系数,（二）有相变化的热负荷计算,换热器中流体有相变，换热器的热负荷计算为,(2-64),式中,W,发生相变流体的质量流量，,kg/s,；,r,液体汽化潜热或蒸气冷凝潜热，等于饱和蒸气的焓与同温度下的液体焓之差值，,kJ,kg,。,10/13/2024,7,二、传热速率计算和总传热系数,当冷凝液在饱和温度下离开换热器时,（,2-65,）,W,h,饱和蒸气的冷凝质量，,kg/s,；,当冷凝液的温度低于饱和温度下离开换热器时，,(2-65a),当要考虑热损失,Q,损时，则有,通常保温良好的换热器，可取,Q,损,(2,5,),10/13/2024,8,二、传热速率计算和总传热系数,（三）,总传热系数,以冷、热流体温度差为传热推动力的传热速率方程，称为,总传热速率方程,。,1.,总传热速率方程,冷、热流体通过任取一微元面积,dS,的间壁传热过程的传热速率方程：,(2-66),K,局部总传热系数，,W/,(,m,2,),；,表示单位传热面积，单位传热温差下的传热速率。,10/13/2024,9,当冷、热流体通过管式换热器进行传热时，间壁传热过程的传热速率方程，可表示为,式中,K,i,、,K,o,、,K,m,基于管内表面积、外表面积、平均表面积的总传热系数，,W/(m,2,),；,S,i,、,S,o,、,S,m,管内表面积、外表面积、平均表面积，,m,2,。,（,2-67,）,在传热计算中，选择何种面积作为计算基准，结果完全相同。,比较式,2-67,可得,（,2-68,）,（,2-68a,）,式中,d,i,、,d,o,、,d,m,管内径、外径、平均直径，,m,。,10/13/2024,10,2.,总传热系数,(1),选取经验值,表,2-4,列管式换热器中的总传热系数,K,的经验值,冷流体,热流体,总传热系数,K,，,W/(m,2,.,),水,水,850,1700,水,气体,17,280,水,有机溶剂,280,850,水,轻油,340,910,水,重油,60,280,有机溶剂,有机溶剂,115,340,水,水蒸气冷凝,1420,4250,气体,水蒸气冷凝,30,300,水,低沸点烃类冷凝,455,1140,水沸腾,水蒸气冷凝,2000,4250,轻油沸腾,水蒸气冷凝,455,1020,10/13/2024,11,（,2,）现场测定总传热系数,K,根据传热基本方程式,Q,KSt,m,，当,Q,、,S,、,t,m,分别被测定时，可得出换热设备在该工艺条件下的,K,值。,(3),总传热系数的计算,冷、热流体通过间壁换热时，其传热机理,:,热流体以对流方式将热量传给高温壁面；,热量由高温壁面以导热方式通过间壁传给低温壁面；,热量由低温壁面以对流方式传给冷流体。,即“,对流,-,传导,-,对流”的串联过程,。对稳态传热过程，各串联环节速率必然相等。,以传热管的外表面积,S,o,(,S,o,d,o,L,),为基准。其对应的总传热系数,K,o,为,（,2-69,）,10/13/2024,12,以传热管内表面积,S,i,(,S,i,d,i,L,),为基准，其对应的总传热系数,K,i,值为,（,2-70,）,以传热管的平均面积,S,m,(,S,m,d,m,L,),为基准，其对应的总传热系数,K,m,值为,（,2-71,）,所取基准传热面积不同，,K,值也不同，即,K,o,K,i,K,m,传热面积为平壁时，则,S,o,S,i,S,m,此时的总传热系数,K,为,（,2-72,）,10/13/2024,13,不考虑壁阻,（,2-73,）,总传热系数和传热面积的对应关系十分重要，所选基准面积不同，总传热系数的数值也不相同对于管壁薄或管径较大时可近似取,S,o,S,i,S,m,，即圆筒壁视为平壁计算。,总传热系数,K,值比两侧流体中,值小者还小，当,0,i,，壁阻可以忽略不计时，则,K,o,；当,i,o,，壁阻可忽略不计时，则,K,i,。由此可知，,总热阻是由热阻大的那侧的对流传热所控制，即两个对流传热系数相差较大时，要提高,K,值，关键在于提高,较小的。若两侧,相差不大时，则必须同时提高两侧,的值。才能有效地提高,K,值。,10/13/2024,14,（,4,）污垢热阻,换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，该热阻称为,污垢热阻,。,某些常见流体的污垢热阻的经验值可查阅相关的参考书。,设管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为,R,si,及,R,so,，根据串联热阻叠加原理，式（,2-69,）可表示为,（,2-74,）,对传热面按平壁处理时，其总热阻为,（,2-75,）,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、污垢热阻及管壁导热热阻之和。,10/13/2024,15,三、平均温度差法,总传热速率方程式,2-66,中，,t,随着传热过程冷、热流体的温度变化而改变。该式用于整个换热器时，必须对该方程进行积分。,以,t,m,表示传热过程冷、热流体的平均温度差，则积分结果可表示为,(2-76),用该式进行传热计算时需先计算出,t,m,，故此方法称为平均温度差法。,推导平均温度差时，对传热过程简化假定：传热为稳态操作过程；两流体的定压比热容均为常量或可取为换热器进、出口温度下的平均值；总传热系数,K,为常量；忽略热损失。,10/13/2024,16,三、平均温度差法,（一）恒温传热时的平均温度差,换热器中间壁两侧的流体均存在相变时，两流体温度可以分别保持不变，这种传热称为恒温传热。,饱和蒸气和沸腾液体间的传热就是恒温传热冷、热流体的温度均不随位置变化，两者间温度差处处相等，即,t,m,=,T-t,=,常数 （,2-77,）,（二）变温传热时的平均温度差,当换热器中间壁两侧流体的温度发生变化，这种情况下的传热称为变温传热。,10/13/2024,17,两流体的相互流向：逆流和并流,(a),逆流 （,b,）并流,图,2-17,变温传热时的温度差变化,以逆流为例，推导平均温度差的通式。（见讲义）,图,2-18,逆流时平均温度差,平均温度差通式：,（,2-87,）,时，可用,代替对数平均温度差,.,10/13/2024,18,三、平均温度差法,（三）,流向的选择,两流体均为变温传热时，两流体进、出口温度各自相同的条件下，,逆流时的平均温度差最大,，,并流时的平均温度差最小，其它流向的平均温度差介于逆流和并流两者之间，,因此就传热推动力而言，逆流优于并流和其它流动型式。当换热器的传热量,Q,即总传热系数,K,一定时，,采用逆流操作，所需的换热器传热面积较小。,可节省加热介质或冷却介质的用量,换热器应尽可能采用逆流操作。,实例：教材,P93【2-8】,10/13/2024,19,3-4,辐射传热,一、,基本概念,二、物体的辐射能力与斯蒂芬,波尔兹曼定律及克希霍夫定律,三、两固体间的辐射传热,四,、,设备热损失的计算,10/13/2024,20,一、,基本概念,（一）热辐射及其特点,因热的原因引起的电磁波辐射称为,热辐射,热辐射特点：,物体的温度不变，辐射能不变。,物体向外发射辐射能，也吸收周围物体辐射能，结果是高温物体向低温物体辐射传热。,波长仅在,0.440,m,的范围才有明显的热辐射。,可见光波长：,0.40.8,m,、红外线波长：,0.840,m,。统称为热射线。,热射线与可见光的波长范围不同，本质一样。,10/13/2024,21,一、,基本概念,（二）辐射能的吸收、反射和透过。,图,4-19,辐射能的吸收、反射和透过,根据能量守恒定律，可得,(2-88),即,(2-89),10/13/2024,22,一、,基本概念,（三）黑体、镜体、透热体和灰体,A=1,的物体，称为黑体或绝对,黑体,全部吸收,R=1,的物体，称为镜体或绝对,白体,全部反射,D=1,的物体，称为,透热体,全部透过,A,、,R,和,D,的大小取决于物体的性质、表面状况及辐射线的波长等。一般来说，固体和液体都是不透热体：,D=0,，故,A+R=1,。气体：,R=0,，故,A+D=1,。,以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体，称为,灰体,。,灰体特点：,A,与辐射线的波长无关；,A+R=1,。,10/13/2024,23,二、物体的辐射能力与斯蒂芬,波尔兹曼定律及克希霍夫定律,（一）斯蒂芬波尔兹曼定律,斯蒂芬,波尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系，定律描述：黑体的辐射能力,E,0,与其表面温度,(,指绝对温度,),的四次方成正比。,（,2-90,）,C,0,黑体的辐射系数，其值为,C,0,5.699,W/m,2,.K,4,10/13/2024,24,二、物体的辐射能力与斯蒂芬,波尔兹曼定律及克希霍夫定律,（二）实际物体的辐射能力,E,工程上实际物体的辐射能力,E,用下式计算：,（,2-91,）,为实际物体辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比，称为物体的,黑度，,由实验测定；,C,为灰体的辐射系数，单位与,C,0,相同,10/13/2024,25,二、物体的辐射能力与斯蒂芬,波尔兹曼定律及克希霍夫定律,（三）克希霍夫定律,克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力,E,与吸收率,A,之间的关系。其表达式为,（,2-92,）,任何物体的辐射能力与其吸收率的比值恒为常数，等于同温度下黑体的辐射能力，其值仅与物体的温度有关。,由式,(2-91),和式,(2-92),可知,（,2-93,）,在同一温度下，物体的吸收率与黑度在数值上相等,10/13/2024,26,表,2-5,某些工业材料的黑度,值,材料,温度，,黑度，,红砖,20,0.93,耐火砖,0.80.9,钢板（氧化的）,200600,0.8,钢板（磨光的）,9401100,0.550.61,铝（氧化的）,200600,0.110.19,铝（磨光的）,225575,0.0390.