化工原理ppt课件6.传热.ppt

6. 传热,6.1 概述6.2 热传导6.3 对流传热6.4 沸腾给热与冷凝给热6.5 热辐射6.6 传热过程的计算6.7 换热器,化工原理,6. 传热,1、本章学习的知识点 傅立叶定律；平壁和圆筒壁定常热传导的计算；传热推动力与热阻的概念；对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程；热量衡算方程；总传热系数；平均温差；传热效率与传热单元数；强制对流、自然对流、冷凝和沸腾给热系数的计算；热辐射基本概念；波尔兹曼定律；克希霍夫定律；固体间热辐射；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；壁温的计算；列管换热器的结构、特点、工艺计算与选型；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；其他各种类型传热器的结构与特点。,6. 传热,2、本章学习的重 点 傅立叶定律；对流给热方程及对流给热系数；传热速率方程；热量衡算方程；总传热系数；传热的设计型和操作型问题定量计算；传热操作型问题定性分析；换热器优化设计概念；强化传热过程的途径；列管换热器结构、工艺计算与选型。3、本章学习的难 点 总传热系数；传热操作型问题的定量计算与定性分析；强化传热过程的途径。4、本章学习的新知识点 传热操作型问题的定性分析；换热器优化设计概念。,6.1 概述,6.1.1 概述6.1.2 传热,6. 传热,返回,6.1.1 概述,一、传热的定义 传热是指由温度差引起的能量传递。传热即热量传递，热力学第二定律，当无外加功时，热总是从高温向低温自动传递。二、几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作1、聚氯乙烯生产：乳液聚合8atm，552、合成氨： 300atm，500，放热反应3、锅炉烟道气温度800，如何利用？4、暖气管道的保温，暖气片的散热。三、传热目的1、加热或冷却，使物料达到指定的温度；,6. 传热,6.1.1 概述,2、换热，以回收利用热量或冷量； 3、保温，以减少热量或冷量的损失。如高温设备的保温，低温设备的保冷 。需要解决的问题：1、如何使传热速率快，使设备紧凑？2、如何使传热速率慢，以保温（冷）？四、传热的基本方式1、直接接触式 冷热两种流体直接接触，在混合过程中进行热交换。不常用，如凉水塔、热水塔。其传热面积大，设备简单。伴有传质。,6. 传热,6.1.1 概述,2、间壁式 参与传热的两种流体被隔开在固体间壁的两侧，冷、热两流体在不直接接触的条件下通过固体间壁进行热量的交换。,6. 传热,套管式换热器,冷溶液进,冷溶液出,热溶液进,热溶液出,6.1.1 概述,6. 传热,列管式换热器,单程列管式换热器,双程列管式换热器,翅片（板）,6.1.1 概述,传热分三步：热流体壁冷流体3、蓄热式 冷热流体交替流过蓄热室的壁面，达到传热目的。,6. 传热,给热,给热,五、传热过程的经济性及载热体的选择1、载热体：供给或取走热量的流体。起加热作用的：加热剂；起冷却作用：冷却剂。加热剂：热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气等冷却剂：水、空气及各种冷冻剂。2、载热体选择,t不很低时，最适宜加热剂水,6.1.1 概述,在选择载热体时应考虑的几个方面： 载热体的温度应易于调节； 载热体的饱和蒸气压宜低，加热时不会分解； 载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本上没有腐蚀； 载热体应价格低廉而且容易得到。,6. 传热,综合而言,t180，最适宜加热剂饱和蒸汽,6.1.1 概述,3、经济性 设备费和操作费综合考虑。,6. 传热,冷却：温位下降价值上升,载热体温位,加热：温位升高价值上升,六、传热计算通式,返回,6.1.2 间壁式传热过程,一、传热速率1、热流量Q 单位时间内热流体通过整个换热器的传热面A传递给冷流体的热量（W=J/s），称为热流量Q。因此与传热面有关。2、热流密度（热通量）q 单位时间通过单位传热面积所传递的热量（W/m2）,6. 传热,热流密度与传热面积A大小无关，完全取决于冷、热流体之间的热量传递过程，是反映具体传热过程速率大小的特征量。,6.1.2 间壁式传热过程,二、换热器的热流量及热负荷1、传热量：,6. 传热,定态下， ，但q沿管长是变化的。,2、热负荷：由工艺条件决定(1)无相变传热,比热法：,热焓法：,6.1.2 间壁式传热过程,(2)有相变传热,6. 传热,三、非定态传热过程 工业上，多是间歇过程：T和t随时间变化。即：,6.1.2 间壁式传热过程,四、传热机理1、热传导（又称导热） 依靠物体中微观粒子的热运动，如固体中的传热。2、对流给热 流体质点（微团）发生宏观相对位移而引起的传热现象，对流传热只能发生在流体中，通常把传热表面与接触流体的传热也称为对流传热。3、辐射传热 高温物体以电磁波的形式进行的一种传热现象热辐射不需要任何介质作媒介。在高温情况下，辐射传热成为主要传热方式。,6. 传热,返回,6.2 热传导,6.2.1 傅立叶定律和导热系数6.2.2 通过平壁的定态导热过程6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,6. 传热,返回,6.2.1 傅立叶定律和导热系数,一、傅立叶定律和导热系数,6. 传热,说明：,1、,2、“-”表示热流方向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。,2、 导热系数，是表征材料导热性能的一个参数， 导热性能增加。,6.2.1 傅立叶定律和导热系数,二、导热系数,6. 传热,1、导热系数 的定义,导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热流密度q。,2、 的数量级（w/m.）,金属：10102；建筑材料： 10-110；绝热材料： 10-210-1；液体： 10-110；气体： 10-210-1,6.2.1 傅立叶定律和导热系数,一般：,6. 传热,3、温度对 的影响,固体,多数均质固体,金,非金,液体,气体,返回,6.2.2 热传导过程的数学描述,假定：一维定态,6. 传热,一、单层平壁的定态热传导 设：平壁无限大，稳定传热导，一维，导热系数=const，t线性分布 平壁内取薄层，对单位面积作热量衡算可得：,对定态导热,又因为薄层内无热量累积，q=q1=q2则,6.2.2 热传导过程的数学描述,注：当 ，平壁内温度呈线性分布,6. 传热,二、热流量Q,对于平壁定态热传导，热流密度 不随 变化，将 积分得,6.2.2 热传导过程的数学描述,6. 传热,说明：,1、热流量Q正比于推动力 ，反比于热阻,2、由 可得，,3、当 ， 的导热系数。即：,返回,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,设有内、外半径分别为r1，r2的圆筒，内、外表面维持恒定的温度 、 ，管长 足够大，则圆筒壁内的传热可以看作一维热传导。如右图,6. 传热,一、温度分布 ，由傅立叶定律得,对式(6-1)进行不定积分，可得：,(6-1),r,dr,dt,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,6. 传热,由上式可以看出，圆筒壁内的温度按对数曲线变化。二、热流量Q,对式(6-1)在边界条件下即r= r1, t= t1; r= r2, t= t2进行积分，可得：,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,6. 传热,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,即：,6. 传热,式中：,说明：,1、当 的圆筒壁， 误差4%。,2、当 时，根据 查,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,例6-1解： (1)分析,6. 传热,对定态传热过程，单位长度的热损失沿半径方向不变，所以取一半也行。若忽略管壁热阻，则：,t1=180,t中=100,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,6. 传热,查附表查得180饱和蒸汽的汽化热,6.2.3 通过圆筒壁的定态导热过程,6. 传热,设t2=41,所以，假设与计算相符，则t2=41.8,返回,(2)设保温层外测温度为t2,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,以3层为例，接触良好。一、推动力和阻力的加和性,6. 传热,一维定态：,平壁：,所以，,假设：1、接触紧凑，两侧温度相同（各相邻壁面）,2、 皆为常数。,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,6. 传热,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,说明：,6. 传热,1、通过多层壁的定态热传导，传热推动力和热阻可以加和的 。,2、推动力,二、各层的温度差,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,由上式可知：在稳定多层壁导热过程中，哪层热阻大，哪层温差就大；反之，哪层温差大，哪层热阻一定大。当总温差一定时，传热速率的大小取决于总热阻的大小。 三、接触系数 多层平壁相接时，在接触面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面必增加传导的热阻接触热阻。如右图,6. 传热,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,1、 来源：实验测得。,6. 传热,2、以两层平壁为例,接触热阻,四、多层圆筒壁的定态热传导,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,例6-2解：,6. 传热,6.2.4 通过多层壁的定态导热过程,6. 传热,返回,小结：,热传导：,平壁：,圆筒壁：,或,6.3 对流给热,6.3.1 对流给热过程分析6.3.2 对流给热过程的数学描述6.3.3 无相变的对流给热系数的经验关联式,6. 传热,返回,6.3.1 对流给热过程的分析,一、流动对传热的贡献 设有一冷平壁其温度保持 ，热流体流过平壁时被冷却。取某一流动截面MN，考察该截面上的温度分布和通过壁面的热流密度。,6. 传热,1、流体静止 流体只能以传导的方式将热量传给壁面，流体温度T在垂直于壁面方向呈直线分布。,（最小）,6.3.1 对流给热过程的分析,2、流体层流 径向上只发生热传导，在流动方向上：流体TT-dT,6. 传热,（较大）,所以，在径向：,温度分布在近壁过程中，温度梯度增加。,6.3.1 对流给热过程的分析,3、流体湍流 由于湍流脉动促使流体在方向上的混合，主体部分的温度趋向均一，只有在层流内层中才有明显的温度梯度，显然在壁面附近的温度梯度更大，热流密度也更大。,6. 传热,（最大）,流体流动的贡献：改变了温度梯度，流动强化了传热，使流体对壁面的热流密度增大。,6.3.1 对流给热过程的分析,二、对流给热过程的分类,6. 传热,根据,三、强制对流与自然对流 根据引起流动的原因，可将对流给热分为强制对流和自然对流两类。1、强制对流,6.3.1 对流给热过程的分析,流体在外力（如泵、风机或其他势能差）作用下引起的宏观流动，湍流时对流给热的阻力主要集中在边壁附近，因此温差也主要集中在边壁附近，而流体主体温度比较均匀。2、自然对流,6. 传热,所以，ab之间形成压差：,6.3.1 对流给热过程的分析,在这压差的推动下，造成环流环流速度：,6. 传热,说明：(1)u还取决于流动阻力，即u大小与粘度、流动空间的几何形状及尺寸有关。(2)若欲增加u，造成充分的自然对流。,水平放置,在加热面上部有利于产生较大的自然对流,在冷却面下部有利于产生较大的自然对流,问题：家用冷气和暖气分别安装何处合适？为什么？,(3)流体有 ，必有环流自然对流,返回,6.3.2 对流给热过程的数学描述,简化假定：一维定态给热。一、牛顿冷却定律和给热系数 工程上将对流给热的热流密度写成：,6. 传热,流体被加热：,流体被冷却：,上两式称为牛顿冷却定律,6.3.2 对流给热过程的数学描述,说明：,6. 传热,它并非理论推导的结果，它只是一种推论，即假设热流密度与 成正比。实际上在不少情况下，热流密度并不与 成正比，给热系数值 不为常数，而与 有关。同时，将影响因素归结到中并未改变问题的复杂性，凡影响热流密度的因素都将影响 。,二、获得给热系数的方法 1、解析法 对所考察的流场建立动量传递、热量传递的衡算方程和速率方程，在少数简单的情况下可以联立求解流场的温度分布和壁面热流密度，然后将所得结果改写成牛顿,6.3.2 对流给热过程的数学描述,冷却定律的形式，获得给热系数的理论计算式。这是对流给热过程的解析解。(比如：管内强制层流)2、数学模型法 对给热过程作出简化的物理模型和数学描述，用实验检验或修正模型，确定模型参数。 (比如：蒸汽管外冷凝)3、因次分析法 将影响给热的因素无因次化，通过实验决定无因次准数之间的关系。这是理论指导下的实验研究方法，在对流给热中广为使用。 (常用)4、 实验法 对少数复杂的对流给热过程适用 。(比如：沸腾给热),6. 传热,6.3.2 对流给热过程的数学描述,三、 的影响因素及无因次化,6. 传热,1、 的影响因素,(1)流体状态：气、液、蒸汽、是否有相变,(2)液体的物理性质 ：,(3)流体运动状况 ：层流、湍流、过滤区,(4)对流状况 ：强制对流u，自然对流,(5)传热壁面形状、大小特征尺寸l或d(或de),2、因次分析,采用无因次化方法可将上式转化成无因次形式：,6.3.2 对流给热过程的数学描述,6. 传热,或,注：因次分析的结果无法得到最终的表达式，只能用实验的方法得到参数的具体值，也称为半理论、半经验的方法。,努塞尔(Nusselt)数,雷诺数(Reynolds)数,普朗特(Prandtl)数,格拉斯霍夫(Grashof)数,6.3.2 对流给热过程的数学描述,四、各无因次数群的物理意义1、努塞尔（Nusselt）准数,6. 传热,以纯导热方式进行的给热系数,准数反映的是对流使给热系数增大的倍数。,2、雷诺（Reynolds）准数,6.3.2 对流给热过程的数学描述,雷诺（Reynolds）准数即反映流体所受的惯性力与粘性力之比，表征流体的运动状态对对流传热的影响。3、格拉斯霍夫（Grashof）准数,6. 传热,自然对流的特征速度,格拉斯霍夫（Grashof）准数是雷诺准数的一种变形，它表征着自然对流的流动状态。4、 普兰特（Prandtl）准数,反映流体物性对对流传热的影响。,6.3.2 对流给热过程的数学描述,气体： ，液体： 。,6. 传热,五、定性温度,取什么温度查取所需物性：,1、因给热热阻主要集中在层流内层，所以定性温度取平均膜温,2、广泛使用： =流体主体的平均温度,例如：管流：,6.3.2 对流给热过程的数学描述,六、特征尺寸 是指对给热过程产生直接影响的几何尺寸。平壁：l，圆管：d，非圆管：de。,6. 传热,返回,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,一、圆形直管内的强制湍流的给热系数 对于强制湍流，自然对流的影响可以忽略不计 ，即Gr可忽略。,6. 传热,或,说明：,(1)使用范围：,(2)b的取值：,流体被加热：,流体被冷却：,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,(3)特征尺寸：d内径。(4)定性温度：,6. 传热,1、修正 对于不满足上述条件的情况，可按上式计算结果加以修正。 (1) 对于高粘度的液体 因粘度的绝对值较大，固体表面与主体温度差带来的影响更为显著。,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,对于液体,6. 传热,加热时：,冷却时：,对于气体：,(2)对于 短管,(3)对于 过渡流,根据实验确定 经验式：例套管环隙,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,(4)弯管(e.g.肘管和蛇管),6. 传热,(5)非圆形管,代入当量直径de（准确性较差）,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,6. 传热,关键：,(1)若qv一定，d增大一倍， 的变化？,2、影响 的因素的具体情况,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,(2) ，除了对流外还有导热。,6. 传热,(3),(4) ，与温度无关。,例6-3 管内强制湍流时给热系数的计算解：,查附录得苯在50的物性参数：,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,6. 传热,流体是被加热，取b=0.4,10000,在0.7和160之间,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,若忽略定性温度的变化，当笨的流量增加一倍，则给热系数为,6. 传热,二、圆形直管强制层流的给热系数 管内强制层流的给热过程由于下列因素而趋于复杂。1、流体物性（特别是粘度）受到管内不均匀温度分布的影响，使速度分布显著地偏离等温流动时的抛物线。,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,2、自然对流造成了径向流动，强化了给热过程。（对于高度湍流而言，自然对流影响无足轻重） 3、层流流动时达到定态速度分布的进口段距离一般较长（约100d），在实用的管长范围内，加热管的相对长度l/d将对全管平均的给热系数有明显影响。,6. 传热,适用于条件：,适用范围：5000Re70000 ，x1/d=1.25，x2/d=1.25。,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,单管： 周围的变化,6. 传热,管束：直排或错排，各排 不等。,三、管外强制对流的给热系数,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,四、搅拌釜内液体与釜壁的给热系数,6. 传热,五、大容积自然对流的给热系数（Re可忽略）,实验得：,说明：1、A、b可从表6-3查出，t=Tw-tm,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,2、定性温度,6. 传热,3、定性尺寸：水平管d外，垂直管和板l4、当(GrPr)2107时，a与l无关称自动模化区。5、设计时必须有充分湍流空间，否则是“有限空间的自然对流”，a不同。,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,P237习题10：解：属于大容积自然对流,6. 传热,水平放置：,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,6. 传热,根据GrPr查书表6-3得，A=0.54,b=1/4,6.3.3 无相变对流给热系数的经验式,6. 传热,返回,6.4 沸腾给热与冷凝给热,6.4.1 沸腾给热6.4.2 沸腾给热过程的强化6.4.3 蒸汽冷凝给热6.4.4 冷凝给热系数（略）6.4.5 影响冷凝给热的因素及强化措施,6. 传热,返回,6.4.1 沸腾给热,液体沸腾和蒸汽冷凝必须伴有流体的流动，故沸腾给热和冷凝给热同样属于对流传热 ，同时这两种给热过程伴有相变化 。 沸腾给热是液体的对流传热过程中，伴有由液相变成气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程。,6. 传热,按设备尺寸、形状分,(1)大容积沸腾：存在自然对流和液体运动。加热壁沉浸在无强制对流液体中所发生的沸腾现象。,(2)管内沸腾：又称强制对流沸腾。液体在一定压差下，以一定u流经加热管时所发生的沸腾现象。,6.4.1 沸腾给热,说明：工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。,6. 传热,按液体主体温度分,(1)过冷沸腾：T主Ts，气泡会重新凝结，汽化-冷凝过程中实现传热。,(2)饱和沸腾： T主=Ts，气泡不会重新凝结。,本章主要讨论的是大容积的饱和沸腾。,6.4.1 沸腾给热,一、大容积饱和沸腾过程分析1、气泡的生成和过热度 液体的过热是新相-小气泡生成的必要条件。为什么？ 原因：由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，故液体必须过热 。2、粗糙表面的气化核心 气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大，气化核心数增多。,6. 传热,6.4.1 沸腾给热,3、沸腾给热过程 气泡首先在气化核生成长大脱离浮升，周围液体涌来填补空位，经过加热后产生新的气泡。(1)应设法避免暴沸,6. 传热,(2),(3)沸腾给热过程中， 对 的影响很大，可以预测：,气化核多,气泡生长快,气化脱离快,6.4.1 沸腾给热,二、大容积饱和沸腾曲线 AB段：表面汽化BC段：核状沸腾CD段：膜状沸腾,6. 传热,D点后：加热面形成稳定的气膜， 很大，热辐射很大 。,1、工业沸腾应在核状沸腾下操作。,其原因：核状沸腾： ，而膜状沸腾：,工业沸腾应在核状沸腾下操作。,6.4.1 沸腾给热,2、为保证沸腾装置在核状沸腾状态下工作，使,6. 传热,其措施：恒壁温热源时：应用饱和蒸汽加热器,恒热流热源时：应用电加热器、电炉等加热，并使装置必须严格地使,三、沸腾的计算沸腾给热的影响因素：,1、液体和蒸气的性质：,2、加热表面的粗糙情况和表面物理性质，特别是液体与表面的润湿性。 3、操作压力和温差。,6.4.1 沸腾给热,6. 传热,讨论：,(1)、,(2)、,(3)、 比强制湍流大，其原因：潜热和气泡的扰动,(4)、,(5)、,返回,6.4.2 沸腾给热过程的强化,在沸腾给热中，气泡的产生和运动情况影响极大。气泡的生成和运动与加热表面状况及液体的性质两方面因素有关。因此，沸腾给热的强化也可以从加热表面和沸腾液体两方面入手。1、将金属表面粗糙化，这样可提供更多汽化核心，使气泡运动加剧，给热过程得以强化；2、在沸腾液体中加入少量添加剂，改变沸腾液体的表面张力，添加剂还可提高沸腾液体的临界热负荷。3、气、液、固三相流：在气液相中加入固体粒子。,6. 传热,返回,6.4.3 蒸汽冷凝给热,过程分析：1、热阻在液膜内,6. 传热,2、给热方式：,膜状冷凝：冷凝液能润湿表面。热阻,滴状冷凝：冷凝液不能润湿表面。热阻,6.4.3 蒸汽冷凝给热,6. 传热,工业冷凝器的设计：按膜状冷凝计算。,3、饱和蒸汽冷凝特点(1)气相无温差，无热阻(2)气相温度恒定,(3),所以，工业上通常使用饱和蒸汽作为加热介质,返回,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,一、影响因素,6. 传热,1、液膜两侧温差,2、物性：,二、其它的影响因素,1、不凝性气体的影响：定期排放不凝性气体(热阻 ),2、过热蒸汽：（工程计算，仍按饱和蒸汽处理）,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,流速,6. 传热,小：流速的影响可忽略,较大：,并流：加速液膜流动，使,逆流：阻滞液膜流动，使,很大：冲散液膜使部分壁暴露于蒸汽中，,所以，蒸汽入口应设在换热器的上部，以避免蒸汽和冷凝液逆向流动，有利于 。,3、蒸汽流速与流向,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,三、冷凝给热过程的强化设法减少液膜的厚度。,6. 传热,1、垂直壁面：开若干纵向沟槽或装若干条金属丝,2、垂直管：采用适当内插件,3、水平管：减少垂直方向的管排数，错列、装挡板。,4、滴状冷凝措施。,下一页,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,6. 传热,返回,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,对流给热小结：,6. 传热,1、牛顿冷却定律：,所以， ，但是 （冷凝例外）,6.4.5 影响冷凝给热的因素和强化措施,2、 的数量级，(W/m),6. 传热,空气自然对流：110空气强制对流：10250水强制对流：25104水蒸汽冷凝：51031.5104水沸腾：1.51034.5104,返回,6.5 热辐射,一、概念 任何物体，只要其绝对温度大于零度，都会不停地以电磁波的形式向外辐射能量，温度越高，辐射能越多；同时，又不断吸收来自外界其他物体的辐射能，并转化为热能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不等时，该物体与外界就产生热量的传递，这种传热方式成为热辐射。 二、特点1、区别于热传导、对流的主要不同点 ，辐射能可以在真空中传播，不需要任何物质作媒介 。,6. 传热,6.5 热辐射,2、工程上，当热物体的温度不很高时，辐射给热忽略不计，但对于高温物体，热辐射则往往成为传热的主要方式。,6. 传热,6.5 热辐射,6.5.1 固体辐射6.5.2 气体辐射（略）,6. 传热,返回,6.5.1 固体辐射,一、黑体的辐射能力和吸收能力斯蒂芬-波尔兹曼定律1、吸收能力 和可见光一样，当来自外界的辐射能投射到物体表面上，也会发生吸收、发射和穿透现象，服从光的反射和折射定律，在均一介质中作直线传播，在真空和大多数气体中可以完全透过，但热射线不能透过工业上常见的大多数固体和液体。 假设外界投射到物体表面上的总能量Q，其中一部分进入表面后被物体吸收Qa，一部分被物体反射Qr，其余部分穿透物体Qd。按能量守恒定律：,6. 传热,Qr,Qa,Qd,6.5.1 固体辐射,6. 传热,或,吸收率(a),反射率(r),透过率(d),说明： 吸收率、反射率和透过率的大小取决于物体的性质、温度、表面状况和辐射线的波长等，一般来说，表面粗糙的物体吸收率大。,(1) 黑体： ，是一种理想化物体，实际物体只能或多或少地接近黑体，但没有绝对的黑体，引入黑体的概念是理论研究的需要。,2、 黑体、镜体、透热体和灰体,6.5.1 固体辐射,(1)对于固体和液体不允许热辐射透过 ，即 ，,6. 传热,(2)气体对热辐射几乎无反射能力 ，即 ，,(3)黑体：能全部吸收辐射能的物体 ，即 。,(2) 镜体或白体 ： ，能全部反射辐射能的物体。,(3)绝对透热体 ： ，能透过全部辐射能的物体 ，一般来说，单原子和由对称双原子构成的气体，如He、O2、N2和H2等，可视为透热体。,6.5.1 固体辐射,(4)灰体：指能够以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但吸收率相差不多，可近似视为灰体。,6. 传热,3、斯蒂芬波尔兹曼定律(又称四次方定律) 黑体的辐射能力即单位时间单位黑体表面向外界辐射的全部波长的总能量，服从斯蒂芬波尔兹曼定律，即与其表面的绝对温度的四次方成正比 。,黑体辐射系数，其值为,6.5.1 固体辐射,例6-5 温度对物体辐射能力的影响解：在0时的辐射能力：,6. 传热,546时的辐射能力与0的辐射能力之比：,6.5.1 固体辐射,二、实际物体的辐射能力和吸收能力,6. 传热,1、辐射能力黑度 在同一温度下，实际物体的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。 即：,(1)实际物体的黑度,物体的黑度表示为实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比。其是 物性常数，其值可用实验测得。,6.5.1 固体辐射,物体的黑度可查表6-4。,6. 传热,从上表可知： 氧磨 非金属材料的黑度值都很高，一般在0.850.95之间，在缺乏资料时，可近似地取0.90。(2)实际物体的辐射能力,6.5.1 固体辐射,说明： 表征物体的辐射能力接近黑体的程度；,6. 传热, 表征实际物体辐射能力，,2、吸收能力 黑体可将投入其上的辐射能全部吸收，a=1。 实际物体的吸收能力：a1.,所以，实际物体的吸收率a比黑度更复杂。,6.5.1 固体辐射,三、灰体的辐射能力和吸收能力克希霍夫定律 1、实际物体的特殊性 工业上大多材料的吸收率a在波长0.7620um范围内无选择性。2、灰体 对各种波长的辐射能具有相同吸收率的理想化物体。,6. 传热,灰体自身特性。,所以，灰体：辐射能力为 ；吸收能力为a1,3、克希霍夫定律 克希霍夫从理论上证明，同一灰体的吸收率与其黑度在数值上必相等 。,6.5.1 固体辐射,6. 传热,说明：物体的辐射能力越大其吸收能力也越大，即善于辐射必善于吸收。注意：1、同一灰体的吸率与其黑体在数值上相等，但是a和物理意义不同。,表示灰体发射能力E占同温度下黑体发射能力Eb的分数 。,表示外界投射来的辐射能Q可被物体吸收的分数。,2、,6.5.1 固体辐射,说明灰体在一定温度下辐射能力和吸收率的比值，恒等于同温度下黑体的辐射能力。问题：1、冬天烤白衣、黑衣谁易干？太阳晒白衣、黑衣谁易干？2、夏天穿白衣凉爽，还是黑衣？四、灰体间的辐射传热（略）五、影响辐射传热的主要因素1、温度的影响,6. 传热,6.5.1 固体辐射,由上式可知：辐射热流量正比于温度四次方之差，而不是正比于温差。同样的温差在高温时的热流量将远大于低温时的热流量。因此，在低温传热时，辐射的影响可以忽略；而在高温传热时，热辐射则不容忽视，有时甚至占据主要地位。2、几何位置影响 角系数对两物体间的辐射传热有重要影响，角系数决定于两辐射表面的方位和距离，实际上决定于一个表面对另一个表面的投射角。3、物体表面的黑度 (1)包围越大，总辐射系数越大,6. 传热,6.5.1 固体辐射,(2),6. 传热,例如：(1)强化辐射：电气设备表面涂上黑度很大的油漆,(1)减弱辐射,保温桶、油罐：涂银白色（或铝或银）,热水瓶：镀镜,高（低）温管道保温外包一层镀锌铁等,4、辐射表面间介质的影响 空气：一般视为透明体，d=1；而实际气体具有发射和吸收能力对辐射传热具有影响。 遮热板：阻挡辐射传热。,返回,6.6 传热过程的计算,重点：传热基本方程的推导和应用推导：总的出发点是为了消除壁温，用总温差代替各部分的温差。应用：首先要确定衡算观点和速率观点，尤其是后者。 再次，是速率的三大因素：传热系数、传热面积和温差在不同场合的应用。 工业上大量存在传热过程（指间壁式传热过程）都是固体内部的导热及各种流体与固体表面间的给热组合而成的。,6. 传热,6.6 传热过程的计算,6.6.1 传热过程的数学描述6.6.2 传热过程的基本方程式6.6.3 换热器的设计型计算6.6.4 换热器的操作型计算6.6.5 传热单元法6.6.6 非定态传热过程的拟定处理（略）6.6.7 变系数的传热过程计算（略）,6. 传热,返回,6.6.1 传热过程的数学描述,一、间壁式传热过程 的速率方程式,6. 传热,T1,T2,t1,t2,如图为一套管式换热器，内管为传热管，传热管外径 ，内径 ，微元传热管外表面积dA1，管外侧 ；内表面积dA2，内侧 ，平均面积dAm，壁面导热系数,6.6.1 传热过程的数学描述,热量由热流体管壁内侧管壁外侧冷流体。在定态下：,6. 传热,dQ1,dQ2,dQ3,6.6.1 传热过程的数学描述,1、若以内表面dA1为基准（热流体在管内流动，冷流体在管外流动）,6. 传热,其中：,6.6.1 传热过程的数学描述,2、若以外表面dA2为基准（热流体在管外流动，冷流体在管内流动）,6. 传热,其中：,式中：,当,6.6.1 传热过程的数学描述,3、管壁很薄，微元管段dA外=dA内, 即dA1=dA2,6. 传热,其中：,6.6.1 传热过程的数学描述,例6-9 传热系数的计算解：(1)属于热流体在管外流，冷流体在管内流,6. 传热,(2)管外传热系数增加1倍,6.6.1 传热过程的数学描述,6. 传热,所以，传热系数增加了82.4%。(3)管内传热系数增加1倍,6.6.1 传热过程的数学描述,6. 传热,所以，传热系数增加了5.6%。结论：提高K，应该提高较小的给热系数比较有效。,6.6.1 传热过程的数学描述,二、污垢热阻 实践证明，表面污垢会产生相当大的热阻R。表6-6给出某些工业上常见的流体的污垢热阻的大致范围。,6. 传热,6.6.1 传热过程的数学描述,薄壁：,6. 传热,式中：R1、R2分别为传热管外侧、内侧的污垢热阻。三、壁温计算 结论：壁温值接近给热系数大或热阻较小的一侧流体温度。四、传热阻力和传热系数,总热阻,返回,6.6.2 传热过程的基本方程式,一、方法：取微元体,6. 传热,热量衡算,过程特征方程,联立积分,基本方程,假定：,1、 沿传热面不变。,2、无相变,3、,4、轴向热传导可以忽略（轴向温度梯度很小）,传热基本方程式,6.6.2 传热过程的基本方程式,其中：,6. 传热,并流：,T1,T2,t1,t2,逆流：,T1,T2,t1,t2,对数平均温差，又称对数平均推动力,6.6.2 传热过程的基本方程式,二、对数平均温度 的特点,6. 传热,1、 恒 （算术平均推动力）,2、 靠近 和 中小的一个。,3、逆流优于并流，,4、当 ，则,5、 时， ，误差在4%以内。,6.6.2 传热过程的基本方程式,6、当,6. 传热,7、一种流体恒温（搅拌，有相变）的传热，则无逆、并流之分。8、全逆流优于并流。例6-2 并流与逆流对数平均温差的比较解：根据T1和t1可查得：,根据能量衡算得：,6.6.2 传热过程的基本方程式,6. 传热,(1)逆流,T1=80,T2=50,t1=10,t2=30,6.6.2 传热过程的基本方程式,(2)并流,6. 传热,T1=80,T2=50,t1=30,t2=10,所以，逆流操作方式大于并流操作方式。,返回,1、设计任务： 、 或 、 。,6.6.3 换热器的设计型计算,以冷却为例：,6. 传热,热量衡算：,传热速率：,变量：,方程数：2个；自由度8-2=6个。一、设计型计算的命题方式,2、设计条件： 或,6.6.3 换热器的设计型计算,6. 传热,3、计算目的：A。4、分析：自由度：6个；已知：4个，尚有2个变量有选择选择条件：流向， t2，流速u，流程。设计计算特点：选择、优化（技术上可行，经济上合理。）二、设计计算方法：,为延长换热器的使用寿命，即使T1和t2不要集中在一端。,(迅速升温 ),(控制出口温度 ),6.6.3 换热器的设计型计算,6. 传热,三、设计计算中参数的选择1、流向的选择结论：(1)一般逆流优于并流,(2) 并流用于,热敏性物料加热,高粘性物料加热,6.6.3 换热器的设计型计算,2、 的选择（前提是逆流）,6. 传热,应权衡操作费用和设备费用，选择适宜的冷却介质出口的温度，一般： ，且工业循环冷却水 否则用软水。,(3) 当一侧有相变或恒温传热时，,(4) 错流、拆流是为了节省空间，使设备紧凑。,6.6.3 换热器的设计型计算,3、流速的选择,6. 传热,优化，尽量避免层流。,6.6.3 换热器的设计型计算,6. 传热,例1有一套管换热器，由 mm与 mm的钢管组成。甲醇在内管流动，流量为5000kg/h，由60冷却到30，甲醇侧的对流传热系数 W/( m2)。冷却水在环隙中流动，其入口温度为20，出口温度拟定为35。忽略热损失、管壁及污垢热阻，且已知甲醇的平均比热为2.6kJ/(kg)，在定性温度下水的粘度为0.84cP、导热系数为0.61 W/( m2)、比热为4.174 kJ/(kg)。试求：（1）冷却水的用量；（2）所需套管长度。,6.6.3 换热器的设计型计算,解：(1)冷却水的用量,6. 传热,(2)所需套管长度,6.6.3 换热器的设计型计算,求 必须先确定是逆流还是并流，题目没有明确说明流向，但由已知条件可知 =35 =30，只有逆流才可能出现这种情况，故可断定本题必为逆流，于是,6. 传热,T1=60,T2=30,t1=20,t2=35,由于管壁及污垢热阻可略去，以传热管内表面积为基准的为K。,6.6.3 换热器的设计型计算,6. 传热,6.6.3 换热器的设计型计算,6. 传热,返回,6.6.4 换热器的操作型计算,一、操作命题和计算方法1、第一类命题,6. 传热,特点：操作线斜率已知，非线性线性，有唯一解。计算方法：(1)消元法（以逆流为例）,6.6.4 换热器的操作型计算,(2)、采用传热效率与传热面积单元数法(-NTU法)或传热单元长度与传热单元数法求解。其求解方法见下一节。2、第二类命题,6. 传热,所以，一般先假设上式成立求 出后检验。,6.6.4 换热器的操作型计算,特点：操作线斜率未知，非线性方程计算方法：试差法说明：,6. 传热,时，可 用算术平均值代替,线性方程，不须试差，,6.6.4 换热器的操作型计算,6. 传热,Or，假设 ，再接着上面的步骤计算。,另外一种方法：设t2,If then，取,If then，取,6.6.4 换热器的操作型计算,6. 传热,二、操作型计算常见类型,1、设备标定：,2、求温度分布,3、逆流改为并流后变化情况,4、已知工况另一工况,6.6.4 换热器的操作型计算,三、传热过程的操作和调节 问题：在热流体冷却的传热操作中，若qm1或T1发生变化，而要求出口温度T2保持不变，可采取哪些措施。,6. 传热,不变,所以，措施是,6.6.4 换热器的操作型计算,1、热流体是工艺介质：,6. 传热,热阻在冷流体侧：,热阻在热流体侧：,2、冷流体是工艺介质：,热阻在冷流体侧：,热阻在热流体侧：,四、强化传热途径间壁式换热器：,6.6.4 换热器的操作型计算,1、,6. 传热,2、,(1)污垢清理，避免结垢：水净化、软水及流速升高。(2)控制步骤侧流速u增加K明显上升。,返回,6.6.5 传热单元数法,确定出口温度T2、t2问题：在操作型计算中，需要同时确定 T2 和 t2 (在传热速率方程式的对数项中)，若采用传热速率方程和热量平衡方程联立求解的方法，需要进行试差计算。解决方法：传热单元数（NTU）法手段：将两个出口温度用热量衡算式消去一个，避免试差。,6. 传