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1、第四章第四章 传传 热热传热 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。第一节：概述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
2、）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
3、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。三种类型换热器(1)直接混合式将热流体与冷流体直接混合的一种传热方式。很多人看过电影“洗澡”吧，老式澡堂中水池的水，是将水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加热，此即直接混合式。如图所示。北方许多工厂的澡堂，仍然采用这种办法。(2)蓄热式先将热流体的热量储存在热载体上，然后由热载体将热量传递给冷流体、此即蓄热式换热器。如图所示。炼焦炉中煤气燃烧系统就是采用蓄热式换热。(3)间壁式热流体通过间壁将热量传递给冷流体，化
4、工中应用极为广泛。有夹套式热交换器；蛇形式热交换器；套管式热交换器；列管式热交换器；板式热交换器。如图所示。夹套式换热器 热流体T1T2t2t1冷流体 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 稳定传热和不稳定传热稳定传热：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
5、过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论稳定传热。传热速率有两种表示方法:1.热流量热流量(传热速率传热速率Q)Q):单位时间内在整个传热面积上由热流体传给冷流体的热量。2.热通量热通量(热流密度热流密度q)q):单位传热面积上通过的热流量。传热速率方程传热速率方程式：换热器的传热速率Q与传热面积A和冷热两种流体的平均温差tm成正比;：传热速率,tm：两流体的平均温度差,：比例系数，总传热系数。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。传热平衡方程 以某换热器为衡算对象，列出稳定传热时的热量衡算方程。第二节热传导 温度场（1）温度场某一瞬间，空间（或物体）所有各点温度分布定
6、常态温度场：一维定常态温度场：（2）等温面同一时刻，温度场中相同温度各点所组成的曲面。温度不同的等温面彼此不能相交。温度梯度同一等温面上各点的温度相同，故沿着等温面移动，温度无变化，即无热量传递；若沿着与等温面相交的任何方向移动，温度发生变化，并伴有热量传递。而最大的温度改变是在与等温面垂直方向上（法线方向）。温度梯度方向是朝着温度增加的方向，与热流方向相反。一维温度梯度：gret t+ttt-t热传导与傅立叶定律 热传导遵循傅立叶定律。它是一个经验性定律。实践证明，单位时间内的传热量Q与垂直于热流方向的导热截面面积A和温度梯度 成正比。即 Q传热速率，；A导热面积，；导热系数；温度梯度。导热
7、系数1物理意义表征物质的导热能力，物质的热物性参数。2影响因数主要有物质种类、组成和温度，并与结构疏松程度有关。34计算公式：多数物质 a：温度系数tt1t2Qx0 xdxb单层平壁的稳态热传导设(1)材质均匀为常数(2)一维定态导热温度沿x方向变化(3)Q与A均为常量(4)t 1t2由傅立叶定律：分离变量后积分:多层平壁的稳态热传导设（1）材质均匀，1234为常数 （2）一维定态导热 （3）Q与A均为常量 （4）t1t2t3t4应用合比公式 tt1t2t3t4b1b2b3xQ圆筒壁的稳态热传导tr1rr2rdrt1t2dt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
8、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1-400W/(m2K)建筑材料0.1-1W/(m2K)绝热材料0.01-0.1W/(m2K)液体0.1-0.6W/(m2K)气体0.005-0.05W/(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
9、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【例例4-1】一一套套管管换换热热器器的的内内管管为为252.5mm的的钢钢管管，钢钢的的导导热热系系数数为为45 W/(mK)，该该换换热热器器在在使使用用一一段段时时间间以以
10、后后，在在换换热热管管的的内内外外表表面面上上分分别别生生成成了了1mm和和0.5mm厚厚的的污污垢垢，垢垢层层的的导导热热系系数数分分别别为为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已已知知两两垢垢层层与与流流体体接接触触一一侧侧的的温温度度分分别别为为160和和120，试试求求此此换换热热器器单单位位管管长长的传热量。的传热量。解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度 W/m代入数据得【例例4-2】一一套套管管换换热热器器的的内内管管为为252.5mm的的钢钢管管，钢钢的的导导热热系系数数为为45 W/(mK)，该该换换热热器器在在使使用用一一段段时时间间以以后后，在在换换热热管管的
11、的内内外外表表面面上上分分别别生生成成了了1mm和和0.5mm厚厚的的污污垢垢，垢垢层层的的导导热热系系数数分分别别为为1.0 W/(mK)和和0.5 W/(mK)，已已知知两两垢垢层层与与流流体体接接触触一一侧侧的的温温度度分分别别为为160和和120，试试求求此此换换热热器器单单位位管管长长的传热量。的传热量。解：换热器的热流密度解：换热器的热流密度 W/m代入数据得【例【例4-3】工业炉的炉壁，由下列三层组成：】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/(mK),b3=225mm今
12、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素表示式gt表示流体由于温差t而产生的
13、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。应用范围应用范围 只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。只能在实验的范围内应用，外推是不可靠的。定性温度定性温度 取流体进，出口温度的算术平均值作为定性温度；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
14、液主体温度和壁温的算术平均值作为定性温度。特征尺寸特征尺寸 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：应用范围：Re10000；0.7Pr120
15、；。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：取为管内径特征尺寸：取为管内径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
16、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：应用范围：Re10000；0.7Pr16700；定性温度：定性温度：w取壁温作定性温度，其余各物性取液体平均温取壁温作定性温度，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。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
17、 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，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：应用范围：Re2300；Pr0.6。定性温度：定性温度：w取壁温，其余取进、出口温度的算术平均值。取壁温，其
18、余取进、出口温度的算术平均值。特征尺寸：管内径特征尺寸：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f：【例例4-4】套套管管换换热热器器外外管管内内径径60mm，内内管管规规格格384.0mm，用用水水将将为为2500kg/h的的某某液液体体有有机机物物从从100冷冷却却至至40，水水走走管管内内，有有机机物物走走环环隙隙，逆逆流流流流动动，操操作作温温度度下下，有有机机物物密密度度860kg/m3,粘粘度度2.810-3N?s/m2，比比热热2.26kJ/(公公斤斤?)，导导热
19、热系系数数0.452W/(m?),水水的的进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和45，热热损损失失忽忽略略不不计计。试试求求：(1)水水对对管管内内壁壁的的给给热热系系数数；(2)有有机机溶溶液液对对管管外外壁壁的的给给热热系系数数；(3)若若将将水水流流量量增增加加20%，其其他他条条件件不变，重求水对管内壁的给热系数。不变，重求水对管内壁的给热系数。解：解：水的定性温度：水的定性温度：，查得，查得2=995.7kg/m3,2=0.0008Ns/m2,k2=0.618W/(mK)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
20、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：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
21、流速。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。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
22、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 1 蒸汽泠凝的对流传热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)蒸汽冷凝的方式蒸汽冷凝的方式膜状冷凝：冷凝液体能润湿壁面，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
23、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。
24、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(7.4-22)亦可整理为A 蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝蒸汽在水平单管及水平管束外冷凝水平单管水平单管凝液
25、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)(3)影响冷凝传热的其它因素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，也会对冷凝传热产生十分有害的影响。例如水蒸汽
26、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，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。强制
27、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。自自然然对对流流沸沸腾腾区区：过过热热度度t较较小小，加加热热壁壁面面处处的的液液体体轻轻微微过过热热，产产生生的的汽汽泡泡在在升升浮浮过过程程往往往往尚尚未未达达到到自自由由液液面面就就放放热热终终结结而而消消失失。其其给给热热系系数数h和和热
28、热流流密密度度q比比无无相相变变自自然然对对流流略略大大。如如图图中中AB段所示。段所示。核核状状沸沸腾腾区区：随随着着t的的增增大大，在在加加热热面面上上产产生生汽汽泡泡数数量量增增加加，汽汽泡泡脱脱离离时时，促促进进近近壁壁液液体体的的掺掺混混和和扰扰动动，故故给给热热系系数数 h和和热热流密度都迅速增加，如图中公元前所示。流密度都迅速增加，如图中公元前所示。过过渡渡沸沸腾腾区区：当当t增增大大至至过过C点点后后，加加热热面面上上产产生生的的汽汽泡泡数数大大大大增增加加，且且汽汽泡泡的的生生成成速速率率大大于于脱脱离离速速率率，汽汽泡泡脱脱离离壁壁面面前前连连接接成成汽汽膜膜，由由于于热热
29、阻阻增增加加，给给热热系系数数h与与热热流流密密度度 q均均下下降降，如如图中图中CD所示。所示。膜膜状状沸沸腾腾：t继继续续增增大大，汽汽泡泡迅迅速速形形成成并并互互相相结结合合成成汽汽膜膜覆覆盖盖在在加加热热壁壁面面上上，产产生生稳稳定定的的膜膜状状沸沸腾腾，此此时时，由由于于膜膜内内辐辐射射传传热热的的逐逐渐渐增增强强，给给热热系系数数h和和热热流流密密度度又又随随Dt的的增增加加而而升升高高。如图如图DE所示。所示。烧烧毁毁点点：由由图图可可知知，点点C和和E的的热热流流密密度度相相等等。当当热热流流密密度度增增至至qc后后，为为进进一一步步提提高高传传热热速速率率，t必必须须增增至至
30、tE以以上上，这这时时的的壁壁面面温温度度有有可可能能高高于于换换热热器器的的金金属属材材料料的的熔熔化化温温度度。所所以以C点点称为临界点，亦称为烧毁点。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，
31、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。第四节第四节 辐射传热辐射传热一、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
32、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：当黑体：当A=1,R=D=0时，表明辐射能全部被吸收。自然界中并时，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，不存在绝对黑体，黑墨表面，A=0.960.9
33、8，定义黑体的目的定义黑体的目的是为了在计算中确定一个比较的标准。是为了在计算中确定一个比较的标准。透热体：当透热体：当D=1,A=R=0时，表明辐射能全部透过物体。例如对时，表明辐射能全部透过物体。例如对称双原子气体称双原子气体O2、N2、H2等都是透热体。等都是透热体。灰体：工业上常见固体材料被称作灰体：工业上常见固体材料被称作“灰体灰体”，所谓灰体是指它，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：当镜体：当R=1,A=D=0时，表明辐射能全
34、部被反射。自然界中时，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,CT2，板1发射的能量为E1，获得的能量为A1Eb，其差额即净的
35、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。材料温度红砖200.93耐火砖0.80.9钢板(氧化的)2006000.8钢板(抛光的)94011000.550.61铝(氧化的)2006000.110.19铝(抛光的)2255750.0390.057铜(氧化的)2006000.570.87铜(抛光的)0.0
36、3铸铁(氧化的)2006000.640.78铸铁(抛光的)3309100.60.7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
37、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(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，
38、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
39、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【例4-5】在套管换热器中用】在套管换热器中用20的冷却水将某溶液从的冷却水将某溶液从100冷却至冷却至60，溶液流量为，溶液流量为1500kg/h，溶液比热为溶液比热为3.5kJ/(公斤公斤)，已测得水出口温度为，已测得水出口温度为40，试分别计算并流与逆流，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=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的传热面求并流操作和逆流操作所需的传热面积。积。平均温差是换热器两
40、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：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
41、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，
42、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
43、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/
44、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
45、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的经验数据流体种类总传热系数KW/(m2K)水气体1260水水8001800水煤油350左右水有机溶剂280850气体气体1235饱和水蒸气水14004700饱和水蒸气气体30300饱和水蒸气油60350饱和水蒸气沸腾油290870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
46、导热系数为s，则垢层热阻为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。流体种类污垢热阻m2/W流体种类污垢热阻m2/W水(u1m/s,t100即可达到湍流。1 流体流经的路径选择流体流经的路径选择(一)选用和设计中应考虑的问题选择的原则系列标准规定采用252.5mm,1
47、92mm两种规格的管子。钢管长度多为6米，国家标准规定采用的管长有1.5、2、3、6米四种规格，其中以3米和6米最为普遍。换热管的排列方式有等边三角形和正方形两种，等边三角形排列比正方形排列更为紧凑,但正方形排列的管束清洗方便。换热管规格及排列换热管规格及排列抓住主要矛盾进行选择，例如，首先从流体的压力、腐蚀性及清洗等方面的要求来考虑，然后再考虑满足其他方面的要求。折流挡板折流挡板确定流动路径，根据任务计算传热负荷，确定流体进、出的温度，选定换热器形式，计算定性温度，查取物性，计算平均温差，根据温度校正系数不小于0.8的原则，确定壳程数。依据总传热系数经验值范围，或按生产实际选定总传热系数K估
48、值，估算传热面积A估。选定换热器的基本尺寸，如管径、管长、管数及排列等；若选用，在标准中选择换热器型号。计算管程和壳程的压降，根据初选设备规格，计算管、壳程流体压降，检查结果是否满足工艺要求，若压降不合要求，要调整流速，再确定管程数或挡板间距，或选择另一规格的设备，重新计算压降至满足要求。(二二)列管换热器的选用和设计的步骤列管换热器的选用和设计的步骤计算总传热系数，核算传热面积，计算管、壳程的给热系数h1和h2，确定污垢热阻Rs1和Rs2,计算总传热系数K计，并计算传热面积A计，比较A估和A计，若A估/A计=1.151.25，则初选的设备合适，否则需另设K估值，重复以上步骤。传导对流和辐射稳态传热与不稳态传热传热微分方程和管内层流温度分布傅里叶定律、牛顿冷却定律及传热基本方程传热过程的平衡关系和速率关系对数平均温差热阻概念及传热控制步骤换热器的校核与调节膜状冷凝和滴状冷凝泡状沸腾和膜状沸腾黑体镜体透热体吸收率（黑度）反射率和折射率强化传热和削弱传热的措施换热器流体流动路径选择复习第三章传热基本概念基本公式单层圆筒壁的导热速率单层平壁导热速率的工作方程式多层平壁导热速率的工作方程式多层圆筒壁的导热速率辐射传热速率高温设备热损失