大连理工大学化工原理课程讲义传热

1、大连理工大学化工原理课程讲义传 热 两无限大平壁间辐射两无限大平壁间辐射 有效辐射：有效辐射： 2111 )1 (EAEE 1222 )1 (EAEE 2 2121 W/mEEq 净辐射传热量： 2121 1221 21 AAAA AEAE q 4 1 011 ) 100 ( T CE代入： 4 2 022 ) 100 ( T CE 2211 AA 1 T 2 T 2 E 1 E 1 E 21) 1 (EA 21E A 两固体壁面间的有效辐射 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 4 2 4 1 2121 ) 100 () 100 ( TT Cq因此： 02121 0 21 111 1 1 11

2、 CCC C C 总发射系数 4241 2121 ) 100 () 100 ( TT AC一般形式： ：角系数：角系数 (总能量被壁面拦截分率)。 = =f (两壁面形状，大小，相对位置，距离等） 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 02 45 1673 0.2 1.0 0.8 0.6 0.4 3 4 1圆盘形 2正方形 3长方形 （边长比2:1） 4长方形（狭长） 2 1 角系数 平行壁间辐射传热的角系数 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 4.5.4 气体的热辐射气体的热辐射 气体气体：单、对称双原子气体（H2、O2、空气） 近似透热体，透热体，无吸收、发射能力。 多原子气体(CO2、H2

3、O蒸气) 高温时具有很强发射和吸收能力。 气体热辐射特点：气体热辐射特点： * 选择性选择性 只发射和吸收某一波长范围的辐射能； * 容积辐射特性容积辐射特性 吸收和发射在整个体积内进行。 气体发射能力：气体发射能力：4 g 0g0gg ) 100 ( T CEE ),( gg lpTf 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。 例例：设备表面的热损失，对流 + 热辐射 间壁换热过程中，对流 + 导热 (2) 设备热损失计算设备热损失计算 4.5.5 复合传热与设备热损失的计算复合传热与设备热损失的计算 (1) 复合传热复合传热 )()( Rc 辐射对流 )

4、( wwcc ttAh对流传热： 44w w21R ) 100 () 100 (: TT AC辐射传热)( wwR ttAh tw 环环 境境 t c R tt Ch TT w ) 100 () 100 ( 21R 44w 辐射表面传热系数： 热损失热损失： 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 RcT hhh系数：对流辐射联合表面传热 经验关联式：经验关联式： 空气自然对流时，空气自然对流时， 平壁保温层外 ： 圆管保温层外 ： )(07. 08 . 9 wT tth )(052. 04 . 9 wT tth wwTwwRc )()()(:AtthttAhh热损失 空气沿粗糙表面强制对流时，空

5、气沿粗糙表面强制对流时， 空气流速 u5m/s hT=6.2+4.2u 空气流速 u5m/s hT=7.8u0.78 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 (3) 绝热层的临界半径绝热层的临界半径 设稳态传热，管道外表面与环境间热损失为： R t To i o i 2 1 2 ln LhrL r r tt h ti t1 R1 t R2 t ri ro 绝热层的分析示意图 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 max r c r 热损失与绝热层外半径的关系 有极大值时， r R 0 d )(d o max T c : h r时，保温层临界半径 时，管道外半径 ci rr 时，管道外半径 ci rr

6、 增加绝热层厚度，热损失一定减小。 增加绝热层厚度，热损失可能增加， 果。时，才一定起到保温效结论：管道外半径 ci rr 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 保温层的选择：保温层的选择： 对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件， 应从、hT两方面考虑，选择合适的保温层材质。 绝热层的临界厚度为绝热层的临界厚度为： icc rrb r1 r2 r3 圆管外的保温 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程计算基础：热流量衡算方程和传热速率方程 。 4.6.1 热流量衡算方程热流量衡算方程 稳态传热，忽略热损失时， 冷流体吸收热量冷流体吸收热量 = 热流体放

7、出热量热流体放出热量 (1) 无相变传热无相变传热 4.6 传热过程的计算传热过程的计算 计算类型计算类型 ： 设计型计算：已知设计型计算：已知th1，th2，tc1 ，qmc，qmh，K 求 传热面积A； 操作型计算：操作型计算： 已知th1 ，tc1，qmc，qmh，K，A 求th2 、tc2、。 tc2 th1 tc1 th2 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 取定性温度下数值。其中， P c )()( 1c2ccc2h1hhh ttcqttcq pmpm 即： )( 2h1hhhh ttcq pm 热流体放热量： )( 1c2cccc ttcq pm 冷流体吸热量： (2) 有相变传

8、热有相变传热 cchh rDrD两侧均有相变： cc2h1hhh )(rDttcq pm 一侧沸腾： 饱和状态下饱和状态下 hh1c2ccc )(rDttcq pm 一侧冷凝： 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 说明：说明： 换热过程中各流股热流量间关系； 各流股间相互制约，热量守恒。 非饱和状态下非饱和状态下 例：过热蒸气冷凝过冷液体 hLhL h h hV hhV h tcqrqtcq pmmpm 又如：过冷液体 沸腾 过热蒸气 cVcVccccLcL c tcqrqtcq pmmpm cc c tcq pm 过热蒸汽 冷流体 热流体 过冷液体 hh h tcq pm 大连理工大学化工原

9、理课程讲义传 热 管内壁热量：热流体 对流传热 管外壁 热传导 冷流体 对流传热 4.6.2 总传热速率方程总传热速率方程 间壁传热过程：间壁传热过程： 各部分传热速率方程：各部分传热速率方程： 管内侧流体： 管壁导热： 管外侧流体： )( wh,hiii ttAh bttA/ )( wc,wh,mm )( cwc,ooo ttAh 热 流 体 冷 流 体 th tc th,wtc,w 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 热 流 体 冷 流 体 th tc th,wtc,w 对稳态传热对稳态传热: omi m wc,wh, ii wh,h 1 A b tt Ah tt oo cwc, 1 Ah

10、 tt oomii ch 11 AhA b Ah tt 因此， R t oomii 111 AhA b AhKA R 令： )( ch ttKA总传热速率方程： 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 式中，K 总传热系数，W/（m2K）。 注意注意： K 与 A 对应，选Ai、Am 或 Ao oomiimmiioo 11111 AhA b AhAKAKAK ）代替（用平均传热温差 chm ttt m tKA总传热速率方程： )()( 1c2ccc2h1hhhm ttcqttcqtKA pmpm 无相变， DrttcqtKA pmh )( 2h1hhm 有相变， 故稳态传热时，故稳态传热时， 大连

11、理工大学化工原理课程讲义传 热 4.6.3 传热系数和传热面积传热系数和传热面积 m tKA KA t 1 m K 传热系数，传热系数，表示换热设备性能的重要参数。表示换热设备性能的重要参数。 (1) K的计算的计算 在实际生产中以外表面积Ao作为传热面积。 K的来源：的来源： 实验测定； 取生产实际的经验数据； 计算求得。 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 ooo od, mi id, ii o o 111 AhA R A b A R AhAK o od, m o i o id, i o io o 1111 h R A Ab A A R A A hKK KK 表示，则有：用将 oomiio

12、o 111 AhA b AhAK 实际计算热阻应包括壁两侧污垢热阻： 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 o od, m o i o id, i o i 111 h R d db d d R d d hK 圆管中：圆管中： i o io m ln d d dd d 其中，）（近似取： iom 2 1 ddd LdA oo 平壁：平壁： moi AAA od, 2 id, imio 11111 R h b R hKKK 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 (2) 污垢热阻污垢热阻 Rd,i和和 Rd,o 污垢热阻影响：污垢热阻影响：使h，热流量。 污垢热阻取值：污垢热阻取值： 经验数据。 注意注

13、意：传热系数、污垢热阻的单位。 (3) 壁温计算壁温计算 忽略污垢热阻，稳态传热时： m wc,wh, ii wh,h 1 A b tt Ah tt oo cwc, 1 Ah tt 结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。结论：壁温接近表面传热系数大的一侧流体温度。 ii hwh, Ah tt m wh,wc, A b tt oo cwc, Ah tt 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 4.6.4 平均温度差平均温度差 (1) 恒温传热恒温传热 两侧流体温度恒定： 恒定 chm ttt (2) 变温传热变温传热 一侧有温度变化 th tc 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 沿管长某截面

14、取微元传热面积dA， AtKdd 两侧流体均有温度变化 ccchhh dddtcqtcq pmpm 传热速率方程传热速率方程： 热量衡算方程热量衡算方程： tc1 tc2 th1 th2 tc1 tc2 th1 th2 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 当qmhcph、 qmccpc=常数时， -th、 -tc为线性关系， 所以， -(th- tc)也为线性关系。 tt t 21 d )(d tt AtK t 21 d )(d A t t A tt t t K 0 21 d )(d1 1 2 hh h d d pm cq t cc c d d pm cq t ccchhh dddtcqtcq

15、 pmpm m 2 1 21 ln tKA t t tt KA th1 tc2 th2 传热量 dth dtc dAd tc1 t=th-tc 平均传热温度差的推导 t2 t1 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 2 1 21 m ln t t tt t 对数平均温度差： 说明：说明： 并流：并流： 逆流：逆流： 1c2h1 ttt c2h12 ttt c11h1 ttt c2h22 ttt )( 2 1 2/ 21m21 ttttt时，可近似取 进、出口条件相同时， 并逆,m,m tt 工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。工业上，一般采用逆流操作（节省加热面积）。 逆流 并流 大连理工

16、大学化工原理课程讲义传 热 一侧流体温度有变化，另一侧恒温时， 并逆,m,m tt 错流、折流时平均温差 图算法图算法 逆,mm tt t )(PRf t ，温差校正系数： 冷流体温升 热流体温降 1c2c 2h1h tt tt R 两流体最初温差 冷流体温升 1c1h 1c2c tt tt P 1 1 2 1 2 一侧流体变温时的温差变化 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 温度校正系数 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 原因原因: 换热器内出现温度交叉或温度逼近现象。 避免措施避免措施: 采用多个换热器串联或采用多壳程结构， 换热器个数或所需的壳程数,可用图解法确定。 说明：说明： th

17、1 tc2 th2 tc1 A Ns=2 无相变换热器设计计算 a）校正系数 可根据R和P两参数从相应的图中查得。 t b）温差校正系数 恒小于1。 t c）当 值小于0.8时，则传热效率低， 经济上不合理， 操作不稳定。 t 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 4.6.5 传热效率和传热单元数法传热效率和传热单元数法 设计型计算无须试差法,操作型计算需用试差法。 设计型计算设计型计算 m 1c2ccc2h1hhh )()( tKA ttcqttcq pmpm 1c2ccc1hhh ttcqtcq pmpm ，已知条件： AK tt 假定 借助于假定的传热系数 由此可求得得可用热流量衡算方程求

18、, m2h 总之，对于设计型计算冷、热流股的温度都已知，或者通过 热流量衡算达到已知，无须试差。 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 操作型计算操作型计算 已有一台面积为A的换热器，若用其加热某流体， 未知和、但，、已知tttt 2c2h1c1h tKAttt t mm2h2c m 假定 差，即无法计算，显然必须试因此 若采用1955年由凯斯导出的传热效率及传热单元数法，则 能避免试差而方便地求得其解。 (1) (1) 传热效率和传热单元数传热效率和传热单元数 传热效率传热效率 h 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 逆流：逆流： 哪一侧流体能获得最大的温度变化（t h1 -t c1 ）max

19、， 这将取决于两流体热容量流率(qmcp)的相对大小。 )()( 1c2ccc 2 h 1 hh h ttcqttcq pmpm 1c2h1h2c 1 h1c hc ttttA ttqq mm 或则： ，若： tc1 th2 tc1 th2 th2 th1 tc1 tc2 传热 温度 传热 th1 tc2 温度 温度 传热 逆 流 传 热 效 果 示 意 图 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 。已知，则可求得若 2hh 1c1h 2h1h 1c1hminhh 2h1hminhh max h )()( )()( t tt tt ttcq ttcq pm pm 并流：并流： tc1 th2 tc

20、2 th1 th2 th1 tc2 tc1 传热 温度 温度 传热 并流传热效果示意图 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 2cc 1c1h 1c2c c t tt tt 已知，则可求得若同理： 传热单元数传热单元数NTU (The Number of Transfer Units ) AttKtcqtcq pmpm d)ddd chccchhh （ hhch h dd pm cq AK tt t 对于热流体，则有 A pm t tcq KdA tt t NTU h h 0 hhch h h 1 2 d hhm 2h1h h pm cq KA t tt NTU 温度 传热面积 tc1 th2 th1 tc2 dth dtc dA 单程逆流换热器流体温度分布 大连理工大学化工原理课程讲义传 热 可表示为换热器的传热单元数同样，对于冷流体 C NTU, ccm 1c2c c pm cq KA t tt NTU 传热效率和传热单元数的关系传热效率和传热单元数的关系 cqcq