复旦大学 化工原理 第四章 传热(2)

1、第四节第四节 两流体间传热过程的计算两流体间传热过程的计算 两流体间的热交换往往需通过间壁来进行；即采用热交换器两流体间的热交换往往需通过间壁来进行；即采用热交换器来实施。本节主要介绍热交换器的设计问题。来实施。本节主要介绍热交换器的设计问题。一一. 热交换器的传热速率热交换器的传热速率 如果工艺要求将质量流如果工艺要求将质量流量为量为 qm1 的热流体由的热流体由 T1 降温降温至至 T2 ； 则能够满足工艺要则能够满足工艺要求的求的 热交换，其传热速率热交换，其传热速率 Q为：为：Q = Cp1 qm1 ( T1 T2 ) = Cp2 qm2 ( t2 t1 ) 一般情况下，冷流体的一般情

2、况下，冷流体的 t1 为确定值。因此，为确定值。因此，qm2 与与 t2 有一有一一对应关系。但这一对应关系还需要由热交换器的换热能力来一对应关系。但这一对应关系还需要由热交换器的换热能力来保证，否则无法满足工艺要求。即热交换器必须具有与其匹配保证，否则无法满足工艺要求。即热交换器必须具有与其匹配的传热速率。的传热速率。 对热交换器而言，其传热速率为：对热交换器而言，其传热速率为： Q = K Am D Dtm 式中：式中：K 热交换器的总传热系数，热交换器的总传热系数， W / m2 K ； Am 热交换器的平均换热面积，热交换器的平均换热面积， m2 ； D Dtm 热交换器的传热平均温度

3、差，热交换器的传热平均温度差， K 。 对于热交换器的设计型问题，主要是确定能满足工艺要求对于热交换器的设计型问题，主要是确定能满足工艺要求的热交换器的传热面积。的热交换器的传热面积。二二. 总传热系数总传热系数 当热交换器的间壁较薄或是平板时，其总传热系数为：当热交换器的间壁较薄或是平板时，其总传热系数为：式中：式中：K 热交换器的总传热系数；热交换器的总传热系数； a a1 热流体的对流传热系数；热流体的对流传热系数； R1 热流体一侧的污垢热阻；热流体一侧的污垢热阻； b 间壁的厚度；间壁的厚度； l l 间壁的导热系数；间壁的导热系数； R2 冷流体一侧的污垢热阻；冷流体一侧的污垢热阻

4、； a a2 冷流体的对流传热系数。冷流体的对流传热系数。三三. 传热的平均温度差传热的平均温度差 D Dtm恒温传热恒温传热 如果热流体一侧为蒸汽冷凝传热，冷凝温度恒定为如果热流体一侧为蒸汽冷凝传热，冷凝温度恒定为 T ；而而冷流体一侧为液体沸腾传热或大环境的冷源，温度始终保持冷流体一侧为液体沸腾传热或大环境的冷源，温度始终保持在在 t ； 则：则： D Dtm = T t 。一侧恒温与一侧变温的传热一侧恒温与一侧变温的传热 若热流体一侧为蒸汽冷凝传热，冷凝温度恒定为若热流体一侧为蒸汽冷凝传热，冷凝温度恒定为 T ；而冷而冷流体一侧为无相变传热，冷流体温度由流体一侧为无相变传热，冷流体温度由

5、 t1 升至升至 t2 ；则：；则：3. 3. 二侧变温传热二侧变温传热 若冷、热流体均为无相变传热，则：若冷、热流体均为无相变传热，则：逆流操作逆流操作 D Dt1 = T1 t2 ；D Dt2 = T2 t1 。并流操作并流操作 D Dt1 = T1 t1 ； D Dt2 = T2 t2 。四四. 热交换器的设计热交换器的设计根据工艺要求确定热交换器的传热速率；根据工艺要求确定热交换器的传热速率；确定冷却介质或加热介质的定性温度；确定冷却介质或加热介质的定性温度；查物性数据表得热流体和冷流体的物性参数；查物性数据表得热流体和冷流体的物性参数；选择合适的经验关联式，计算出冷、热流体的对流传选

6、择合适的经验关联式，计算出冷、热流体的对流传热系数；热系数；确定热交换器的间壁材料和厚度；确定热交换器的间壁材料和厚度；计算出热交换器的总传热系数和平均传热温度差；计算出热交换器的总传热系数和平均传热温度差；由热交换器的传热速率式计算出所需的传热面积；由热交换器的传热速率式计算出所需的传热面积；确定热交换器的结构和工艺参数。确定热交换器的结构和工艺参数。例：热交换器的传热面积计算例：热交换器的传热面积计算 用每小时用每小时 41.5 m3 的冷却水将某精馏塔的上升物料蒸汽全的冷却水将某精馏塔的上升物料蒸汽全部冷凝下来。问热交换器需要有多大的传热面积；若采用列管部冷凝下来。问热交换器需要有多大的

7、传热面积；若采用列管式热交换器，以长式热交换器，以长 1.5 m 、F32 F32 3 3 mm 的钢管作列管，则需的钢管作列管，则需多少根？多少根？已知：上升蒸汽已知：上升蒸汽 qm = 2815 Kg / h , 汽化潜热汽化潜热 g g = 540 KJ / Kg ； 上升蒸汽的温度上升蒸汽的温度 T = 348 K ，冷却水进口温度，冷却水进口温度 t1= 303 K; 蒸汽的冷凝传热系数蒸汽的冷凝传热系数 a a1 = 1300 W / m2 .K ； 冷却水的对流传热系数冷却水的对流传热系数 a a2 = 1000 W / m2 .K ； 比热比热 Cp = 4.2 KJ / Kg

8、.K ； 密度密度 r r = 1000 Kg / m3 ； 钢管的导热系数钢管的导热系数 l l = 49 W / m.K 。五五. 非稳态传热过程非稳态传热过程 图示的夹套式反应釜内盛图示的夹套式反应釜内盛有有 m 公斤的反应物料公斤的反应物料 。现要求。现要求将反应物由将反应物由 t1 加热至加热至 t2 ；夹套；夹套内通温度为内通温度为 T 的水蒸汽进行加的水蒸汽进行加热热 。 若该夹套反应釜的传热面若该夹套反应釜的传热面积为积为 A ，总传热系数为，总传热系数为 K ，反，反应物料的平均比热为应物料的平均比热为 Cp 。则。则所需的加热时间所需的加热时间 t t 为：为： 第五节第五

9、节 热辐射热辐射 一个物体只要其绝对温度不为零度，就会不停地以电磁波一个物体只要其绝对温度不为零度，就会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量。同时，又不断地吸收来自外界其他物的形式向外界辐射能量。同时，又不断地吸收来自外界其他物体的辐射能。体的辐射能。 在我们的日常生活和工业生产中，热辐射传热是非常普遍在我们的日常生活和工业生产中，热辐射传热是非常普遍的，其应用也非常广泛。的，其应用也非常广泛。一一. 热辐射的基本概念热辐射的基本概念 热辐射与光辐射就其物理本质而言，两者完全相同；都是热辐射与光辐射就其物理本质而言，两者完全相同；都是以电磁波形式传播的辐射能，区别仅在于他们的波长不同。所以电磁波

10、形式传播的辐射能，区别仅在于他们的波长不同。所以热辐射也遵循光辐射的折射、反射定律。以热辐射也遵循光辐射的折射、反射定律。 当投射到物体上的辐射能为当投射到物体上的辐射能为 Q ，如果其中有一部分能量如果其中有一部分能量 Qa a 被物体吸被物体吸收；一部分能量收；一部分能量 Qr r 被物体反射；一被物体反射；一部分能量部分能量 Qt t 透过该物体。则根据能透过该物体。则根据能量守恒定律，有：量守恒定律，有： Qa a + Qr r + Qt t = Q令：令：Qa a / Q = a a ， 称为吸收率称为吸收率 ； Qr r / Q = r r ， 称为反射率称为反射率 ； Qt t

11、/ Q = t t ， 称为透过率称为透过率 。则有：则有： a a + r r + t t = 1对于：对于：a a = 1 的物体，称为黑体；的物体，称为黑体； r r = 1 的物体，称为白体；的物体，称为白体； t t = 1 的物体，称为透热体。的物体，称为透热体。二二. 物体的辐射能力物体的辐射能力 在一定温度下，物体在单位时间内由单位面积所发射的全在一定温度下，物体在单位时间内由单位面积所发射的全波长辐射能，称为该物体的辐射能力，以波长辐射能，称为该物体的辐射能力，以 E 表示，即：表示，即： E = Q / A式中：式中： E 辐射能力辐射能力 ， W / m2 ； Q 辐射能

12、辐射能 ， W ； A 物体的表面积物体的表面积 ， m2 。 理论研究证明，对于吸收率为理论研究证明，对于吸收率为 1 的黑体，其辐射能力满足的黑体，其辐射能力满足斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律：波尔兹曼定律： Eb = s s T4 式中：式中： Eb 黑体的辐射能力，黑体的辐射能力， W / m2 ； s s 斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，s s=5.67 10-8 W/ m2.K4 ； T 黑体表面的热力学温度黑体表面的热力学温度 ， K 。 实验证明：在同一温度下，实际物体的辐射能力实验证明：在同一温度下，实际物体的辐射能力 E 恒小于恒小于黑体的辐射能力黑体的辐射能力 Eb 。

13、为反映实际物体的辐射能力大小，而引入。为反映实际物体的辐射能力大小，而引入一个黑度的概念。即：一个黑度的概念。即：e e = E / Eb 实际物体的黑度实际物体的黑度 e e ，恒小于，恒小于 1 。 物体的黑度不是颜色的概念，它是表明实际物体的辐射能力物体的黑度不是颜色的概念，它是表明实际物体的辐射能力接近黑体辐射能力的一种程度。接近黑体辐射能力的一种程度。三三. 克希霍夫定律克希霍夫定律 黑体对各种波长的辐射能可以全部吸收；但实际物体的吸黑体对各种波长的辐射能可以全部吸收；但实际物体的吸收率与投入辐射的波长有关，这是由于物体对不同波长的辐射收率与投入辐射的波长有关，这是由于物体对不同波长

14、的辐射能选择性吸收的结果。如果实际物体对不同波长辐射能的吸收能选择性吸收的结果。如果实际物体对不同波长辐射能的吸收程度相同，则物体对投入辐射的吸收率便不会与外界情况有关。程度相同，则物体对投入辐射的吸收率便不会与外界情况有关。 实际物体的吸收率实际物体的吸收率 a a 比其黑度比其黑度 e e 更为复杂。但如果不对更为复杂。但如果不对实际物体的吸收率作出恰当的估计，则热辐射传热就无法进行实际物体的吸收率作出恰当的估计，则热辐射传热就无法进行计算。为此，人为地引入一个灰体的概念。计算。为此，人为地引入一个灰体的概念。 所谓灰体，就是对各种波长的辐射能具有相同吸收率的理所谓灰体，就是对各种波长的辐

15、射能具有相同吸收率的理想化物体。想化物体。 实验表明，对于波长在实验表明，对于波长在 0.3820 m mm 范围内的辐射能，大范围内的辐射能，大多数材料的吸收率随波长变化不大，而可视为灰体。多数材料的吸收率随波长变化不大，而可视为灰体。 对于灰体，根据克希霍夫定律可得：对于灰体，根据克希霍夫定律可得：a a = e e 。克希霍夫定律表明：一个物体吸收热辐射的能力愈大，其发射克希霍夫定律表明：一个物体吸收热辐射的能力愈大，其发射热辐射的能力也大。热辐射的能力也大。四四. 两固体间的辐射传热两固体间的辐射传热 从高温物体从高温物体 1 传给低温物体传给低温物体 2 的辐射传热速率的辐射传热速率

16、 Q12 为：为：式中：式中：C1-2 总辐射系数总辐射系数 ， W / ( m2 . K4 ) ； f f 角系数角系数 ； A 辐射传热面积辐射传热面积 ， m2 ； T1 、T2 分别为热分别为热 、冷物体表面的热力学温度，、冷物体表面的热力学温度， K 。 式中的各参数需视具体情况而定。式中的各参数需视具体情况而定。例：用裸露的热电偶测得炉膛烟气温度为例：用裸露的热电偶测得炉膛烟气温度为 T1 = 1065 K 。已知：。已知：水冷壁的壁温水冷壁的壁温 TW = 873 K ，热电偶的表面黑度，热电偶的表面黑度 e e1 = 0.3 ，烟气，烟气对热电偶表面的对流传热系数对热电偶表面的

17、对流传热系数 a a = 57.7 W / m2.K 。试求炉膛烟。试求炉膛烟气的真实温度气的真实温度 Tf 及热电偶的测温误差。及热电偶的测温误差。 若采用遮热罩抽气式热电偶，热电偶的指示温度为多少？若采用遮热罩抽气式热电偶，热电偶的指示温度为多少？已知：由于抽气的原因，此时烟气对热电偶和遮热罩的对流传已知：由于抽气的原因，此时烟气对热电偶和遮热罩的对流传热系数增至热系数增至 a a = 116 W / m2.K ； 遮热罩的表面黑度遮热罩的表面黑度 e e2 =0.3 。第六节第六节 热交换器热交换器夹套式热交换器夹套式热交换器 传热面积小，传热阻力大。一般只在反应器和结晶器上使传热面积小，传热阻力大。一般只在反应器和结晶器上使用。用。二二. 套管式热交换器套管式热交换器优点：结构简单，能耐高压，制造方便，传热面积易于增减。优点：结构简单，能耐高压，制造方便，传热面积易于增减。缺点：金属消耗大、单位传热面积的占地也多。缺点：金属消耗大、单位传热面积的占地也多。三三. 盘管式热交换器盘管式热交换器沉浸式：一般作为夹套式热交换器的补充，以及作为再沸器沉浸式：一般作为夹套式热交换器的补充，以及作为再沸器使用；使用；喷淋式：传热效果好，但对环境的污染较大。喷淋式：传热效果好，但对环境的污染较大。四四. 列管式热交换器列管式热交换器单程：换热面积大，清洗容易；在工