第5章 化工原理 传热学

1、第五章第五章 传热学传热学5.1概述概述5.2热传导热传导5.3两两流体间的热量传递流体间的热量传递5.4给给热系数热系数5.5辐射传热辐射传热5.6传热传热设备设备5.7填料填料床层的传热分析床层的传热分析第五章第五章 传热学传热学 . .学习要求学习要求（1）. 本章学习目的本章学习目的 通过本章学习，重点掌握通过本章学习，重点掌握，并运用这些原理和规律去分析和，并运用这些原理和规律去分析和解决冶金和化工生产中解决冶金和化工生产中过程的有关问题：过程的有关问题：热传导基本原理，掌握傅立叶定律及平壁、圆筒壁的热传导计算；对流传热的基本原理、牛顿冷却定律及影响对流传热的因素；掌握对流传热系数的

2、物理意义和经验关联式的用法、使用条件；辐射传热的基本概念及基本定律；熟练掌握传热过程的计算，传热基本方程式、热流量、平均传热温度差、总传热系数的计算；了解强化传热过程的途径；填料床层的传热过程分析与计算 此外，此外，工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设工业生产中常用的换热器类型、结构、特点；掌握列管式换热器的设计、选型计、选型。 （2） 本章应掌握的内容本章应掌握的内容牛顿定律、常用准数牛顿定律、常用准数及及对流传热系数关联式应用；计算与热平衡分析。计算与热平衡分析。5.1 概述概述氧化铝管道化溶出氧化铝管道化溶出alumina tube digestion 熔盐加热系

3、统是管道化溶出的关键工序，管道化溶出工艺中，氧化铝矿浆加热过程全部在多套管中完成。 （1）传热在工业中的应用）传热在工业中的应用回转回转窑：有气体流动、燃料燃烧、热量传递和物料运动等过程所组成的。回回 转转 窑窑回转窑使燃料能充分燃烧，燃料燃烧的热量能有效的传给物料，物料接受热量后发生一系列的物理化学变化，最后形成成品熟料。热的传递热的传递是由于物体内部或物体之间的温度不同而引起的。根据热力学第二定律，热量总是自动地从温度较高的物体传给温度较的物体； 一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热。二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。化工生产中对传热过程的要求化工生产中对传热过程的

4、要求传热的推动力传热的推动力温度差 传热的方向传热的方向高温向低温 （2）传热的三种基本方式）传热的三种基本方式热传导（又称导热）热传导（又称导热） 若物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导(又称导热)。相互接触的物质之间静止的物质内部层流流动的物质内部发生在热传导的机理热传导的机理 在金属固体中，热传导起因于自由电子的运动； 在不良导体的固体中和大部分液体中，热传导是通过晶格结构的振动，即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的； 在气体中，热传导则是由于分子不规则运动而引起的。 流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程，称为热

5、对流(简称对流)。 热对流仅发生在流体中。工业生产中经常遇到的是流体流过固体表面时，热能由流体传到固体壁面，或者由固体壁面传入周围流体，这一过程称为对流给热，简称给热 依据流体中产生对流的原因，又可将对流分为：热对流（对流）热对流（对流）自然对流：当流体内存在温度不均匀分布而形成密度的差异，也会发生对流而传热强制对流：用机械能使流体发生对流而传热，例如搅拌热辐射热辐射 因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。热辐射的特点是： 不需要任何介质，可以在真空中传播； 不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移； 任何物体只要在热力学温度零度以上，都能发射辐射能，但是只有在物体温度较高时，热辐

6、射才能成为主要的传热方式。实际上，上述三种传热方式，很少单独存在，而往往是三者不同主次的组合q，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，J/(s,m2)，W/m2。dAdQq Q，单位时间内通过传热面积传递的热量，J/s，W。热流量热通量（或热流密度）传热速率=传热推动力(温度差) /传热热阻（3）传热速率与热阻）传热速率与热阻(1)（4）稳态传热和非稳态传热）稳态传热和非稳态传热),(,zyxfTqQ),(,zyxfTqQ物理量不随时间而变物理量随时间变化稳态传热非稳态传热温度随时间而改变的温度场称为不稳定温度场；若各点的温度均不随时间而改变，则称为稳定温度场 5.2.1 傅里叶定律 5.2.

7、2 热导率 5.2.3 平壁的稳定热传导 5.2.4 圆筒壁的稳定热传导5.2 热传导热传导沿等温面法线方向的温度的变化率。 温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的方向为正，与热量传递的方向相反。ntntgradtn0limt/nt温度场温度梯度等温面和等温线5.2.1傅里叶定律傅里叶定律(2)傅里叶（Fourier）定律ntq傅立叶定律表明导热速率与温度梯度及传热面积成正比，而热流方向却与温度梯度方向相反。t/nt导热通量 q 与温度梯度 成正比；：比例系数，称为热导率，Wm-1K-1ntq(3)5.2.2 导热系数导热系数 是物质的固有性质，是分子微观运动的宏观表现。 在数值上

8、等于单位温度梯度下的热通量，故物质的越大，导热性能越好。 与物质的种类、热力学状态（T、P）有关。金属固体 非金属固体 液体 气体 T ， 气体， 水，其它液体的 。5.2.3 平壁的热传导平壁的热传导假设：导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态； 忽略热损失。 单层平壁热传导tz,Oxxdxb1t2ttdtt dS对平壁一维稳态热传导 积分并整理得热阻推动力Rt（1）单层平壁的热传导）单层平壁的热传导dxdtq=-给定边界条件：x=0时，t=t1; x=b时，t=t2；btt)-(21q=无限平壁，通过导热面各局部面积热通量相等dAdQq=AQ=bttA)-(21Q= R-单层平壁导

9、热热阻R=b/A(4)(5.2-4)（2） 多层平壁的热传导多层平壁的热传导三层平壁热传导假设：导热系数不随温度变化，或可取平均值； 一维稳态；忽略热损失；没有接触热阻。 显然，通过每一层的Q =常数，或q =常数AbQtttAbQtttAbQttt333433222322111211单层平壁公式321QQQQ(5)而由一维稳态条件，得热阻推动力 QSbttSbttSbtt334322321121SbSbSbtt33221141 总热阻总推动力 推广至n层平壁，多层平壁的热传导速率方程式11niitttQbRS温差与热阻的关系：各层的温差与热阻成正比，温差越大，热阻越大。AAAAAA(6)(7

10、)(8)5.2.4圆筒壁的稳定热传导圆筒壁的稳定热传导假设：一维稳态温度场。 Q为常数，但传热面积 A 和热通量 q 均随半径而变。且假定为常数则将一维稳态条件用于傅立叶定律：ntqdrdtAQ沿 r 方向定积分，得21212ttrrdtlrdrQ（1）单层圆筒壁的稳定热传导）单层圆筒壁的稳定热传导rlA2drdtrlQ2)(2ln2112ttlrrQRttlrrttrrttlQ21122112212ln)(ln)(2温差（t1-t2）-推动力；LrrR2ln12-热阻；单层圆筒壁的热传导(9)可写成与单层平壁热传导速率方程相类似的形式 其中: b-圆通壁的厚度，b=r2-r1;SbttQ21

11、 壁：平RtAbttbttArrrrttrrlQmm/)()(/ln()(221211212211221m21lnrrrrr圆筒壁的对数平均半径LrAmm2注：当 r2/r12时，时，可用算术平均值代替对数平均值。mA-平均面积(10)（2） 多层圆筒壁的热传导假设层与层之间接触良好，即互相接触的两表面温度相同。 多层圆筒壁热传导各层热导率分别为1、2、3，厚度为b1、 b2、b3 ；33322211141321413214321mmmAbAbAbttRRRttRRRttttQ推广至 n 层圆筒壁， 多层圆筒壁的热传导速率方程式niiinnimiiinlrrttSbttQ11111112)/l

12、n(i(11)(12)5.3 两流体间的热量传递 5.3.1 两流体通过间壁传热的分析 5.3.2 传热速率和传热系数 5.3.3 传热温差和热量衡算 5.3.4 复杂流向时的平均温差 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果流体的对流与热传导共同作用的结果。当流体被加热或冷去时，一般用另一种流体来供给或取走热量。这另一种流体称为载热体； 大多数情况下不允许传热的两种流体相互混合，因而需要用间壁将它们隔开，这种传热设备称为热交换器（简称换热器）套管换热器示意（逆流）1加热剂：提供热量的载

13、热体。热水、饱和蒸汽、矿物油、联苯、熔盐、烟气等；2冷却剂：取走热量的载热体。冷水、空气、盐水、液氨。或氟里昂、液氮。5.3.1两流体通过间壁传热的分析两流体通过间壁传热的分析流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对

14、流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。 靠近壁面的存在温度梯度的薄流体层定义为热边界层。在热边界层以外的区域，流体的温度基本上相同，即温度梯度可视为零。热边界层根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。 若紧靠壁面处薄层流体内的传热只能是热传导，则传热速率可用傅里叶定律表示，即 wddd()dtQSy 紧靠壁面处薄层流体的温度梯度热边界层 根据牛顿冷却定律，流体和壁面间的对流传热速率方程为wwd()d1 (d)TTQTTSS换热器任一截面上与热流体相接触一侧的壁温 换热器任一

15、截面上热流体的平均温度AAA(13) 对流传热一个非常复杂的物理过程，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中复杂问题简单化表示。 牛顿定律 当流体流过固体壁面时，通过流体且与壁面垂直的对流热流密度与壁面温度和流体温度的差成正比，即)(),(21ttdAdQqTTdAdQqwxwx对冷流体：dSttdQdSTTdQwxwx)(,)(或对热流体热流量与热通量关系：dQ=qdAA（1）对流传热系数）对流传热系数物理意义：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率，W/(m2)； 反映对流传热的快慢， 越大，对流传热越快； 不是流

16、体本身的物理性质，与流体的流动状态、有无相变、流体物性、壁面情况、流体流动的原因等有关。5.3.2传热速率和传热系数传热速率和传热系数tSQA(14) KmWKmW22/10020/255：强制对流自然对流 KmWKmWKmWKmW2222/250002500/150005000/150001000/1000200：水沸腾蒸汽冷凝强制对流自然对流空气中水中无相变有相变 自然强制 gl 总之： KmWKmW22/2000500/150050：蒸汽冷凝强制对流油类中 两流体通过管壁的传热包括以下过程: 热流体在流动过程中将热量传给管壁的对流传热； 通过管壁的热传导； 管壁与流动中的冷流体之间的对流

17、传热。（2）总传热系数）总传热系数热流体冷流体twtTwT 对稳态传热过程，各串联环节的传热速率必然相等，即 或移项后相加，得2111btT2111)()()(btttTTTqWWWW传热的总温差热通量的总热阻211/1ttbtTTTqwwww)()()(21ttbtTTTqwwww令211111bRKt即21111bK(15)(16)(17)K 称为传热系数，单位为Wm-2K-1物理意义：考虑了从热流体通过间壁到冷流体的整个传热过程。)(tTKq由于两流体温度沿壁面的变化，使得总温差也发生变化；对于热流量dAdQq 上式可改写成微分式dAtTKdQ)(18)1)逆流和并流时的平均温度差逆流：

18、参与换热的两种流体沿传热面平行而反向的流体并流：参与换热的两种流体沿传热面平行而同向的流动。5.3.3传热温差和热量衡算传热温差和热量衡算 确定所需传热面积；或核算已有换热器的传热面积能否满足传热需要，为此需对传热速率的微分式进行积分；1t2t2t1t两侧流体均无相变时的温度变化(a)逆流 (b)并流 以逆流为例，热冷流体温度T、t 随距离 x 或传热面积 A 增大而降低，通过微元面积dA传热后，两流体的微分温度变化dT、dt都为负值。 热流体传出的热流量与冷流体获得的热流量相等dtcmdTcmdQpsps2211cp1,cp2 热、冷流体的定压比热容，kJkg-1K-1，可取定性温度下的数值

19、作为常数mp1,mp2 热、冷流体的质量流量，kgs-1，稳定情况下取常数)/(1)/(1)/(1)/(122112211pspspspscmcmdtdTcmdtcmdTdQ)/(1)/(12211pspscmcmm（T-t）微分式令mtTddQ/ )( mtTddAtTK)()(19)(20)在A = 0 热流体入口处，截面，212tTtt211tTtt210ln21ttmKAttddAmKttA积分，至A =A，热流体出口处，截面QttQtTtTQttTTm2112211221)()()()(而，)/ln(2121ttttKAQ即mtKAQ)/ln(2121tttttm换热器进、出口处的对

20、数平均温差，当t1、t22，可用算术平均值代替)()(21222111ttcmTTcmQpsps热量平衡式总传热速率方程式(21)5.3.4复杂流向时的平均温差复杂流向时的平均温差12错流简单折流 就传热平均温差来说，逆流比并流优越。并流较易控制，但一般应尽可能采用逆流操作。 但在换热器设计中，除温差的大小以外，还要考虑到影响传热系数的多种因素以及换热器结构等方面的问题，所以实际上单纯的逆流或并流并不多见，而是采用比较复杂的流向。平均温差tm的计算远比单纯并流或逆流时复杂5.4 给热系数给热系数 5.4.1 给热系数的影响因素和数值范围 5.4.2 给热系数与量纲分析 5.4.3 流体做强制对

21、流时的给热系数 5.4.4 流体做自然对流时的给热系数 对流传热分类 :(从大类小类具体情况)对流传热有相变传热无相变传热冷凝传热沸腾传热自然对流强制对流管外对流管内对流圆形直管非圆管道弯管湍流过渡流滞流(层流) 对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。5.4.1给热系数的影响因素和数值范围给热系数的影响因素和数值范围1. 引起流动的原因自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u较小，也较小。强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u较大，故较大。

22、2. 流体的物性当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响较大的物性有：，cp。的影响：；的影响：Re； cp的影响：cpcp单位体积流体的热容量大，则较大；的影响: Re3. 流动型态层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较大。；但Re动力消耗大。 给热系数主要取决于传热设备的定型尺寸l、流体的流速u，黏度、热导率 、定压比热容cp 、密度。f(u，l，cp，) 0 7个物理量涉及四个基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度由定理，无量纲特征数的数目等于变量数n与基本量纲数m之差，即n-m=3

23、.令三个无量纲特征数为1 2 3，即0),(3211、2 3用量纲分析法得出5.4.2给热系数与量纲分析给热系数与量纲分析努塞尔数(Nusselt number) 待定特征数，包含待定的给热系数； 反映与传热有关的流体物性。一般，气体的Pr1 lNu 1）2） pc Pr普朗特数(Prandtl number)无因次数群3）雷诺数(Reynolds number) 反映流体的流动形态和湍动程度； ul R4）格拉晓夫数(Glashof number)反映由于温差而引起的自然对流的强度，相当于强制湍流的雷诺数。223tlgGr(,)N ufG r P r自然对流（无相变）传热时的准数关联式 准数

24、关联式(,)N uR e P r强制对流（无相变）传热时的准数关联式 具体关联式由实验确定，使用关联式时应注意；定性温度。各准数中的流体物性应按什么温度查取。特性尺寸。Nu、Re等准数中的l应如何确定。(22)(23)nPrReNu8 . 0023. 0npcdud)()(023. 08 . 0（1）流体在管内的强制对流使用范围：Re10000，Pr=0.6-160，50注意事项：（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm；（2）特征尺寸为管内径di；（3）流体被加热时，n0.4，流体被冷却时，n0.3；n取不同值主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。当管内流体被加热时，靠近管壁处层流底

25、层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反。 对于空气或其他对称双原子气体，Pr0.7，可简化为8 . 002. 0ReNu 5.4.3流体做强制对流时的给热系数流体做强制对流时的给热系数圆形直管强制湍流(24)(25)(26)14. 03/1)()Pr(Re86. 1wldNu圆形直管内的强制层流特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。Gr25000时，自然对流影响可忽略适用范围：Re2300，6700Pr0.6，)ld

26、RePr(05. 1)(14. 0w95. 0)(14. 0w定性温度流体进出口的算术平均值；特征尺寸取为管内径；w按壁温确定，工程上可近似处理为：对于液体，加热时：冷却时：10(27)（2）流体在管外强制对流A流体在单根圆管外以垂直于该管的方向流过时，其前后半周的情况不相同正对流体流动方向的A点称为驻点；=0处，速度为零，压力最大，随着增大，层流边界层逐渐增厚，直到圆柱后半周边界层发生脱离形成漩涡，这种流动特点使得不同的处，具有不同的局部给热系数直列错列换热管的排列适用范围：5000Re70000，x1/d=1.25，x2/d=1.25。（1）特性尺寸取管外径d0；（2）流速u取每列管子中最

27、窄流道处的流速，即最大流速。（3）C1， C2 ，n取决于排列方式和管排数，由实验测定，Nu=C1C2RenPr0.4流体在管束外横过流体时的给热系数(28)5.4.4流体做自然对流时的给热系数流体做自然对流时的给热系数大空间（指边界层不受干扰）自然对流传热大空间（指边界层不受干扰）自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热对流传热系数仅与反映自然对流的Gr和反映物性的Pr有关，依经验式计算：NuC（Gr Pr）n（1）特性尺寸对水平管取外径d0，垂直管或板取管长和板高H。（2

28、）定性温度取膜温（tm+tw）/2。（3）C,n=f（传热面的形状和位置,Gr,Pr），具体数值列在书表中。(29)5.5 辐射传热5.5.1 基本概念5.5.2 物体的辐射能力和有关的定律5.5.3 克希霍夫定律5.5.4 两固体间的相互辐射辐 射辐射能热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程。 物体以电磁波方式传递的能量。 因热的原因引起的电磁波辐射。 但具有实际意义的波长为 0.420 m。可见光：0.40.8 m 很高温度下才有明显作用红外线： 0.820 m 在热辐射中起决定作用从理论上讲，热辐射的波长范围为 0;5.5.1基本概念基本概念QQQQDRA1DRAQQRQAQDQQA

29、AQQRRQQDD吸收率反射率透过率 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 (QR), 一部分透过物体(QD)。辐射能的吸收、反射和透过(30)(31) A=1, R=D=0。例如没有光泽的黑墨表面，其吸收率 A=0.960.98。 R=1, A=D=0。例如表面抛光的铜，其反射率 R=0.97。 D=1, A=R=0。例如对称双原子气体 O2、N2、H2 等都是透热体。黑体是一种理想化的物理，实际物体只能或多或少接近于黑体，但没有绝对的黑体。引入黑体的概念是理论研究的需要。黑体（绝对黑体）镜体（绝对白体）透热体l 固体和液体：D0，AR1l 气体

30、：R0，AD=1一般来说， 能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体。工业上常见的固体材料均可视为灰体。 l 灰体是理想物体，实际物体的吸收率与波长有关，但对工业上常见固体材料，吸收率随波长变化不大，可视为灰体；l灰体的吸收率 A 与波长无关；l灰体为不透热体（A+R=1）。灰体 在一定温度下，单位时间、单位表面积内所发射的全部辐射能(从波长=0到= ) ，称为该物体在该温度下的发射能力，用E表示，单位W/m2。斯蒂芬-玻尔兹曼定律：黑体的发射能力E0由绝对黑体的单色发射能力E0关于从0000dEE0/5112decTC40400100TCTE黑体的辐射能力与热力学温度的四次方成正比积分42

31、8010669. 5KmW420669. 5KmWCC1、C2常数5.5.2物体的辐射能力和有关的定律物体的辐射能力和有关的定律(32)(33)黑体的发射常数或斯蒂芬-波尔兹曼常数黑体的发射系数0EE 黑度属物性，与材料性质和温度、压力、浓度等有关，一般：l 粗糙程度对黑度影响很大，选用时应予标注；l 非金属材料的黑度值很高，一般在0.850.95之间 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；由于实际物体的辐射能力小于同温度下黑体的辐射能力，黑度表示实际物体接近黑体的程度， 1。 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。不同物体的辐射能力也有较大的差别。引

32、入物体的黑度： (34)确定物体的发射能力E与其吸收率A之间的关系克希霍夫定律的推导克希霍夫定律的推导 两平行且壁面大而距离很近，一个壁面发射出来的能量可认为全部投射于另一壁面上，称为两无限大平行平壁E1、A1壁1发射能力和吸收率E2、A2壁2发射能力和吸收率以单位时间、单位壁面积为讨论依据壁1发射能量E1投射于壁2表面被全部吸收壁2发射能量E0投射于壁1表面上，一部分被吸收，A1E0,其余部分即（1-A1）E0，发射回，被壁2完全吸收E0A1E0E05.5.3克希霍夫定律克希霍夫定律011EAE0E11AEAEA l 可由物体的黑度知吸收率；l 善于辐射者必善于吸收；l 两者物理含义不同：A

33、 表示由其他物体发射来的辐射能被吸收的分数；表示物体的辐射能力占黑体辐射能力的分数若壁1、2温度相等，即两壁面间的辐射换热达到平衡时，壁1所发射和吸收的能量必相等，即热平衡时，对任何壁面克希霍夫定律(35)工业上常遇到两固体间的相互辐射传热，一般可视为灰体间的热辐射。 两灰体间由于热辐射而进行热交换时，从一个物体发射出来的能量只能部分到达另一物体，而到达另一物体的这部分能量由于还要反射出一部分能量，从而不能被另一物体全部吸收。 同理，从另一物体反射回来的能量，也只有一部分回到原物体，而反射回的这部分能量又部分的反射和部分的吸收，这种过程被反复进行，直到继续被吸收和反射的能量变为微不足道。 平行

34、灰体间的辐射过程5.5.4两固体间的相互辐射两固体间的相互辐射两固体之间的辐射传热两固体之间的辐射传热可用下式表示： 4241212121)100()100(TTACQ式中Q1-2高温物体1向低温物体2传递的热量，W；C1-2总辐射系数，W/(m2.K4)；1-2几何因子或角系数(总能量被拦截分率)； A辐射面积，m2； T1高温物体的温度，K； T2低温物体的温度，K。其中总辐射系数C1-2和角系数1-2的数值与物体黑度、形状、大小、距离及相互位置有关，(36)（1）两平行物面之间的辐射，一般又可分为极大的两平行面的辐射和面积有限的两相等平行面间的辐射两种情况。（2）一物体被另一物体包围时的

35、辐射，一般可分为很大物体2包住物体1和物体2恰好包住物体1两种情况。一物体被另一物体所包围时的辐射4241212121)100()100(TTACQ1A1被包围物体的辐射面积；序号辐射情况面积 A角系数总辐射系数 C1-21面积极大相距很近的两平行面A1或A212面积有限且大小相等的两平行面A113很大的物体2包住物体1A114物体2恰好包住物体1，S1=S2A115界于3、4两种情况之间A11 111210 C 111210 C 11122110 AAC021C 01C 角系数与总发射系数计算式5.6 传热设备5.6.1换热器的分类5.6.2夹套式换热器5.6.3蛇管式换热器5.6.4套管式

36、换热器5.6.5列管式换热器5.6.1换热器的分类传热设备简称换热器应用领域： 化工、石油、动力、轻工等工业部门按用途：加热器、冷却器、冷凝器和蒸发器等换热器按传热特征直接接触式：冷热两流体通过直接混合而实现热量交换 例如：气体的冷却或水蒸气的冷凝蓄热式：蓄热式换热器简称蓄热器，由热容量较大的蓄 热室构成，室中可充填耐火砖或金属带等作为填料。间壁式：冷、热两种流体之间用一金属壁（或石墨等耐腐蚀 且导热性能较好的非金属壁）隔开；两种流体在不相混合的情况下进行热量传递直接接触式换热器蓄热式换热和蓄热器热、冷两种流体交替地通过同一蓄热室时，即可通过填料将来自热流体的热量，传递给冷流体，达到换热的目的

37、连续操作：至少需要两个蓄热器交替使用蓄热式换热器蓄热式高温空气燃烧示意图 常温空气进蓄热式燃烧器1被加热的高温热空气炉膛稀薄贫氧高温气流与燃料燃烧； 炉膛内燃烧后的热烟气蓄热式燃烧器2（将显热储存在蓄热式燃烧器A内的蓄热体低温烟气排出。 两个蓄热式燃烧器处于蓄热与放热状态交替工作，常用换向周期30180s。 陶瓷小陶瓷小球或蜂球或蜂窝体窝体间壁式换热和间壁式换热器间壁两侧流体间传热对流传热导热 对流传热一、夹套换热器 ;二、蛇管换热器 三、套管式换热器四、列管式换热器（管壳式换热器） 沉浸式 蛇管式 管式 喷淋式 套管式 列管（管壳）式 间壁式 夹套式 板式 板式 螺旋板式 翅片管式 翅片式

38、板翅式 混合式（直接接触式） 蓄热式 5.6.2夹套式换热器夹套式换热器夹套反应器反应器反应器蒸汽入口或冷却水出口结构：夹套装在容器外部，在夹套和容器壁之间形成密闭空间，成为一种流体的通道。优点：结构简单，加工方便。缺点：传热面积A小，传热效率低。用途：广泛用于反应器的加热和冷却。为了提高传热效果，可在釜内加搅拌器或蛇管和外循环。5.6.3蛇管式换热器沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管式换热器喷淋式蛇管式换热器使其沉浸在容器中所充满的液体内常用于冷却（冷凝）管内的流体。被冷却的水在管内流动，冷却水由管上方的水槽经分布装置均匀淋下水池水池结构：蛇管一般由金属管子弯绕而制成，适应容器所需要的形状，沉浸在容

39、器内，冷热流体在管内外进行换热。 优点：结构简单，便于防腐，能承受高压。 缺点：传热面积不大，蛇管外对流传热系数小，为了强化传热，容器内加搅拌。水水直管直管水槽水槽喷淋式蛇管换热器齿形檐板齿形檐板结构：结构：冷却水从最上面的管子的喷淋装置中淋下来，沿管表面流下来，被冷却的流体从最上面的管子流入，从最下面的管子流出，与外面的冷却水进行换热。在下流过程中，冷却水可收集再进行重新分配。优点：优点：结构简单、造价便宜，能耐高压，便于检修、清洗，传热效果好。缺点缺点：冷却水喷淋不易均匀而影响传热效果效果，只能安装在室外。用途：用途：用于冷却或冷凝管内液体。蛇管材质：钢、铜或其他有色金属、陶瓷等蛇管的形状

40、5.6.4套管式换热器套管式换热器1-内管；2-外管；3-回转头套管式换热器 将两种直径大小不同的直管装成同心套管，每一段套管称为一程，每程的内管与下一城的内管顺序地用回弯管相连接，而外管与外管相连，即成为套管式换热器。结构：由不同直径组成的同心套管，可根据换热要求，将几段套管用U形管连接，目的增加传热面积；冷热流体可以逆流或并流。优点：结构简单，加工方便，能耐高压，传热系数较大，能保持完全逆流使平均对数温差最大，可增减管段数量应用方便。缺点：结构不紧凑，金属消耗量大，接头多而易漏，占地较大。用途：广泛用于超高压生产过程，可用于流量不大，所需传热面积不多的场合。5.6.5列列管式换热器管式换热

41、器列管式换热器又称为管壳式换热器，列管式换热器又称为管壳式换热器，最典型的间壁式换热器，主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在管内流动，其行程称为管程一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。尤其大型装置和高温、高压中得到普遍采用传热效果好、结构紧凑、坚固、且能选用多种材质管壳式换热器管壳式换热器在壳体内装有管束，管束两端固定在管板上。管壳式换热器结构管壳式换热器结构壳体折流档板有折流挡板的双管程列管式换热器 列管式换热器必须从结构上考虑热膨胀的影响，采取各种补偿的办法，消除或减小热应力。根据所采取的温差补偿措施，列管式换

42、热器可分为以下几个型式。固定管板式浮头式 U型管式 壳体与传热管壁温度之差大于50C，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。具有补偿圈的固定管板式换热器1一挡板 2-补偿圈 3-放气嘴两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。 浮头式换热器1-管程隔板；2-壳程隔板；3-浮头每根管子都弯成U形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。U型管式换热器5.7 5.7 填料床的传热分析填料床的传热分析5.7.1 5.7

43、.1 初始定义及假设初始定义及假设5.7.2 5.7.2 稳态逆流传热稳态逆流传热5.7.3 5.7.3 填料床层中的传热系数填料床层中的传热系数 填料床的传热分析主要是指在紊流状态下固态颗粒填堆料与流过该料柱的气体之间传热问题 利用固体和气体逆向流动的冶金过程包括：炼铁和炼铅高炉、竖式成球（或煅烧）炉、化铁炉和炼铜鼓风炉，等等。 本节只讨论逆流或静止料层的情况，因为在应用这类传热方式的冶金实例中，几乎全是这种情况。竖式氯化炉结构简图1一氯气管道I 2 团块；3卸渣口；4石墨电极5一加料装置；6一排气口 右图描述了填料床式冶金炉中的一般物理状况。如图所示，装在竖炉内的固态料层缓慢地向下移动，与

44、此同时，有一股气流对着该料层逆向而上。根据这些固态炉料是正被加热还是正被冷却，进入料层的气体分别可以是冷气流或热气流。 在之后的讨论中，凡热流股的温度，无论是固体还是流体，均标以注脚h，而冷流股的温度均标以注脚c；进入状态标上0，流出和离开状态则标上l。固态料层的深度以L示之。化铁炉5.7.1 5.7.1 初始定义及假设初始定义及假设填料床传热方程十分复杂，要得到分析解几乎是不可能的。但可以作某些简化，由简化分析式指出一些真实体系的行为特征；并说明由于操作条件的变化而可能发生的那些影响。1) 轴向塞流，即是假定气体没有回混现象。2) 无径向传热，即在大横截面料层中，如在烧结设备、高炉和大型化铁

45、炉中是合理的，但对于那些直径小的化铁炉，或对于明显的管道现象发生的场合，这个假设可能不太合适。3) 绝热体系，即对周围的壁来说不容许有热损失。如同第(2)个假设那些，除在直径小的化铁炉或其他竖炉场合外，这是合理的。4) 无粘滞加热效应，即因为气流速度远低于摩擦加热起重作用时的流速，所以这个假设也是合理的。5) 气相内部无辐射效应，即假定料层的导热系数包括各颗粒间的辐射传热所起的作用。6) 颗粒内部无温度梯度，即相当于牛顿冷却或加热过程的条件。对于所有实际应用来说，如果料块的毕奥数约小于0.1，即可满足此条件。对于许多填堆料床的设计，此值可高达0.25。为处理那些微分方程及假定的边界条件，这里作

46、几个原始假定：厚度为dz的料层的能量平衡式式中S单位体积料层内颗粒的总表面积，m2/m3； -h气体和固体间的传热系数，kJ/minm2；QR反应热，kJ/minm2 孔隙度；keff料层的有效导热系数，kJ/minm； 分别为固体和气相的密度，kg/m3； 分别为固体和气相的热容，kJ/kg； V0g 气流的表面速度，m/min； Vs 固体移动的实际速度，m/minsg,c csg,5.7.2 稳态逆流传热稳态逆流传热关于气体的能量平衡0()()()0ggggggggsRTTVcchS TTQzt (5.7-1)（流体流入而进入该容积的能量）（由于热对流而进入该容积的能量）反应热(37)（

47、流体流入而进入该容积的能量）（由于热对流而进入该容积的能量）（由于热传导而进入该容积的能量）关于固体的能量平衡(1)()(1)()()()0ssssssssgseffRTTTVcchS TTkQttzz(5.7-2)z反应热式中S单位体积料层内颗粒的总表面积，m2/m3； -h气体和固体间的传热系数，kJ/minm2；QR反应热，kJ/minm2 孔隙度；keff料层的有效导热系数，kJ/minm； 分别为固体和气相的密度，kg/m3； 分别为固体和气相的热容，kJ/kg； V0g 气流的表面速度，m/min； Vs 固体移动的实际速度，m/minsg,c csg,(38)规定两个概念：1)

48、料层单位横截面积的热容：2) 料层单位横截面积的热流量：3(1)kJ/mCsssGc，3kJ/mCgggGc，2,kJ / min msssWV GC20/,kJ / min mCgggWV G 考察当Vg和Vs均具稳定而又非零值时气体和固体中的最终温度分布。 假设：1) 体积传热系数 为常数；2) 料层内部的导热可以忽略不计；3) 无反应发生（QR=0）。 在竖式成球炉中就可能会是这种状况。由研细的赤铁矿粉粘结成的球团被装至炉体顶部，并逆着上升的热气流降下。气体使球团变热，因而提供使颗粒烧结和球团强化所必须的温度和时间。 在这个过程中，炉体内的温度分布和固体的下降速度都很重要，因为料粒的烧结

49、速度不仅是所达到的温度的函数，而且也是它们在那个温度下保持的时间的函数。分析逆流传热用的符号和定义推导为要达到规定的热交换所必须的料层长度的公式 考察一厚度为dz的炉料薄层，在该薄层的某一单元面积上，热气流失去的热量为： 2,kJ/min mhhdqW dT (5.7-3) 而冷气流则得到同量的热： ccdqW dT (5.7-4) 也可以说，所传递的热量为：()(5.75)hcdqhS TT dz 由式(39)、(40)可以看出：11()()(5.76)hchcd TTdqWW （5.7 - 4）（5.7 - 4）（5.7 - 3）(39)(40)(41)(42) 把式(41)所示的dq代入，得到： 或： 将式(43)积分，由于：d TThS TTWWdzhchchc()()() 11()11()(5.77)()hchchcd TThSdzTTWW 当 z=0时，0()()lhchcTTTT 最后得：0()11ln()(5.78)()hclhchcTThSzTTWW (43)(44) 故 对于设计而言，这是一个很有用的式子，特别是在唯一的技术要求为终始温度、唯一的设计参数为所希望的炉体长度的情况下，更是如此。 如果所规定的冷气流进入温