復(fù)旦大學(xué) 化工原理 第四章 傳熱(2)

1、第四節(jié)第四節(jié) 兩流體間傳熱過程的計(jì)算兩流體間傳熱過程的計(jì)算 兩流體間的熱交換往往需通過間壁來進(jìn)行；即采用熱交換器兩流體間的熱交換往往需通過間壁來進(jìn)行；即采用熱交換器 來實(shí)施。本節(jié)主要介紹熱交換器的設(shè)計(jì)問題。來實(shí)施。本節(jié)主要介紹熱交換器的設(shè)計(jì)問題。 一一. 熱交換器的傳熱速率熱交換器的傳熱速率 如果工藝要求將質(zhì)量流如果工藝要求將質(zhì)量流 量為量為 qm1 的熱流體由的熱流體由 T1 降溫降溫 至至 T2 ； 則能夠滿足工藝要?jiǎng)t能夠滿足工藝要 求的求的 熱交換，其傳熱速率熱交換，其傳熱速率 Q 為：為： Q = Cp1 qm1 ( T1 T2 ) = Cp2 qm2 ( t2 t1 ) 一般情況下，

2、冷流體的一般情況下，冷流體的 t1 為確定值。因此，為確定值。因此，qm2 與與 t2 有一有一 一對(duì)應(yīng)關(guān)系。但這一對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要由熱交換器的換熱能力來一對(duì)應(yīng)關(guān)系。但這一對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要由熱交換器的換熱能力來 保證，否則無法滿足工藝要求。即熱交換器必須具有與其匹配保證，否則無法滿足工藝要求。即熱交換器必須具有與其匹配 的傳熱速率。的傳熱速率。 對(duì)熱交換器而言，其傳熱速率為：對(duì)熱交換器而言，其傳熱速率為： Q = K Am D Dtm 式中：式中：K 熱交換器的總傳熱系數(shù)，熱交換器的總傳熱系數(shù)， W / m2 K ； Am 熱交換器的平均換熱面積，熱交換器的平均換熱面積， m2 ； D Dtm 熱

3、交換器的傳熱平均溫度差，熱交換器的傳熱平均溫度差， K 。 對(duì)于熱交換器的設(shè)計(jì)型問題，主要是確定能滿足工藝要求對(duì)于熱交換器的設(shè)計(jì)型問題，主要是確定能滿足工藝要求 的熱交換器的傳熱面積。的熱交換器的傳熱面積。 二二. 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 當(dāng)熱交換器的間壁較薄或是平板時(shí)，其總傳熱系數(shù)為：當(dāng)熱交換器的間壁較薄或是平板時(shí)，其總傳熱系數(shù)為： 式中：式中：K 熱交換器的總傳熱系數(shù)；熱交換器的總傳熱系數(shù)； a a1 熱流體的對(duì)流傳熱系數(shù)；熱流體的對(duì)流傳熱系數(shù)； R1 熱流體一側(cè)的污垢熱阻；熱流體一側(cè)的污垢熱阻； b 間壁的厚度；間壁的厚度； l l 間壁的導(dǎo)熱系數(shù)；間壁的導(dǎo)熱系數(shù)； R2 冷流體一側(cè)的污垢

4、熱阻；冷流體一側(cè)的污垢熱阻； a a2 冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。冷流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。 三三. 傳熱的平均溫度差傳熱的平均溫度差 D Dtm 1. 恒溫傳熱恒溫傳熱 如果熱流體一側(cè)為蒸汽冷凝傳熱，冷凝溫度恒定為如果熱流體一側(cè)為蒸汽冷凝傳熱，冷凝溫度恒定為 T ；而；而 冷流體一側(cè)為液體沸騰傳熱或大環(huán)境的冷源，溫度始終保持在冷流體一側(cè)為液體沸騰傳熱或大環(huán)境的冷源，溫度始終保持在 t ； 則：則： D Dtm = T t 。 2. 一側(cè)恒溫與一側(cè)變溫的傳熱一側(cè)恒溫與一側(cè)變溫的傳熱 若熱流體一側(cè)為蒸汽冷凝傳熱，冷凝溫度恒定為若熱流體一側(cè)為蒸汽冷凝傳熱，冷凝溫度恒定為 T ；而冷；而冷 流體一側(cè)為無相變

5、傳熱，冷流體溫度由流體一側(cè)為無相變傳熱，冷流體溫度由 t1 升至升至 t2 ；則：；則： 3. 3. 二側(cè)變溫傳熱二側(cè)變溫傳熱 若冷、熱流體均為無相變傳熱，則：若冷、熱流體均為無相變傳熱，則： a. 逆流操作逆流操作 D Dt1 = T1 t2 ；D Dt2 = T2 t1 。 b. 并流操作并流操作 D Dt1 = T1 t1 ； D Dt2 = T2 t2 。 四四. 熱交換器的設(shè)計(jì)熱交換器的設(shè)計(jì) 1. 根據(jù)工藝要求確定熱交換器的傳熱速率；根據(jù)工藝要求確定熱交換器的傳熱速率； 2. 確定冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)的定性溫度；確定冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)的定性溫度； 3. 查物性數(shù)據(jù)表得熱流體和冷流體的物

6、性參數(shù)；查物性數(shù)據(jù)表得熱流體和冷流體的物性參數(shù)； 4. 選擇合適的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算出冷、熱流體的對(duì)流傳選擇合適的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，計(jì)算出冷、熱流體的對(duì)流傳 熱系數(shù)；熱系數(shù)； 5. 確定熱交換器的間壁材料和厚度；確定熱交換器的間壁材料和厚度； 6. 計(jì)算出熱交換器的總傳熱系數(shù)和平均傳熱溫度差；計(jì)算出熱交換器的總傳熱系數(shù)和平均傳熱溫度差； 7. 由熱交換器的傳熱速率式計(jì)算出所需的傳熱面積；由熱交換器的傳熱速率式計(jì)算出所需的傳熱面積； 8. 確定熱交換器的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。確定熱交換器的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)。 例：熱交換器的傳熱面積計(jì)算例：熱交換器的傳熱面積計(jì)算 用每小時(shí)用每小時(shí) 41.5 m3 的冷卻水將某精餾

7、塔的上升物料蒸汽全的冷卻水將某精餾塔的上升物料蒸汽全 部冷凝下來。問熱交換器需要有多大的傳熱面積；若采用列管部冷凝下來。問熱交換器需要有多大的傳熱面積；若采用列管 式熱交換器，以長(zhǎng)式熱交換器，以長(zhǎng) 1.5 m 、F32 F32 3 3 mm 的鋼管作列管，則需的鋼管作列管，則需 多少根？多少根？ 已知：上升蒸汽已知：上升蒸汽 qm = 2815 Kg / h , 汽化潛熱汽化潛熱 g g = 540 KJ / Kg ； 上升蒸汽的溫度上升蒸汽的溫度 T = 348 K ，冷卻水進(jìn)口溫度，冷卻水進(jìn)口溫度 t1= 303 K; 蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)蒸汽的冷凝傳熱系數(shù) a a1 = 1300 W /

8、m2 .K ； 冷卻水的對(duì)流傳熱系數(shù)冷卻水的對(duì)流傳熱系數(shù) a a2 = 1000 W / m2 .K ； 比熱比熱 Cp = 4.2 KJ / Kg.K ； 密度密度 r r = 1000 Kg / m3 ； 鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)鋼管的導(dǎo)熱系數(shù) l l = 49 W / m.K 。 五五. 非穩(wěn)態(tài)傳熱過程非穩(wěn)態(tài)傳熱過程 圖示的夾套式反應(yīng)釜內(nèi)盛圖示的夾套式反應(yīng)釜內(nèi)盛 有有 m 公斤的反應(yīng)物料公斤的反應(yīng)物料 ?，F(xiàn)要求?，F(xiàn)要求 將反應(yīng)物由將反應(yīng)物由 t1 加熱至加熱至 t2 ；夾套；夾套 內(nèi)通溫度為內(nèi)通溫度為 T 的水蒸汽進(jìn)行加的水蒸汽進(jìn)行加 熱熱 。 若該夾套反應(yīng)釜的傳熱面若該夾套反應(yīng)釜的傳熱面 積為積

9、為 A ，總傳熱系數(shù)為，總傳熱系數(shù)為 K ，反，反 應(yīng)物料的平均比熱為應(yīng)物料的平均比熱為 Cp 。則。則 所需的加熱時(shí)間所需的加熱時(shí)間 t t 為：為： 第五節(jié)第五節(jié) 熱輻射熱輻射 一個(gè)物體只要其絕對(duì)溫度不為零度，就會(huì)不停地以電磁波一個(gè)物體只要其絕對(duì)溫度不為零度，就會(huì)不停地以電磁波 的形式向外界輻射能量。同時(shí)，又不斷地吸收來自外界其他物的形式向外界輻射能量。同時(shí)，又不斷地吸收來自外界其他物 體的輻射能。體的輻射能。 在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，熱輻射傳熱是非常普遍在我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，熱輻射傳熱是非常普遍 的，其應(yīng)用也非常廣泛。的，其應(yīng)用也非常廣泛。 一一. 熱輻射的基本概念熱輻射的

10、基本概念 熱輻射與光輻射就其物理本質(zhì)而言，兩者完全相同；都是熱輻射與光輻射就其物理本質(zhì)而言，兩者完全相同；都是 以電磁波形式傳播的輻射能，區(qū)別僅在于他們的波長(zhǎng)不同。所以電磁波形式傳播的輻射能，區(qū)別僅在于他們的波長(zhǎng)不同。所 以熱輻射也遵循光輻射的折射、反射定律。以熱輻射也遵循光輻射的折射、反射定律。 當(dāng)投射到物體上的輻射能為當(dāng)投射到物體上的輻射能為 Q ， 如果其中有一部分能量如果其中有一部分能量 Qa a 被物體吸被物體吸 收；一部分能量收；一部分能量 Qr r 被物體反射；一被物體反射；一 部分能量部分能量 Qt t 透過該物體。則根據(jù)能透過該物體。則根據(jù)能 量守恒定律，有：量守恒定律，有：

11、 Qa a + Qr r + Qt t = Q 令：令：Qa a / Q = a a ， 稱為吸收率稱為吸收率 ； Qr r / Q = r r ， 稱為反射率稱為反射率 ； Qt t / Q = t t ， 稱為透過率稱為透過率 。 則有：則有： a a + r r + t t = 1 對(duì)于：對(duì)于：a a = 1 的物體，稱為黑體；的物體，稱為黑體； r r = 1 的物體，稱為白體；的物體，稱為白體； t t = 1 的物體，稱為透熱體。的物體，稱為透熱體。 二二. 物體的輻射能力物體的輻射能力 在一定溫度下，物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積所發(fā)射的全在一定溫度下，物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積所發(fā)

12、射的全 波長(zhǎng)輻射能，稱為該物體的輻射能力，以波長(zhǎng)輻射能，稱為該物體的輻射能力，以 E 表示，即：表示，即： E = Q / A 式中：式中： E 輻射能力輻射能力 ， W / m2 ； Q 輻射能輻射能 ， W ； A 物體的表面積物體的表面積 ， m2 。 理論研究證明，對(duì)于吸收率為理論研究證明，對(duì)于吸收率為 1 的黑體，其輻射能力滿足的黑體，其輻射能力滿足 斯蒂芬斯蒂芬波爾茲曼定律：波爾茲曼定律： Eb = s s T4 式中：式中： Eb 黑體的輻射能力，黑體的輻射能力， W / m2 ； s s 斯蒂芬斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，s s=5.67 10-8 W/ m2.K4 ；

13、T 黑體表面的熱力學(xué)溫度黑體表面的熱力學(xué)溫度 ， K 。 實(shí)驗(yàn)證明：在同一溫度下，實(shí)際物體的輻射能力實(shí)驗(yàn)證明：在同一溫度下，實(shí)際物體的輻射能力 E 恒小于恒小于 黑體的輻射能力黑體的輻射能力 Eb 。為反映實(shí)際物體的輻射能力大小，而引入。為反映實(shí)際物體的輻射能力大小，而引入 一個(gè)黑度的概念。即：一個(gè)黑度的概念。即：e e = E / Eb 實(shí)際物體的黑度實(shí)際物體的黑度 e e ，恒小于，恒小于 1 。 物體的黑度不是顏色的概念，它是表明實(shí)際物體的輻射能力物體的黑度不是顏色的概念，它是表明實(shí)際物體的輻射能力 接近黑體輻射能力的一種程度。接近黑體輻射能力的一種程度。 三三. 克?；舴蚨煽讼；舴蚨?/p>

14、律 黑體對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能可以全部吸收；但實(shí)際物體的吸黑體對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能可以全部吸收；但實(shí)際物體的吸 收率與投入輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，這是由于物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射收率與投入輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，這是由于物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射 能選擇性吸收的結(jié)果。如果實(shí)際物體對(duì)不同波長(zhǎng)輻射能的吸收能選擇性吸收的結(jié)果。如果實(shí)際物體對(duì)不同波長(zhǎng)輻射能的吸收 程度相同，則物體對(duì)投入輻射的吸收率便不會(huì)與外界情況有關(guān)。程度相同，則物體對(duì)投入輻射的吸收率便不會(huì)與外界情況有關(guān)。 實(shí)際物體的吸收率實(shí)際物體的吸收率 a a 比其黑度比其黑度 e e 更為復(fù)雜。但如果不對(duì)更為復(fù)雜。但如果不對(duì) 實(shí)際物體的吸收率作出恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)，則熱輻射傳熱就無法

15、進(jìn)行實(shí)際物體的吸收率作出恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)，則熱輻射傳熱就無法進(jìn)行 計(jì)算。為此，人為地引入一個(gè)灰體的概念。計(jì)算。為此，人為地引入一個(gè)灰體的概念。 所謂灰體，就是對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能具有相同吸收率的理所謂灰體，就是對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能具有相同吸收率的理 想化物體。想化物體。 實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于波長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于波長(zhǎng)在 0.3820 m mm 范圍內(nèi)的輻射能，大范圍內(nèi)的輻射能，大 多數(shù)材料的吸收率隨波長(zhǎng)變化不大，而可視為灰體。多數(shù)材料的吸收率隨波長(zhǎng)變化不大，而可視為灰體。 對(duì)于灰體，根據(jù)克?；舴蚨煽傻茫簩?duì)于灰體，根據(jù)克?；舴蚨煽傻茫篴 a = e e 。 克?；舴蚨杀砻鳎阂粋€(gè)物體吸收熱輻射的能力愈大，其發(fā)

16、射克希霍夫定律表明：一個(gè)物體吸收熱輻射的能力愈大，其發(fā)射 熱輻射的能力也大。熱輻射的能力也大。 四四. 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱 從高溫物體從高溫物體 1 傳給低溫物體傳給低溫物體 2 的輻射傳熱速率的輻射傳熱速率 Q12 為：為： 式中：式中：C1-2 總輻射系數(shù)總輻射系數(shù) ， W / ( m2 . K4 ) ； f f 角系數(shù)角系數(shù) ； A 輻射傳熱面積輻射傳熱面積 ， m2 ； T1 、T2 分別為熱分別為熱 、冷物體表面的熱力學(xué)溫度，、冷物體表面的熱力學(xué)溫度， K 。 式中的各參數(shù)需視具體情況而定。式中的各參數(shù)需視具體情況而定。 例：用裸露的熱電偶測(cè)得爐膛煙氣溫度為例：用裸

17、露的熱電偶測(cè)得爐膛煙氣溫度為 T1 = 1065 K 。已知：。已知： 水冷壁的壁溫水冷壁的壁溫 TW = 873 K ，熱電偶的表面黑度，熱電偶的表面黑度 e e1 = 0.3 ，煙氣，煙氣 對(duì)熱電偶表面的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)熱電偶表面的對(duì)流傳熱系數(shù) a a = 57.7 W / m2.K 。試求爐膛煙。試求爐膛煙 氣的真實(shí)溫度氣的真實(shí)溫度 Tf 及熱電偶的測(cè)溫誤差。及熱電偶的測(cè)溫誤差。 若采用遮熱罩抽氣式熱電偶，熱電偶的指示溫度為多少？若采用遮熱罩抽氣式熱電偶，熱電偶的指示溫度為多少？ 已知：由于抽氣的原因，此時(shí)煙氣對(duì)熱電偶和遮熱罩的對(duì)流傳已知：由于抽氣的原因，此時(shí)煙氣對(duì)熱電偶和遮熱罩的對(duì)流傳

18、熱系數(shù)增至熱系數(shù)增至 a a = 116 W / m2.K ； 遮熱罩的表面黑度遮熱罩的表面黑度 e e2 =0.3 。 第六節(jié)第六節(jié) 熱交換器熱交換器 1夾套式熱交換器夾套式熱交換器 傳熱面積小，傳熱阻力大。一般只在反應(yīng)器和結(jié)晶器上使傳熱面積小，傳熱阻力大。一般只在反應(yīng)器和結(jié)晶器上使 用。用。 二二. 套管式熱交換器套管式熱交換器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，制造方便，傳熱面積易于增減。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耐高壓，制造方便，傳熱面積易于增減。 缺點(diǎn)：金屬消耗大、單位傳熱面積的占地也多。缺點(diǎn)：金屬消耗大、單位傳熱面積的占地也多。 三三. 盤管式熱交換器盤管式熱交換器 1. 沉浸式：一般作為夾套式熱交換器的補(bǔ)充，以及作為再沸器沉浸式：一般作為夾套式熱交換器的補(bǔ)充，以及作為再沸器 使用；使用； 2. 噴淋式：傳熱效果好，但對(duì)環(huán)境的污染較大。噴淋式：傳熱效果好，但對(duì)環(huán)境的污染較大。 四四. 列管式熱交換器列管式熱交換器 1. 單程：換熱面積大，清洗容易；在工業(yè)上被廣泛地應(yīng)用；單程：換熱面積大，清洗