復旦大學 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算兩流體間傳熱過程的計算 兩流體間的熱交換往往需通過間壁來進行；即采用熱交換器兩流體間的熱交換往往需通過間壁來進行；即采用熱交換器來實施。本節(jié)主要介紹熱交換器的設(shè)計問題。來實施。本節(jié)主要介紹熱交換器的設(shè)計問題。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 ； 則能夠滿足工藝要則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，冷流體的一般情

2、況下，冷流體的 t1 為確定值。因此，為確定值。因此，qm2 與與 t2 有一有一一對應(yīng)關(guān)系。但這一對應(yīng)關(guān)系還需要由熱交換器的換熱能力來一對應(yīng)關(guān)系。但這一對應(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。 對熱交換器而言，其傳熱速率為：對熱交換器而言，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 熱交換器的傳熱平均溫度

3、差，熱交換器的傳熱平均溫度差， K 。 對于熱交換器的設(shè)計型問題，主要是確定能滿足工藝要求對于熱交換器的設(shè)計型問題，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) 當熱交換器的間壁較薄或是平板時，其總傳熱系數(shù)為：當熱交換器的間壁較薄或是平板時，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 熱流體的對流傳熱系數(shù)；熱流體的對流傳熱系數(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 間壁的導熱系數(shù)；間壁的導熱系數(shù)； R2 冷流體一側(cè)的污垢熱阻；冷流體一側(cè)的污垢熱阻

4、； a a2 冷流體的對流傳熱系數(shù)。冷流體的對流傳熱系數(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，溫度始終保持在在 t ； 則：則： D Dtm = T t 。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

5、 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：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. 熱交換器的設(shè)計熱交換器的設(shè)計根據(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；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；查物性數(shù)據(jù)表得熱流體和冷流體的物性參數(shù)；查物性數(shù)據(jù)表得熱流體和冷流體的物性參數(shù)；選擇合適的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，計算出冷、熱流體的對流傳選

6、擇合適的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，計算出冷、熱流體的對流傳熱系數(shù)；熱系數(shù)；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；計算出熱交換器的總傳熱系數(shù)和平均傳熱溫度差；計算出熱交換器的總傳熱系數(shù)和平均傳熱溫度差；由熱交換器的傳熱速率式計算出所需的傳熱面積；由熱交換器的傳熱速率式計算出所需的傳熱面積；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算例：熱交換器的傳熱面積計算 用每小時用每小時 41.5 m3 的冷卻水將某精餾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

7、傳熱面積；若采用列管式熱交換器，以長式熱交換器，以長 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 ，冷卻水進口溫度，冷卻水進口溫度 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 / m2 .K ； 冷卻水的對流傳熱系數(shù)冷卻水的對流傳熱系數(shù) a a2 = 1000 W / m2 .K ； 比熱比熱 Cp = 4.2 KJ / Kg

8、.K ； 密度密度 r r = 1000 Kg / m3 ； 鋼管的導熱系數(shù)鋼管的導熱系數(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 。現(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 的水蒸汽進行加的水蒸汽進行加熱熱 。 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。則所需的加熱時間所需的加熱時間 t t 為：為： 第五節(jié)第五

9、節(jié) 熱輻射熱輻射 一個物體只要其絕對溫度不為零度，就會不停地以電磁波一個物體只要其絕對溫度不為零度，就會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量。同時，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，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不同。所以電磁波

10、形式傳播的輻射能，區(qū)別僅在于他們的波長不同。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。 當投射到物體上的輻射能為當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： 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

11、/ Q = t t ， 稱為透過率稱為透過率 。則有：則有： a a + r r + t t = 1對于：對于：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，物體在單位時間內(nèi)由單位面積所發(fā)射的全波長輻射能，稱為該物體的輻射能力，以波長輻射能，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

12、輻射能 ， W ； A 物體的表面積物體的表面積 ， m2 。 理論研究證明，對于吸收率為理論研究證明，對于吸收率為 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 ； T 黑體表面的熱力學溫度黑體表面的熱力學溫度 ， K 。 實驗證明：在同一溫度下，實際物體的輻射能力實驗證明：在同一溫度下，實際物體的輻射能力 E 恒小于恒小于黑體的輻射能力黑體的輻射能力 Eb 。

13、為反映實際物體的輻射能力大小，而引入。為反映實際物體的輻射能力大小，而引入一個黑度的概念。即：一個黑度的概念。即：e e = E / Eb 實際物體的黑度實際物體的黑度 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?黑體對各種波長的輻射能可以全部吸收；但實際物體的吸黑體對各種波長的輻射能可以全部吸收；但實際物體的吸收率與投入輻射的波長有關(guān)，這是由于物體對不同波長的輻射收率與投入輻射的波長有關(guān)，這是由于物體對不同波長

14、的輻射能選擇性吸收的結(jié)果。如果實際物體對不同波長輻射能的吸收能選擇性吸收的結(jié)果。如果實際物體對不同波長輻射能的吸收程度相同，則物體對投入輻射的吸收率便不會與外界情況有關(guān)。程度相同，則物體對投入輻射的吸收率便不會與外界情況有關(guān)。 實際物體的吸收率實際物體的吸收率 a a 比其黑度比其黑度 e e 更為復雜。但如果不對更為復雜。但如果不對實際物體的吸收率作出恰當?shù)墓烙嫞瑒t熱輻射傳熱就無法進行實際物體的吸收率作出恰當?shù)墓烙?，則熱輻射傳熱就無法進行計算。為此，人為地引入一個灰體的概念。計算。為此，人為地引入一個灰體的概念。 所謂灰體，就是對各種波長的輻射能具有相同吸收率的理所謂灰體，就是對各種波長的輻

15、射能具有相同吸收率的理想化物體。想化物體。 實驗表明，對于波長在實驗表明，對于波長在 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變化不大，而可視為灰體。多數(shù)材料的吸收率隨波長變化不大，而可視為灰體。 對于灰體，根據(jù)克?；舴蚨煽傻茫簩τ诨殷w，根據(jù)克希霍夫定律可得：a a = e e ?？讼；舴蚨杀砻鳎阂粋€物體吸收熱輻射的能力愈大，其發(fā)射克希霍夫定律表明：一個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

16、 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溫度，、冷物體表面的熱力學溫度， 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：用裸露的熱電偶測得爐膛煙氣溫度為例：用裸露的熱電偶測得爐膛煙氣溫度為 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，煙氣對熱電偶表面的對流傳熱系數(shù)對熱電偶表面的

17、對流傳熱系數(shù) a a = 57.7 W / m2.K 。試求爐膛煙。試求爐膛煙氣的真實溫度氣的真實溫度 Tf 及熱電偶的測溫誤差。及熱電偶的測溫誤差。 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，此時煙氣對熱電偶和遮熱罩的對流傳已知：由于抽氣的原因，此時煙氣對熱電偶和遮熱罩的對流傳熱系數(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：結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，制造方便，傳熱面積易于增減。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能耐高壓，制造方便，傳熱面積易于增減。缺點：金屬消耗大、單位傳熱面積的占地也多。缺點：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沉浸式：一般作為夾套式熱交換器的補充，以及作為再沸器沉浸式：一般作為夾套式熱交換器的補充，以及作為再沸器使用；使用；噴淋式：傳熱效果好，但對環(huán)境的污染較大。噴淋式：傳熱效果好，但對環(huán)境的污染較大。四四. 列管式熱交換器列管式熱交換器單程：換熱面積大，清洗容易；在工