化工原理傳熱學

化工原理傳熱學第1頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三第五章傳熱學.學習要求（1）.本章學習目的

通過本章學習，重點掌握傳熱學基本原理，并運用這些原理和規(guī)律去分析和解決冶金和化工生產中傳熱過程的有關問題：熱傳導基本原理，掌握傅立葉定律及平壁、圓筒壁的熱傳導計算；對流傳熱的基本原理、牛頓冷卻定律及影響對流傳熱的因素；掌握對流傳熱系數(shù)的物理意義和經驗關聯(lián)式的用法、使用條件；輻射傳熱的基本概念及基本定律；熟練掌握傳熱過程的計算，傳熱基本方程式、熱流量、平均傳熱溫度差、總傳熱系數(shù)的計算；了解強化傳熱過程的途徑；填料床層的傳熱過程分析與計算此外，工業(yè)生產中常用的換熱器類型、結構、特點；掌握列管式換熱器的設計、選型。第2頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三

（2）

本章應掌握的內容三種傳熱方式的基本概念與基本方程式的應用；單壁、多層壁熱傳導計算；牛頓定律、常用準數(shù)及對流傳熱系數(shù)關聯(lián)式應用；熱輻射斯蒂芬玻爾茲曼定律、兩固體間的相互輻射；填料床層內熱流量計算與熱平衡分析。第3頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.1概述氧化鋁管道化溶出aluminatubedigestion熔鹽加熱系統(tǒng)是管道化溶出的關鍵工序，管道化溶出工藝中，氧化鋁礦漿加熱過程全部在多套管中完成。

（1）傳熱在工業(yè)中的應用第4頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三回轉窯：有氣體流動、燃料燃燒、熱量傳遞和物料運動等過程所組成的?；剞D窯回轉窯使燃料能充分燃燒，燃料燃燒的熱量能有效的傳給物料，物料接受熱量后發(fā)生一系列的物理化學變化，最后形成成品熟料。第5頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三熱的傳遞是由于物體內部或物體之間的溫度不同而引起的。根據熱力學第二定律，熱量總是自動地從溫度較高的物體傳給溫度較的物體；

一是強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱。二是削弱傳熱過程，如對設備或管道的保溫，以減少熱損失?；どa中對傳熱過程的要求傳熱的推動力溫度差傳熱的方向高溫向低溫（2）傳熱的三種基本方式第6頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三熱傳導（又稱導熱）若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(又稱導熱)。相互接觸的物質之間靜止的物質內部層流流動的物質內部發(fā)生在第7頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三熱傳導的機理在金屬固體中，熱傳導起因于自由電子的運動；在不良導體的固體中和大部分液體中，熱傳導是通過晶格結構的振動，即原子、分子在平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的；在氣體中，熱傳導則是由于分子不規(guī)則運動而引起的。第8頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三流體各部分質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，稱為熱對流(簡稱對流)。熱對流僅發(fā)生在流體中。工業(yè)生產中經常遇到的是流體流過固體表面時，熱能由流體傳到固體壁面，或者由固體壁面?zhèn)魅胫車黧w，這一過程稱為對流給熱，簡稱給熱依據流體中產生對流的原因，又可將對流分為：熱對流（對流）自然對流：當流體內存在溫度不均勻分布而形成密度的差異，也會發(fā)生對流而傳熱強制對流：用機械能使流體發(fā)生對流而傳熱，例如攪拌第9頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三熱輻射因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。熱輻射的特點是：①不需要任何介質，可以在真空中傳播；②不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉移；③任何物體只要在熱力學溫度零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。實際上，上述三種傳熱方式，很少單獨存在，而往往是三者不同主次的組合第10頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三q，單位時間內通過單位傳熱面積傳遞的熱量，J/(s,m2)，W/m2。Q，單位時間內通過傳熱面積傳遞的熱量，J/s，W。熱流量熱通量（或熱流密度）傳熱速率=傳熱推動力(溫度差)/傳熱熱阻（3）傳熱速率與熱阻(1)第11頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（4）穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱物理量不隨時間而變物理量隨時間變化穩(wěn)態(tài)傳熱非穩(wěn)態(tài)傳熱溫度隨時間而改變的溫度場稱為不穩(wěn)定溫度場；若各點的溫度均不隨時間而改變，則稱為穩(wěn)定溫度場第12頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三

5.2.1

傅里葉定律

5.2.2熱導率

5.2.3

平壁的穩(wěn)定熱傳導

5.2.4

圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導5.2熱傳導第13頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三溫度的分布狀況。沿等溫面法線方向的溫度的變化率。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正，與熱量傳遞的方向相反。Q?t/?nΔntt+Δt溫度場溫度梯度等溫面和等溫線5.2.1傅里葉定律(2)第14頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三傅里葉（Fourier）定律傅立葉定律表明導熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，而熱流方向卻與溫度梯度方向相反。Q?t/?nΔntt+Δt導熱通量q與溫度梯度成正比；λ：比例系數(shù)，稱為熱導率，W?m-1?K-1(3)第15頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.2.2導熱系數(shù)②是物質的固有性質，是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)。①在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，故物質的越大，導熱性能越好。③與物質的種類、熱力學狀態(tài)（T、P）有關。金屬固體

>非金屬固體

>液體

>氣體

T

，氣體，水，其它液體的

。第16頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.2.3平壁的熱傳導假設：①導熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；②一維穩(wěn)態(tài)；③忽略熱損失。單層平壁熱傳導對平壁一維穩(wěn)態(tài)熱傳導積分并整理得（1）單層平壁的熱傳導q=-給定邊界條件：x=0時，t=t1;x=b時，t=t2；q=無限平壁，通過導熱面各局部面積熱通量相等q==Q=R-單層平壁導熱熱阻R=b/λA(4)(5.2-4)第17頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（2）

多層平壁的熱傳導三層平壁熱傳導假設：①導熱系數(shù)不隨溫度變化，或可取平均值；②一維穩(wěn)態(tài)；③忽略熱損失；④沒有接觸熱阻。顯然，通過每一層的Q=常數(shù)，或q

=常數(shù)單層平壁公式(5)第18頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三而由一維穩(wěn)態(tài)條件，得推廣至n層平壁，多層平壁的熱傳導速率方程式溫差與熱阻的關系：各層的溫差與熱阻成正比，溫差越大，熱阻越大。AAAAAA(6)(7)(8)第19頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.2.4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導假設：一維穩(wěn)態(tài)溫度場。Q為常數(shù)，但傳熱面積A

和熱通量q

均隨半徑而變。且假定為常數(shù)則將一維穩(wěn)態(tài)條件用于傅立葉定律：沿r方向定積分，得（1）單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導溫差（t1-t2）-推動力；-熱阻；單層圓筒壁的熱傳導(9)第20頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三可寫成與單層平壁熱傳導速率方程相類似的形式其中:b-圓通壁的厚度，b=r2-r1;圓筒壁的對數(shù)平均半徑注：當r2/r1<2時，可用算術平均值代替對數(shù)平均值。-平均面積(10)第21頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（2）

多層圓筒壁的熱傳導假設層與層之間接觸良好，即互相接觸的兩表面溫度相同。多層圓筒壁熱傳導各層熱導率分別為λ1、

λ2、

λ3，厚度為b1、b2、

b3；推廣至n層圓筒壁，多層圓筒壁的熱傳導速率方程式i(11)(12)第22頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.3兩流體間的熱量傳遞

5.3.1兩流體通過間壁傳熱的分析

5.3.2傳熱速率和傳熱系數(shù)

5.3.3

傳熱溫差和熱量衡算5.3.4復雜流向時的平均溫差

第23頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三

對流傳熱是指流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動狀況密切相關。實質上對流傳熱是流體的對流與熱傳導共同作用的結果。當流體被加熱或冷去時，一般用另一種流體來供給或取走熱量。這另一種流體稱為載熱體；大多數(shù)情況下不允許傳熱的兩種流體相互混合，因而需要用間壁將它們隔開，這種傳熱設備稱為熱交換器（簡稱換熱器）套管換熱器示意（逆流）1．加熱劑：提供熱量的載熱體。熱水、飽和蒸汽、礦物油、聯(lián)苯、熔鹽、煙氣等；2．冷卻劑：取走熱量的載熱體。冷水、空氣、鹽水、液氨。或氟里昂、液氮。5.3.1

兩流體通過間壁傳熱的分析第24頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三流體作湍流流動時，靠近壁面處流體流動分別為層流底層、過渡層（緩沖層）、湍流核心。層流底層：流體質點只沿流動方向上作一維運動，在傳熱方向上無質點的混合，溫度變化大，傳熱主要以熱傳導的方式進行。導熱為主，熱阻大，溫差大。湍流核心：在遠離壁面的湍流中心，流體質點充分混合，溫度趨于一致（熱阻小），傳熱主要以對流方式進行。質點相互混合交換熱量，溫差小。過渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導和對流兩種方式共同進行。質點混合，分子運動共同作用,溫度變化平緩。第25頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三靠近壁面的存在溫度梯度的薄流體層定義為熱邊界層。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。熱邊界層根據在熱傳導中的分析，溫差大熱阻就大。所以，流體作湍流流動時，熱阻主要集中在層流底層中。如果要加強傳熱，必須采取措施來減少層流底層的厚度。o第26頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三若緊靠壁面處薄層流體內的傳熱只能是熱傳導，則傳熱速率可用傅里葉定律表示，即緊靠壁面處薄層流體的溫度梯度熱邊界層根據牛頓冷卻定律，流體和壁面間的對流傳熱速率方程為換熱器任一截面上與熱流體相接觸一側的壁溫換熱器任一截面上熱流體的平均溫度AAA(13)第27頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三對流傳熱一個非常復雜的物理過程，牛頓冷卻定律只是給出了計算傳熱速率簡單的數(shù)學表達式，并未簡化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都歸結到了當中──復雜問題簡單化表示。牛頓定律當流體流過固體壁面時，通過流體且與壁面垂直的對流熱流密度與壁面溫度和流體溫度的差成正比，即或對熱流體熱流量與熱通量關系：dQ=qdAA第28頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（1）對流傳熱系數(shù)物理意義：表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率，W/(m2·℃)；反映對流傳熱的快慢，越大，對流傳熱越快；不是流體本身的物理性質，與流體的流動狀態(tài)、有無相變、流體物性、壁面情況、流體流動的原因等有關。5.3.2傳熱速率和傳熱系數(shù)A(14)第29頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三空氣中水中總之：油類中第30頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程:①熱流體在流動過程中將熱量傳給管壁的對流傳熱；②通過管壁的熱傳導；③管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱。（2）總傳熱系數(shù)熱流體冷流體twtTwT第31頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三對穩(wěn)態(tài)傳熱過程，各串聯(lián)環(huán)節(jié)的傳熱速率必然相等，即或移項后相加，得傳熱的總溫差熱通量的總熱阻令即(15)(16)(17)第32頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三K稱為傳熱系數(shù)，單位為W?m-2?K-1物理意義：考慮了從熱流體通過間壁到冷流體的整個傳熱過程。由于兩流體溫度沿壁面的變化，使得總溫差也發(fā)生變化；對于熱流量上式可改寫成微分式(18)第33頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三1)逆流和并流時的平均溫度差逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。5.3.3

傳熱溫差和熱量衡算確定所需傳熱面積；或核算已有換熱器的傳熱面積能否滿足傳熱需要，為此需對傳熱速率的微分式進行積分；兩側流體均無相變時的溫度變化(a)逆流(b)并流第34頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三以逆流為例，熱冷流體溫度T、t隨距離x或傳熱面積A增大而降低，通過微元面積dA傳熱后，兩流體的微分溫度變化dT、dt都為負值。

熱流體傳出的熱流量與冷流體獲得的熱流量相等cp1,cp2熱、冷流體的定壓比熱容，kJ?kg-1?K-1，可取定性溫度下的數(shù)值作為常數(shù)mp1,mp2熱、冷流體的質量流量，kg?s-1，穩(wěn)定情況下取常數(shù)（T-t）微分式令(19)(20)第35頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三在A=0熱流體入口處，截面Ⅰ，積分，至A=A，熱流體出口處，截面Ⅱ而，即換熱器進、出口處的對數(shù)平均溫差，當Δt1、Δt2<2，可用算術平均值代替熱量平衡式總傳熱速率方程式(21)第36頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.3.4復雜流向時的平均溫差12錯流簡單折流就傳熱平均溫差來說，逆流比并流優(yōu)越。并流較易控制，但一般應盡可能采用逆流操作。但在換熱器設計中，除溫差的大小以外，還要考慮到影響傳熱系數(shù)的多種因素以及換熱器結構等方面的問題，所以實際上單純的逆流或并流并不多見，而是采用比較復雜的流向。平均溫差Δtm的計算遠比單純并流或逆流時復雜第37頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.4給熱系數(shù)

5.4.1 給熱系數(shù)的影響因素和數(shù)值范圍

5.4.2 給熱系數(shù)與量綱分析

5.4.3

流體做強制對流時的給熱系數(shù)5.4.4 流體做自然對流時的給熱系數(shù)

第38頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三對流傳熱分類

:(從大類→小類→具體情況)對流傳熱有相變傳熱無相變傳熱冷凝傳熱沸騰傳熱自然對流強制對流管外對流…管內對流圓形直管非圓管道…彎管…湍流過渡流滯流(層流)對流給熱系數(shù)的因素非常多，工程上采用因次分析和實驗的方法確定不同影響因素之間的具體關系，所有這些關系式統(tǒng)稱為對流給熱系數(shù)的經驗關聯(lián)式。5.4.1

給熱系數(shù)的影響因素和數(shù)值范圍第39頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三1.引起流動的原因自然對流：由于流體內部存在溫差引起密度差形成的浮升力，造成流體內部質點的上升和下降運動，一般u較小，也較小。強制對流：在外力作用下引起的流動運動，一般u較大，故較大。2.流體的物性當流體種類確定后，根據溫度、壓力（氣體）查對應的物性，影響較大的物性有：，，，cp。的影響：；的影響：Re；cp的影響：cpcp單位體積流體的熱容量大，則較大；的影響:

Re

3.流動型態(tài)層流：熱流主要依靠熱傳導的方式傳熱。由于流體的導熱系數(shù)比金屬的導熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。湍流：質點充分混合且層流底層變薄，較大。；但Re動力消耗大。第40頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三給熱系數(shù)主要取決于傳熱設備的定型尺寸l、流體的流速u，黏度、熱導率

、定壓比熱容cp、密度。f(u，l，，，cp，，)＝07個物理量涉及四個基本量綱：長度L，時間T，質量M，溫度由定理，無量綱特征數(shù)的數(shù)目等于變量數(shù)n與基本量綱數(shù)m之差，即n-m=3.令三個無量綱特征數(shù)為12

3，即1、2

3用量綱分析法得出5.4.2給熱系數(shù)與量綱分析第41頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三努塞爾數(shù)(Nusseltnumber)待定特征數(shù)，包含待定的給熱系數(shù)；反映與傳熱有關的流體物性。一般，氣體的Pr<1，液體的Pr>11）2）普朗特數(shù)(Prandtlnumber)無因次數(shù)群3）雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)反映流體的流動形態(tài)和湍動程度；第42頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三4）格拉曉夫數(shù)(Glashofnumber)反映由于溫差而引起的自然對流的強度，相當于強制湍流的雷諾數(shù)。自然對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關聯(lián)式準數(shù)關聯(lián)式強制對流（無相變）傳熱時的準數(shù)關聯(lián)式具體關聯(lián)式由實驗確定，使用關聯(lián)式時應注意；①定性溫度。各準數(shù)中的流體物性應按什么溫度查取。②特性尺寸。Nu、Re等準數(shù)中的l應如何確定。(22)(23)第43頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（1）流體在管內的強制對流使用范圍：Re>10000，Pr=0.6-160，<2×10-5Pa.s，l/d>50注意事項：（1）定性溫度取流體進出溫度的算術平均值tm；（2）特征尺寸為管內徑di；（3）流體被加熱時，n＝0.4，流體被冷卻時，n＝0.3；n取不同值主要是溫度對近壁層流底層中流體粘度的影響。當管內流體被加熱時，靠近管壁處層流底層的溫度高于流體主體溫度；而流體被冷卻時，情況正好相反。

對于空氣或其他對稱雙原子氣體，Pr≈0.7，可簡化為5.4.3

流體做強制對流時的給熱系數(shù)圓形直管強制湍流(24)(25)(26)第44頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三圓形直管內的強制層流特點：1）物性特別是粘度受管內溫度不均勻性的影響，導致速度分布受熱流方向影響。2）層流的對流傳熱系數(shù)受自然對流影響嚴重使得對流傳熱系數(shù)提高。3）層流要求的進口段長度長，實際進口段小時，對流傳熱系數(shù)提高。Gr<25000時，自然對流影響可忽略適用范圍：Re<2300，6700＞Pr＞0.6，定性溫度流體進出口的算術平均值；特征尺寸取為管內徑；w按壁溫確定，工程上可近似處理為：對于液體，加熱時：冷卻時：＞10(27)第45頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（2）流體在管外強制對流A流體在單根圓管外以垂直于該管的方向流過時，其前后半周的情況不相同正對流體流動方向的A點稱為駐點；φΦ=0處，速度為零，壓力最大，隨著φ增大，層流邊界層逐漸增厚，直到圓柱后半周邊界層發(fā)生脫離形成漩渦，這種流動特點使得不同的φ處，具有不同的局部給熱系數(shù)第46頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三直列錯列換熱管的排列適用范圍：5000<Re<70000，x1/d=1.2～5，x2/d=1.2～5。（1）特性尺寸取管外徑d0；（2）流速u取每列管子中最窄流道處的流速，即最大流速。（3）C1，C2

，n取決于排列方式和管排數(shù)，由實驗測定，Nu=C1C2RenPr0.4流體在管束外橫過流體時的給熱系數(shù)(28)第47頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.4.4 流體做自然對流時的給熱系數(shù)大空間（指邊界層不受干擾）自然對流傳熱是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在大空間內，并且四周沒有其它阻礙自然對流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱對流傳熱系數(shù)僅與反映自然對流的Gr和反映物性的Pr有關，依經驗式計算：Nu＝C（GrPr）n（1）特性尺寸對水平管取外徑d0，垂直管或板取管長和板高H。（2）定性溫度取膜溫（tm+tw）/2。（3）C,n=f（傳熱面的形狀和位置,Gr,Pr），具體數(shù)值列在書表中。(29)第48頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.5輻射傳熱5.5.1基本概念5.5.2物體的輻射能力和有關的定律5.5.3克希霍夫定律5.5.4兩固體間的相互輻射第49頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三輻射輻射能熱輻射熱射線物體以電磁波方式傳遞能量的過程。物體以電磁波方式傳遞的能量。因熱的原因引起的電磁波輻射。但具有實際意義的波長為0.4~20m。可見光：0.4~0.8m很高溫度下才有明顯作用紅外線：0.8~20m在熱輻射中起決定作用從理論上講，熱輻射的波長范圍為0~;5.5.1基本概念第50頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三QQRQAQD吸收率反射率透過率當物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收(QA),一部分被反射

(QR),一部分透過物體(QD)。輻射能的吸收、反射和透過(30)(31)第51頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三

A=1,R=D=0。例如沒有光澤的黑墨表面，其吸收率A=0.96~0.98。

R=1,A=D=0。例如表面拋光的銅，其反射率R=0.97。

D=1,A=R=0。例如對稱雙原子氣體O2、N2、H2等都是透熱體。黑體是一種理想化的物理，實際物體只能或多或少接近于黑體，但沒有絕對的黑體。引入黑體的概念是理論研究的需要。黑體（絕對黑體）鏡體（絕對白體）透熱體第52頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三固體和液體：D＝0，A＋R＝1

氣體：R＝0，A＋D=1一般來說，能夠以相等的吸收率吸收所有波長輻射能的物體。工業(yè)上常見的固體材料均可視為灰體。

灰體是理想物體，實際物體的吸收率與波長有關，但對工業(yè)上常見固體材料，吸收率隨波長變化不大，可視為灰體；灰體的吸收率A

與波長無關；灰體為不透熱體（A+R=1）?；殷w第53頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三在一定溫度下，單位時間、單位表面積內所發(fā)射的全部輻射能(從波長λ=0到λ=∞)，稱為該物體在該溫度下的發(fā)射能力，用E表示，單位W/m2。斯蒂芬-玻爾茲曼定律：黑體的發(fā)射能力E0由絕對黑體的單色發(fā)射能力Eλ0關于λ從0～∞黑體的輻射能力與熱力學溫度的四次方成正比積分C1、C2常數(shù)5.5.2物體的輻射能力和有關的定律(32)(33)—黑體的發(fā)射常數(shù)或斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)—黑體的發(fā)射系數(shù)第54頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三黑度e屬物性，與材料性質和溫度、壓力、濃度等有關，一般：粗糙程度對黑度影響很大，選用時應予標注；非金屬材料的黑度值很高，一般在0.85~0.95之間物體的黑度表示為實際物體的輻射能力與黑體的輻射能力之比；由于實際物體的輻射能力小于同溫度下黑體的輻射能力，黑度表示實際物體接近黑體的程度，<1。

在同一溫度下，實際物體的輻射能力恒小于同溫度下黑體的輻射能力。不同物體的輻射能力也有較大的差別。引入物體的黑度：(34)第55頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三確定物體的發(fā)射能力E與其吸收率A之間的關系克?；舴蚨傻耐茖善叫星冶诿娲蠖嚯x很近，一個壁面發(fā)射出來的能量可認為全部投射于另一壁面上，稱為兩無限大平行平壁E1、A1壁1發(fā)射能力和吸收率E2、A2壁2發(fā)射能力和吸收率以單位時間、單位壁面積為討論依據壁1發(fā)射能量E1投射于壁2表面被全部吸收壁2發(fā)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，發(fā)射回，被壁2完全吸收E0A1E0E05.5.3克?；舴蚨傻?6頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三可由物體的黑度知吸收率；善于輻射者必善于吸收；兩者物理含義不同：A表示由其他物體發(fā)射來的輻射能被吸收的分數(shù)；ε表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數(shù)若壁1、2溫度相等，即兩壁面間的輻射換熱達到平衡時，壁1所發(fā)射和吸收的能量必相等，即熱平衡時，對任何壁面克希霍夫定律(35)第57頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三工業(yè)上常遇到兩固體間的相互輻射傳熱，一般可視為灰體間的熱輻射。

兩灰體間由于熱輻射而進行熱交換時，從一個物體發(fā)射出來的能量只能部分到達另一物體，而到達另一物體的這部分能量由于還要反射出一部分能量，從而不能被另一物體全部吸收。同理，從另一物體反射回來的能量，也只有一部分回到原物體，而反射回的這部分能量又部分的反射和部分的吸收，這種過程被反復進行，直到繼續(xù)被吸收和反射的能量變?yōu)槲⒉蛔愕馈?/p>

平行灰體間的輻射過程5.5.4兩固體間的相互輻射第58頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三兩固體之間的輻射傳熱可用下式表示：

式中 Q1-2——高溫物體1向低溫物體2傳遞的熱量，W；

C1-2——總輻射系數(shù)，W/(m2.K4)；1-2——幾何因子或角系數(shù)(總能量被攔截分率)；

A——輻射面積，m2；

T1——高溫物體的溫度，K；

T2——低溫物體的溫度，K。其中總輻射系數(shù)C1-2和角系數(shù)1-2的數(shù)值與物體黑度、形狀、大小、距離及相互位置有關，(36)第59頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（1）兩平行物面之間的輻射，一般又可分為極大的兩平行面的輻射和面積有限的兩相等平行面間的輻射兩種情況。（2）一物體被另一物體包圍時的輻射，一般可分為很大物體2包住物體1和物體2恰好包住物體1兩種情況。一物體被另一物體所包圍時的輻射1A1被包圍物體的輻射面積；第60頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三序號輻射情況面積A角系數(shù)j總輻射系數(shù)C1-21面積極大相距很近的兩平行面A1或A212面積有限且大小相等的兩平行面A1＜13很大的物體2包住物體1A114物體2恰好包住物體1，S1=S2A115界于3、4兩種情況之間A11角系數(shù)與總發(fā)射系數(shù)計算式第61頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6傳熱設備5.6.1 換熱器的分類5.6.2 夾套式換熱器5.6.3 蛇管式換熱器5.6.4 套管式換熱器5.6.5 列管式換熱器第62頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6.1 換熱器的分類傳熱設備簡稱換熱器應用領域：化工、石油、動力、輕工等工業(yè)部門按用途：加熱器、冷卻器、冷凝器和蒸發(fā)器等換熱器按傳熱特征直接接觸式：冷熱兩流體通過直接混合而實現(xiàn)熱量交換 例如：氣體的冷卻或水蒸氣的冷凝蓄熱式：蓄熱式換熱器簡稱蓄熱器，由熱容量較大的蓄 熱室構成，室中可充填耐火磚或金屬帶等作為填料。間壁式：冷、熱兩種流體之間用一金屬壁（或石墨等耐腐蝕且導熱性能較好的非金屬壁）隔開；兩種流體在不相混合的情況下進行熱量傳遞直接接觸式換熱器第63頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三蓄熱式換熱和蓄熱器熱、冷兩種流體交替地通過同一蓄熱室時，即可通過填料將來自熱流體的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的連續(xù)操作：至少需要兩個蓄熱器交替使用蓄熱式換熱器第64頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三蓄熱式高溫空氣燃燒示意圖常溫空氣→進蓄熱式燃燒器1→被加熱的高溫熱空氣→爐膛→稀薄貧氧高溫氣流與燃料燃燒；爐膛內燃燒后的熱煙氣→蓄熱式燃燒器2（將顯熱儲存在蓄熱式燃燒器A內的蓄熱體→低溫煙氣排出。兩個蓄熱式燃燒器處于蓄熱與放熱狀態(tài)交替工作，常用換向周期30－180s。

陶瓷小球或蜂窩體第65頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三間壁式換熱和間壁式換熱器間壁兩側流體間傳熱對流傳熱導熱對流傳熱一、夾套換熱器;二、蛇管換熱器三、套管式換熱器四、列管式換熱器（管殼式換熱器）第66頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三 沉浸式蛇管式管式噴淋式套管式列管（管殼）式間壁式夾套式板式板式螺旋板式翅片管式翅片式板翅式混合式（直接接觸式）

蓄熱式

第67頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6.2 夾套式換熱器夾套式換熱器夾套反應器反應器反應器蒸汽入口或冷卻水出口第68頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三結構：夾套裝在容器外部，在夾套和容器壁之間形成密閉空間，成為一種流體的通道。優(yōu)點：結構簡單，加工方便。缺點：傳熱面積A小，傳熱效率低。用途：廣泛用于反應器的加熱和冷卻。為了提高傳熱效果，可在釜內加攪拌器或蛇管和外循環(huán)。第69頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6.3 蛇管式換熱器沉浸式蛇管換熱器沉浸式蛇管式換熱器噴淋式蛇管式換熱器使其沉浸在容器中所充滿的液體內常用于冷卻（冷凝）管內的流體。被冷卻的水在管內流動，冷卻水由管上方的水槽經分布裝置均勻淋下水池結構：蛇管一般由金屬管子彎繞而制成，適應容器所需要的形狀，沉浸在容器內，冷熱流體在管內外進行換熱。優(yōu)點：結構簡單，便于防腐，能承受高壓。缺點：傳熱面積不大，蛇管外對流傳熱系數(shù)小，為了強化傳熱，容器內加攪拌。第70頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三水直管水槽噴淋式蛇管換熱器齒形檐板第71頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三結構：冷卻水從最上面的管子的噴淋裝置中淋下來，沿管表面流下來，被冷卻的流體從最上面的管子流入，從最下面的管子流出，與外面的冷卻水進行換熱。在下流過程中，冷卻水可收集再進行重新分配。優(yōu)點：結構簡單、造價便宜，能耐高壓，便于檢修、清洗，傳熱效果好。缺點：冷卻水噴淋不易均勻而影響傳熱效果，只能安裝在室外。用途：用于冷卻或冷凝管內液體。第72頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三蛇管材質：鋼、銅或其他有色金屬、陶瓷等蛇管的形狀第73頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6.4 套管式換熱器1-內管；2-外管；3-回轉頭套管式換熱器將兩種直徑大小不同的直管裝成同心套管，每一段套管稱為一程，每程的內管與下一城的內管順序地用回彎管相連接，而外管與外管相連，即成為套管式換熱器。第74頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三結構：由不同直徑組成的同心套管，可根據換熱要求，將幾段套管用U形管連接，目的增加傳熱面積；冷熱流體可以逆流或并流。優(yōu)點：結構簡單，加工方便，能耐高壓，傳熱系數(shù)較大，能保持完全逆流使平均對數(shù)溫差最大，可增減管段數(shù)量應用方便。缺點：結構不緊湊，金屬消耗量大，接頭多而易漏，占地較大。用途：廣泛用于超高壓生產過程，可用于流量不大，所需傳熱面積不多的場合。第75頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.6.5 列管式換熱器列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，最典型的間壁式換熱器，主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。尤其大型裝置和高溫、高壓中得到普遍采用傳熱效果好、結構緊湊、堅固、且能選用多種材質管殼式換熱器第76頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三在殼體內裝有管束，管束兩端固定在管板上。管殼式換熱器結構第77頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三殼體折流檔板有折流擋板的雙管程列管式換熱器第78頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三列管式換熱器必須從結構上考慮熱膨脹的影響，采取各種補償?shù)霓k法，消除或減小熱應力。根據所采取的溫差補償措施，列管式換熱器可分為以下幾個型式。固定管板式浮頭式

U型管式

第79頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補償圈，也稱膨脹節(jié)，當殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應它們之間的不同的熱膨脹。具有補償圈的固定管板式換熱器1一擋板

2-補償圈

3-放氣嘴第80頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應力。浮頭式換熱器1-管程隔板；2-殼程隔板；3-浮頭第81頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。U型管式換熱器第82頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三5.7填料床的傳熱分析5.7.1初始定義及假設5.7.2穩(wěn)態(tài)逆流傳熱5.7.3填料床層中的傳熱系數(shù)第83頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三第84頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三填料床的傳熱分析主要是指在紊流狀態(tài)下固態(tài)顆粒填堆料與流過該料柱的氣體之間傳熱問題

利用固體和氣體逆向流動的冶金過程包括：煉鐵和煉鉛高爐、豎式成球（或煅燒）爐、化鐵爐和煉銅鼓風爐，等等。

本節(jié)只討論逆流或靜止料層的情況，因為在應用這類傳熱方式的冶金實例中，幾乎全是這種情況。豎式氯化爐結構簡圖

1一氯氣管道I

2

團塊；3卸渣口；

4石墨電極}5一加料裝置；6一排氣口143266第85頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三右圖描述了填料床式冶金爐中的一般物理狀況。如圖所示，裝在豎爐內的固態(tài)料層緩慢地向下移動，與此同時，有一股氣流對著該料層逆向而上。根據這些固態(tài)爐料是正被加熱還是正被冷卻，進入料層的氣體分別可以是冷氣流或熱氣流。

在之后的討論中，凡熱流股的溫度，無論是固體還是流體，均標以注腳h，而冷流股的溫度均標以注腳c；進入狀態(tài)標上0，流出和離開狀態(tài)則標上l。固態(tài)料層的深度以L示之。化鐵爐5.7.1初始定義及假設填料床傳熱方程十分復雜，要得到分析解幾乎是不可能的。但可以作某些簡化，由簡化分析式指出一些真實體系的行為特征；并說明由于操作條件的變化而可能發(fā)生的那些影響。第86頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三1)軸向塞流，即是假定氣體沒有回混現(xiàn)象。2)無徑向傳熱，即在大橫截面料層中，如在燒結設備、高爐和大型化鐵爐中是合理的，但對于那些直徑小的化鐵爐，或對于明顯的管道現(xiàn)象發(fā)生的場合，這個假設可能不太合適。3)絕熱體系，即對周圍的壁來說不容許有熱損失。如同第(2)個假設那些，除在直徑小的化鐵爐或其他豎爐場合外，這是合理的。4)無粘滯加熱效應，即因為氣流速度遠低于摩擦加熱起重作用時的流速，所以這個假設也是合理的。5)氣相內部無輻射效應，即假定料層的導熱系數(shù)包括各顆粒間的輻射傳熱所起的作用。6)顆粒內部無溫度梯度，即相當于牛頓冷卻或加熱過程的條件。對于所有實際應用來說，如果料塊的畢奧數(shù)約小于0.1，即可滿足此條件。對于許多填堆料床的設計，此值可高達0.25。為處理那些微分方程及假定的邊界條件，這里作幾個原始假定：第87頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三厚度為dz的料層的能量平衡式式中S—單位體積料層內顆粒的總表面積，m2/m3；

---h—氣體和固體間的傳熱系數(shù)，kJ/min·m2·℃；QR—反應熱，kJ/min·m2

—孔隙度；keff—料層的有效導熱系數(shù)，kJ/min·m·℃；

—分別為固體和氣相的密度，kg/m3；

—分別為固體和氣相的熱容，kJ/kg·℃；V0g—氣流的表面速度，m/min；Vs—固體移動的實際速度，m/min5.7.2穩(wěn)態(tài)逆流傳熱關于氣體的能量平衡（流體流入而進入該容積的能量）（由于熱對流而進入該容積的能量）反應熱(37)第88頁，共98頁，2023年，2月20日，星期三（流體流入而進入該容積的能量）（由于熱對流而進入該容積的能量）（由于熱傳導而進入該容積的能量）關于固體的能量平衡?z反應熱式中S—單位體積料層內顆粒的總表面積，m2/m3；

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