大学课件-化工原理-第4章传热4

小结:(1)管外强制对流(a)流体横向流过单根管外3/1rneuPCRN(b)流体横向流过管束的表面传热系数iiiAAhh/整个管束平均：(c)流体在列管换热器管壳间的传热3/16.033.0reuPRN大致估算：4.0rneuPRCN任一排管子：14.03/155.0)/(36.0wreuPRN14.03/155.0)/(36.0wreePRdh或：◆当量直径正方形排列0202)4(4ddtde0202)423(4ddtde正三角形排列◆流速)1(0tdBDS(2)自然对流传热nrruPGCN)((3)蒸汽冷凝1)蒸汽冷凝机理冷凝方式：①膜状冷凝②滴状冷凝两种冷凝方式的表面传热系数:h滴状冷凝h膜状冷凝2)膜状冷凝表面传热系数◆垂直管外或壁面上的冷凝1）液膜层流4132)(13.1tLgrh2）液膜湍流4.0232)4()(0077.031rtLhgh3188.1eRh4.00077.0eRh◆水平单管外冷凝41032)(725.0tdgrh◆水平管束外的冷凝4103/232)(725.0tdngrh◆单根水平圆管与垂直圆管的表面传热系数之比4/1064.0dLhh垂直水平沸腾:沸腾时，液体内部有气泡产生，气泡产生和运动情况，对h影响极大。沸腾分类：①按设备尺寸和形状不同池式沸腾（大容积饱和沸腾）强制对流沸腾（有复杂的两相流）②按液体主体温度不同过冷沸腾：液体主体温度tts，气泡进入液体主体后冷凝。饱和沸腾：（常用）t≥ts，气泡进入液体主体后不会冷凝。液体沸腾传热及其影响因素液体主体tts液体主体t≥ts(1)大容积饱和沸腾传热机理①气泡能够存在的条件：rpprlv2)(2rpplv2abcd气泡的生成过程气泡的力平衡plpvrσσ2）必须有汽化核心lvppr时，要求当0②汽泡产生的条件1）液体必须过热提供必须的汽化热量●无汽化核心，气泡不会产生●液体过热度增大，汽化核心数增多rpplv2汽化核心：体积很小的孔穴或固体颗粒，气泡能附着在其周围生长。自然对流核状沸腾膜状沸腾不稳定膜状稳定区ABCDE1021030.11.010Fα△t=(tw-t1)K图4-36沸腾温度差和膜系数的关系实验条件:大容积、饱和沸腾(2)大容积饱和沸腾曲线曲线获得：作图实验，并以ht，即过热度）（swtttAB段：自然对流，无汽泡产生，h缓慢增加CD段：核状、膜状共存，膜覆盖为主，Δt↑，h↓DEF段：稳定膜状沸腾，全部膜覆盖，Δt↑，h↓而后辐射作用加强，Δt↑，h↑曲线分析:BC段：核状沸腾**过热度↑,汽化核心数↑,气泡产生和长大速度↑,h↑**汽膜覆盖↑，使h↓当两者作用相抵消，出现转折点—临界点（C点）临界值：Δt、q、液体热量传递：加热面自然对流问题：工业上，应在哪个区域操作?严格控制在核状沸腾区问题：沸腾时，何处热阻集中靠近加热面的液体薄层内（同对流传热），但由于气泡产生，使液体扰动↑，因此：自然对流沸腾hh(3)影响的因素①物性②压力③温度差④加热壁面的影响h,,h,,,,P不同阶段，影响不同◇粗糙壁面,h↑，光滑的壁面,h↓；◇被油脂污染的壁面,h↓，清洁表面,h↑；◇水平管束沸腾传热，上排管h↓。qhPt,下，相同(4)沸腾传热膜系数参看有关手册，管外沸腾传热更为常用。（a）水在105~4*105Pa压力下的核状沸腾5.033.2123.0pth（b）不同液体在不同清洁面上的核状沸腾3/1)(vlnrpgrqcwlrPtc4.5辐射传热热辐射举例：太阳能、裂解炉、红外灯、高温设备散热本节解决的问题：（1）何谓热辐射（2）辐射传热的基本概念、特点（3）辐射传热的基本规律（4）辐射传热的传热量计算发射辐射能吸收辐射能4.5.1辐射传热基本概念(1)热辐射绝对温度大于0的物体，都不停地以电磁波的形式向外辐射能量。同时不断吸收来自外界的辐射能。物体以电磁波的形式向外发射能量的过程,称为热辐射。一定波长内(0.4-40μm，主要是可见光和红外光)，具有热效应。*以电磁波形式传播，不需要任何介质进行传递。*两次能量形式转化--内能1→电磁波能→内能2•热辐射可穿越真空，但对流、热传导不能•能在均一介质中作直线传播服从光的反射、折射定律(2)特点(3)辐射传热的规律QRQQAQD图4-38辐射能的吸收、反射和透射吸收率反射率透射率AARRDDDRA因为：1DRA所以：黑体：能全部吸收辐射能的物体A=1；白体：能全部反射辐射能的物体R=1；透热体：能全部透过辐射能的物体D=1灰体：能以相同的吸收率A，吸收全部波长辐射能的物体。工业上，多数物体都可近似视为灰体(A相差不大)。4.5.2发射能力和辐射基本定律(1)发射能力E(辐射能力)W/m2指：一定温度下，单位时间，单位面积上，物体所能发射出的全部波长的总能量。一定温度下，单位时间，单位面积上，物体发射的某一波长的总能量。dEE0000dEE)(0TfE△单色发射能力Eλ：W/m2指：△黑体的发射能力E0：(2)辐射基本定律①普朗克定律的关系一定温度下，黑体的~0E1)exp(2510TccE216110743.3wmcmkc22104388.1KTm：，：00▲EE力为此温度下黑体发射能连续变化，曲线下面积随)(0TfE▲0,ETTm8.2897维恩位移定律：存在极值点0E▲灰体的发射能力实验证明：②斯蒂芬-波尔茨曼定律表明黑体的发射能力与温度的关系40TE400)100(TCE或：428/1067.5:KmW波尔兹曼常数斯蒂芬420/67.5KmWC黑体发射系数：4)100(TCEC：灰体的发射系数CC0C=f(物性、温度、表面)0EE黑体发射能力灰体发射能力表明灰体接近黑体的程度，ε可由实验测定（书P283表4.5.1）黑度（发射率）100CCEE1黑体：400)100(TCEE灰体发射能力：③克希霍夫定律的关系吸收率解释灰体发射能力AE设：A---灰体B---黑体A发射辐射能：全部被B吸收B发射辐射能：被A吸收---被A反射---01EA01001EAEERA，灰体，E1，A1B，黑体，E0，A0E1E001)1(EA热平衡时，发射辐射能灰体：吸收辐射能011EAE即：011EAE克希霍夫定律：即：对任何物体，发射能力和吸收率比值为常数，且等于同温度下，黑体的发射能力。011EEA变形：即：同温度下，任一物体吸收率等于黑度。A，灰体，E1，A1B，黑体，E0，A0E1E001)1(EAT1ⅠⅡ}E'2E1E'1（物体Ⅰ的有效辐射）E'2A1(1-A1)E'2图4-40有效辐射示意图T2两无限大平壁间辐射有效辐射：2111)1(EAEE1222)1(EAEE）（净辐射传热量：22121/mWEEq4.5.3固体表面间的辐射传热固体：可视为灰体，A=常数，A+R=1辐射在固体表面进行2121122121AAAAAEAEq41011)100(TCE代入：42022)100(TCE42412121)100()100(TTCq因此：021210211111111CCCCC总发射系数42412121)100()100(TTAC一般形式：φ：角系数(总能量被壁面拦截分率)。φ=f(两壁面形状，大小，相对位置，距离等）几种简单情况的角系数(见P285表4.5.2，图4.5.5)4.5.4气体的热辐射气体：单、对称双原子气体---近似透热体。多原子气体(CO2、H2O汽)---高温时具有很强发射和吸收能力。气体辐射特点：*选择性--只发射和吸收某一波长范围的辐射能；*容积辐射特性--吸收和发射在整个体积内进行；热辐射穿过气体层时，辐射能量被沿途气体分子吸收而逐渐减少。指：同时存在两种以上传热方式的综合传热现象。例：设备表面的热损失，对流+热辐射间壁换热过程中，对流+导热(2)设备热损失计算热损失：4.5.5复合传热与设备热损失的计算(1)复合传热)()(辐射对流Rc)(ttAhwwcc对流传热：4421)100()100(:TTACwwR辐射传热)(ttAhwwRtw环境tcRwwTwwRcAtthttAhh)()()(:热损失经验关联式（空气自然对流时）：平壁保温层外：圆管保温层外：)(07.08.9tthwT)(052.04.9tthwTr0ritiλαt∞R1R2t1t∞绝热层的分析保温层ri,tir0,t0环境t(3)绝热层的临界半径问题：加保温层是否一定能保温?设：稳态传热，管道外表面与环境间热损失：Rt有极大值时，0)(0drRdmax:时，保温层临界半径TchrTiiLhrLrrtt00212lnQrQmaxrc热损失与绝热层外半径的关系保温层的选择：对需保温的管子，ri一定。如果要满足保温条件：比较与Tcihrr应从λ、hT两方面考虑，选择合适的保温层材质。增加绝热层厚度，热损失可能增加，时，管道外半径cirr时，管道外半径cirr增加绝热层厚度，热损失一定减小。