环境工程原理第四章4

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1、 第五节 热辐射任何物体，只要温度大于0K，都会以电磁波的 形式向外发射能量，同时又不断地吸收其他物体发 来的辐射能。当两者数量不同时，就产生了热量的 传递，这种传热方式称为热辐射。热辐射这种传热方式不需要任何介质，所以不同 于热传导和对流传热，包括传热规律也不同。第五节 热辐射一、 基本概念 1. 辐射：物体通过电磁波来传递能量的过程。2. 热辐射：物体由于热的原因以电磁波的形式向外发射能量的过程。 特点：类同于光辐射，只是波长不同，被吸收后又转换为热；能量传递的同时还伴随着能量形式的转换； 波长集中在0.11000m，能量集中于波长为0.7620m。 （红外）QQQNQ能量守恒定律：式中

2、吸收率；反射率；穿透率。 3. 热辐射对物体的作用总能量Q；被物体吸收Q ；被反射Q；穿过物体Q 黑体：白体（镜体）：透热体：, = f (物体性质、温度、表面、辐射波长）灰体：指能以相同的吸收率吸收所有波长的辐射能的物体。固体、液体： =0 +=1 （表面起作用）气体： =0 +=1极限情 况，实 际不存 在，但 可接近 或近似二、 物体的辐射能力与斯蒂芬-波尔兹曼定律（一）物体的辐射能力与斯蒂芬-波尔兹曼定律物体在一定温度下，单位表面积，单位时间内所发 射的全部辐射能（波长从0到），称为该物体在该温 度下的辐射能力，E，W/m2。物体的单色辐射能力：物体在一定温度下，发射某 种波长的能力；

3、以E表示，单位W/m3。辐射能与单色辐射能的关系：黑体的辐射能力（最大），有斯蒂芬-波尔兹曼定律： = 5.66910-8W/m2K4 （4-51）（4-52）或： Cb = 5.669W/m2K4（二）实际物体的辐射能力黑度：实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比。（4-53） T2A1 = A2对灰体损失热能：热交换达到平衡时 T1=T2，Q=0任意物体：(1-)Eb(4-56)E1EbEb 灰体 黑体 灰体T1黑体 T2定温下，辐射能力大，吸收率也大物体的E与之比为为同温下黑体的辐辐射能力讨论物体表面的辐射能力与其吸收率的关系；吸收率与其黑度 的关系（1）任何物体的发射能力与吸收

4、率的比值均 相同，且等于同温度下绝对黑体的发射能力。 物体的发射能力越强，其吸收率越大。（2）= E/Eb =即同温度下，物体的吸收率与黑度在数值 上相等。（），b，即在任何温度下，各 种物体中以绝对黑体的发射能力为最大。克希霍夫定律：四、 两固体间的相互辐射式中 A平面的传热面积；C1-2总辐射系数(W/m2K4)1-2角系数(高温物体1发射辐射能被2拦截分率)。(4-55)两固体间的辐射 传热与固体材料 、温度及表面状 况有关；还与表 面大小、形状、 距离及相关位置 等有关。角系数值与总辐射系数计算式（4-61）（4-62）（4-59）（4-60）影响辐射传热的因素：1）温度的影响 T4

5、， 低温时可忽略，高温时可能成为主要方式2）几何位置的影响3）表面黑度的影响 ，可通过改变黑度的大小强化或减小辐射传热。4）辐射表面间介质的影响减小辐射散热，在两换热面加遮热板（黑度较小的热 屏）。 对流散热： 辐射散热： 令=1 总热损失： 式中 T对流-辐射联合传热系数，W/(m2.K)。 五、辐射与对流的联合传热（热损失计算）（4-65）（4-63）（4-64）(1)空气自然对流，当tW5m/s时 经验公式：第六节 换热器 4.24 换热器的分类一、按用途分类：加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器二、按热量的传递方式分类：1、间壁式按间壁形状分夹套、蛇管、套管 、列管、板式、板翅式等2

6、、直接接触式两流体直接混合传热3、蓄热式热流体将热传给蓄热填料，冷流 体又从蓄热填料取得热量目的：（1） 根据工艺要求，选择适当的换热器类型； （2） 通过计算选择合适的换热器规格。二、 间壁式换热器的类型（一）夹套换热器适用：水蒸气加热 或水冷却；可视情况更 换成蛇管、 列管等。（二）沉浸式蛇管换热器优点： 结构简单；制造方便； 耐高压；便于防腐 缺点： 总传热系数较小强化措施：可减少管外空间；容器内加搅拌器。（三） 喷淋式传热效果好于沉浸式，且便于检修和清洗；但占地 较大，水溅洒，喷淋不均匀。（四）套管换热器优点：高的 传热系数；结构简 单；耐高压；制造方便 ；应用灵便；传热面易 于变化。

7、缺点：金属耗量大；占地大； 等适用：流量不大、传热面不大 ；高压外管 内管弯管 接管（五）螺旋板式换热器优点： 传热效率高 不易堵塞 结构紧凑，成本较低缺点： 压力、温度不能太高 难以维修（六）平板式换热器1、角孔（流体进出）2、导流槽；3、封槽；4、波纹；5、挂钩；6、定位缺口优点： 传热效率高，K大 结构紧凑，操作灵 活，安装检修方便缺点： 耐温、耐压差 易渗漏，处理量小（七）板翅式换热器单元体： 板束：优点： 结构紧凑，25004300m2 传热系数大，传热效率高 轻巧牢固缺点： 流道小，易堵塞 清洗困难 制造复杂，难以维修（八）空冷式换热器优点： 不用水 污染小缺点： 装置庞大 占空间

8、多 动力消耗大（九）热管载热介质：液氨、液氮、甲醇、水、液态金属钾、钠、银等 温度范围：-200 2000特点：传热能力很大；结构简单；应用广泛吸液网热流体冷流体（十）列管式换热器1、固定管板式特点：结构简单；但壳程检修和清洗困难。用于温差不大的传热加挡板：增大壳程流体的湍动，提高壳程的多管程：增大管内流体u，提高管内的（ 封头内安装隔板，将管子分成多组）圆缺形折流挡板圆盘形折流挡板2. 浮头式特点：可完全消除热应力,便于清洗和检修, 结构复杂用于温差大的传热3. U型管式特点： 结构较浮头简单； 但管程不易清洗。原则：传热效果好，结构简单，清洗方便 管程：不清洁或易结垢、腐蚀性、压力高的流体

9、。壳程：饱和蒸汽、需要冷却、粘度大或流量小的流体。（二） 流体uuK，在同Q、tm下A，节省设备费；uHf ，操作费用增加；u选择是经济上权衡的问题，但要避免层流流动 。（一） 流体流经管程或壳程的选择三、 列管式换热器选用的有关问题流体流经换热器的压降 P = 10 100 kPa（液体）P = 1 10 kPa （气体）即：Re = 5103 2 104 （液体）；104 105（气体）（三） 换热器中管子的规格和排列方式管子的规格：192mm 、252mm和252.5mm管长：1.5m、2.0m、3.0m、6.0m、 9.0m排列方式：正三角形正方形直列正方形错列紧凑， 面积大管外易清洗

10、， K较小增强传 热效果（四）折流挡板（1）切口高度:直径 = 0.15 0.45，一般为0.20和0.25（2）挡板间距:壳内径 = 0.2 1.0（通常为50mm的倍数）切口过小，板间距过大 适当 切口过大 （五）壳体有圆缺形折流板时对流传热系数的计算切去25%直径；Re为2000 1000000：（4-67）（4-68）其中：管子正方形排列管子正三角形排列t：相邻管中心距，m；d0：管外径，mu0：流体流过管间最大截面积时的流速，最大截面积S：h：板间距，m；D：壳内径，m四、 系列标准换热器的选用步骤（一）了解传热任务，掌握工艺特点与基本数据1、冷、热流体的流量，进出口温度，操作压力等

11、2、冷、热流体的工艺特点，如腐蚀性、悬浮物含量等3、冷、热流体的物性数据（二）选用计算内容与步骤 1. 根据工艺任务，计算热负荷2. 计算tm3. 依据经验选取K，估算A先按单壳程多管程的计算，如果0.8，应 增加壳程数；5. 核算K分别计算管程和壳程的，确定垢阻，求出 K，并与估算的K进行比较。如果相差较多， 应重新估算。6. 计算A根据计算的K和tm，计算A，并与选定的换 热器A相比，应有10%25%的裕量。4. 确定冷热流体流经管程或壳程，选定u由u和V估算单管程的管子根数，由管子根数和 估算的A，估算管子长度，再由系列标准选适当 型号的换热器。例4-26： 柴油，180 130，qm

12、= 36000 kg/h，= 715 kg/m3，CP =2.48 kJ/kgK，=0.133W/mk，= 6.410-4 Pas 某油，60 110，= 860 kg/m3， CP =2.2k J/kgK，=0.119 W/mk，= 5.210-3 Pas （1）计算热负荷（不计热损失）（2）平均温差，逆流查图4-25，=0.91，可行。（3）估计传热面积：由表4-7，选K=250W/m2K（4）试选型号设柴油走管程，某油走壳程；由表1-3（P50）选u = 1m/s； 选252.5。则单程管子根数：估计单根管长度：若用4管程，则每管程长l = 6m，由附录（P384）查得： 管根数188；

13、A=86.9m2；型号为BES600-2.5-90-6/25-4I 管中心距32mm，正方形错列。所以每管程根数188/4=47根。（5）校核总传热系数管程对流传热系数：壳程对流传热系数：与原估值77.9m2相近，可行。即传热面积有19%的富裕量。说明所选换热器的规格可用。五、 加热介质与冷却介质载热体加热介质（加热剂）和冷却介质（冷却剂） （1）温度满足工艺要求；（4）不分解，不易燃；（2）温度容易调节； （5）价廉易得（3）腐蚀性小，不易结垢（6）传热性能好常用热载体见195页表4-11六、 传热过程的强化（一）增大tm 提高加热剂T1的温度或降低冷却剂t1的温度 两侧变温情况下，尽量采用逆流流动为了增强传热效率，可采取tm、A/V、K。（二）增大A/V 直接接触传热，可增大A 和湍动程度，使Q 采用高效新型换热器 改进传热面结构入手来增大A 和湍动程度，使Q(a)光直翅片 (b)锯齿翅片 (c)多孔翅片（三）增大K尽可能利用有相变的热载体（大） 用大的热载体，如液体金属Na等 减小金属壁、污垢及两侧流体热阻中较大者的热阻 两相差大，提高较小一侧最有效提高的方法(无相变)： 增大流速 管内加扰流元件 改变传热面形状和增加粗糙度作业：200页，4-27题，4-33题谢 谢