年处理5万吨水与乙醇的预热设计工艺装置毕业设计.doc

《年处理5万吨水与乙醇的预热设计工艺装置毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年处理5万吨水与乙醇的预热设计工艺装置毕业设计.doc（64页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、年处理5万吨水与乙醇的预热设计工艺装置概述1.1.1 传热在化工生产中的应用传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。化工生产过程与传热关系十分密切。这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热网络的综合；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。化工生产过程中需要解决的传热问题大

2、致分为两类： （1） 传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；（2） 传热过程的改进与强化。这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，既：式中：Q-冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K-传热系数，A-传热面积，；-平均传热温差，。1.1.2 传热的基本方式根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。热传导：热传导又称导热。是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传

3、递。辐射传热：又称为热辐射，是指因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。1.1.3 稳态传热和非稳态传热 稳态传热：在传热系统中各点的温度分布不随时间而改变的传热过程；稳态传热时各点的热流量不随时间而变，连续生产过程中的传热多为稳态传热。非稳态传热：传热系统中各点的温度既随位置又随时间而变的传热过程。热传导从微观角度来看，气体、液体、导电固体和非导电固体导热机理各有不同。热传导机理： 气体-温度不同（能级不同）的分子相互碰撞，使温度较高的分子将热能传递给温度较低的分子，造成热量传递；液体-液体中的分

4、子比气体密集，分子间的作用力较强，由分子振动的强弱导致热量传递； 固体- 相邻分子的碰撞或电子的迁移导致热量传递。这种碰撞和迁移，类似于分子运动。在金属中自由电子的扩散运动对于导热起主导作用，即良好的导电体也是良好的导热体。 导热是一种以温度差为推动力的分子传递现象；没有物质的宏观位移。1.2.1 基本概念和傅立叶定律（1）温度场和等温面温度场：所研究的具有一定温度分布的空间范围。稳态温度场与非稳态温度场：稳态温度场 非稳态温度场 等温面：同一瞬间，具有相同温度各点组成的面称为等温面。温度不同的等温面彼此不会相交。公式符号说明 （2）温度梯度：沿等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。图4.2

5、.1 等温面，温度梯度与热流方向（3） 傅立叶定律傅立叶定律是热传导的基本定律，表示传导的热流量和温度梯度以及垂直于热流方向的截面积成正比，即： 1.2.2 热导率根据傅立叶定律可得热导率：热导率=f(材料,结构,温度,湿度,压强)一般规律：对于气体: t，对于液体: t，（水、甘油例外）对于固体: 金属t , （高合金钢例外）非金属 t , （冰例外）多数匀质固体：公式符号意义金属的热导率最大，非金属固体次之，液体的较小，而气体的最小。1.2.3 (1)单层平壁的稳态热传导热导率为常数，对于稳态的一维平壁热传导，傅立叶定律可写为：=传热推动力/阻力平壁内的温度分布：沿壁厚方向温度分布为一直线

6、。热导率随温度变化： 则：积分整理得温度分布为非线性函数。又可以整理如下：导热速率注意：为平均温度下的热导率。1.2.3 (2)多层平壁的稳态热传导工业上常遇到由多层不同材料组成的平壁,称为多层平壁,如图所示.假设层与层之间接触良好,即接触的两表面温度相同.由于各等温面的温度保持恒定,仍为一维稳态导热,通过各层的热流量均等于Q,则:由以上可见,对于多层平壁的稳态热传导,其总的推动力即为总的温度差,而总的热阻为各层热阻之和.这与电工学中串联电阻的欧姆定律类似. 各层的热阻越大,则其温度差也越大.热传导中温度差与热阻成正比.1.2.4 长圆筒壁的稳态热传导对于长圆筒壁的傅立叶定律改写为：于是有：

7、上式可以改写为： 对数平均面积对于多层圆筒壁：注意：Q恒定，但 q 是变化的，故有温度分布：圆筒壁内的温度分布可由傅立叶定律得出：积分： 4.3对流传热对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与导热两者共同作用的结果。流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。热边界层的厚度 ： 处与壁面的垂直距离。 热边界层内： 热边界层外： (等温区) 湍流流动热边界层与流动边界层关系： 湍流区：质点相互混

8、合交换热量， 小。 缓冲层：质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。层流内层：导热为主，热阻大，温差大。 (a)流体被平壁加热(b)流体被平壁冷却1.3.2 对流传热速率方程和表面传热系数本小节目标：提出牛顿冷却定律对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与壁面的温度差全部集中在厚度为1的有效膜内，该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述，该定律是一个实验定律： 对两侧流体，均可使用

9、牛顿冷却定律，即：Q=At 式中：Q-对流传热的热流量，W；A-对流传热面积，m2;t-壁面温度与壁面法向上流体的平均温度之差，K；-比例系数，称为表面传热系数，W/（m.K）对流传热过程的计算，归结为如何获取。一般由实验 测定，采用科学的试验方法。 在虚拟膜内，使用傅立叶定律： 对比牛顿冷却定律，可知 使对流传热归结为导热问题，可由温度分布求得。若 一定，取决于有效膜厚度= 而则和流动状态有关，有利于传热。1.4 表面传热系数的经验关联1.4.1 （1） 表面传热系数的影响因素 流动状态的影响层流底层薄，动力消耗大。 强制对流和自然对流的影响 强制对流：外部机械作功,一般u较大，故较大。 自

10、然对流：依靠流体自身密度差造成的循环过程,一般u较小，也较小。 流体物性的影响 的影响： 的影响： 的影响： 单位体积流体的热容量大，则较大 的影响: 定性温度：各种表面传热系数所用数据的特征温度。 传热面条件的影响 不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产 生旋涡，增加湍动，使增大。 定型尺寸：对表面传热系数有决定性影响的特征尺寸。 相变化的影响一般情况下，有相变化时表面传热系数较大，机理各不相同，复杂。对流传热的分类： 无相变化传热: 强制对流 自然对流 有相变传热: 蒸汽冷凝液体沸腾（2） 无相变化时对流传热过程的因次分析利用因次分析的方法可获得描述对流传热的几个重要的特征数：

11、(努塞尔数)(雷诺数)(普朗特数)(格拉晓夫数)1.4.2 特征数的物理意义 努塞尔数=壁面温度梯度/平均温度梯度 称为无因次温度梯度。平均温度梯度一定，壁面温度梯度越大，Nu越大,越大,有效膜越薄。按热边界层理论,壁面温度梯度恒大于平均温度梯度,所以,努塞尔数恒大于1。 雷诺数惯性力和粘滞力的比值，反映流动状态对的影响。 普兰特数v-动量扩散系数-热扩散系数该公式反映了热扩散和动量扩散的相互关系。反映流动边界层厚度和热边界层厚度的相对厚度。 格拉晓夫数（又称升浮力数）体积的变化 （）单位体积流体的体积变化： 单位体积流体的浮力变化： （反映自然对流程度的特征数。1.4.3 无相变化的对流传热

12、无相变化对流传热时，特征数之间的关系： 强制对流：自然对流：混合对流：（1） 管内强制对流进口段对表面传热系数的影响：正在发展的传热。 进口段长度：进口点到边界层汇合点间的长度。层流 湍流 一般关系式：流动状态不同，则 c ,m ,n 不同。其规律如图所示。流动状态层流 湍流过渡流 下面进行分类讨论。1.4.3 圆形直管内湍流表面传热系数a. 一般流体或n= 0.4 流体被加热n= 0.3 流体被冷却定性温度适用范围 注意：分析湍流条件下的表面传热系数与u，di， 粘度，密度的关系。b. 粘度较大的流体一般情况下，应考虑粘度变化的影响，使用下式 液体被加热 液体被冷却适用条件：定性温度： 进出

13、口平均温度定型尺寸： 管内径。c. 流体流过短管 若则为短管，处于进口段，表面传热系数较大。采用以上各式计算，并加以校正: 圆形直管内过渡流时表面传热系数 过渡流采用湍流公式，但需加以校正。 4.4.3 圆形直管内层流条件下的表面传热系数特点：1）进口段的管长所占比例较大 2）热流方向不同，也会影响。 3）自然对流的影响有时不可忽略。计算式：适用条件：定性温度：流体进出口温度的算术平均值 定型尺寸：管内径di 弯管内强制对流时的表面传热系数特点：离心力的作用，压力不均匀，产生二次 环流,结果使 计算式：式中：-直管内的表面传热系数； R-管子的曲率半径。 非圆形管内强制对流的表面传热系数采用圆

14、形管内相应的公式计算,但特征尺寸采用当量直径。当量直径：4倍流通截面/润湿周边长度但只是一种近似算法，最好采用经验公式和专用式1.4.3 （2） 管外强制对流传热a. 流体橫向流过单管如图1所示，当流体垂直流过单根圆管外表面时，由于流体沿圆柱周长（或方位角）各点的流动情况不同，因而各点的局部表面传热系数或局部努塞尔特数Nu亦随之而异。如果流体的初始状态不同，则流体流经各点的情况也随之变化，从而导致圆管沿圆周方向上局部或Nu分布也相应变化，如图2所示。从图2中的Nu分布曲线可见，流体横向流过单管时，其前半周和后半周的情况完全不同。在管子的前半周，与流体流过平壁时的情况大体相仿，从驻点（=0）处开

15、始，随值的增加，边界层逐渐增厚，引起Nu逐渐下降。1）低雷诺数时，708001013000，层流边界层厚度增大，使 ，边界层分离，有一个最低点。 2）高雷诺数时，140000219000 有两个最低点：第一个最低点，层流边界层湍流边界层;第二个最低点，边界分离，分离点图图 1.4.3 b. 流体横向流过管束 在化工生产中大量遇到的是流体横向流过管束的传热设备，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。1）管束的排列方式直列，错列。如图1所示 2）各排管的变化规律第一排管，直列和错列基本相同；第二排管，直列和错列相差较大；第三排管以后（直列第二排管以后），基本恒定；从图2中可以

16、看出，错列传热效果比直列好。3）表面传热系数的计算方法 任意一排管子： 其中 C、和n取决于排列方式和管排数，具体取值。平均 式中：i-第i排的平均表面传热系数，W/(.)；Ai-第i排总的传热面积 ，。(a)直列(b)错列图1 图直列(a)和错列(b)管束中，不同排数的圆管上局部沿周向的变化(,空气）1.4.3.c.流体在管壳间的传热1) 列管式换热器的结构和流动特性特点：由于装有不同形式的折流挡板（如图1所示），流动方向不断改变，在较小的下（=100）即可达到湍流。装有圆缺形折流挡板的列管式换热器如图2所示。2）表面传热系数的计算： 或 适用条件：定性温度：定型尺寸：当量直径（见图）对正方

17、形排列 对三角形排列 式中：t-相邻两管的中心距,; d0-,管外径，m。 流速按最大流通截面，（最小流速）计算： 式中：B-两挡板间的距离，m。D-换热器的外壳内径，m。折流板：弓形，弓形高度25%D，若不是25%，则应做适当调整，见有关手册。图 圆缺折流挡板图2 装有圆形折流挡板的列管换热器(a)正方形(b)正三角形图3 管子的排列1.4.3（3） 自然对流自然对流：温度差导致质量力分布不均，引起的流动。分类：大空间自然对流传热,边界层发展不受限制和干扰。 有限空间自然对流传热。特点：自然对流，边界层内速度，温度分布均不同于强制对流。表面传热系数依经验式计算： C,n =f(传热面的形状和

18、位置， )具体数值列于表中。定性温度：膜温定型尺寸：竖板，竖管，L 水平管，外径(a)竖直壁上表面传热系数的分布(b)近壁处温度与流速的分布图沿竖壁自然对流的流动和换热特征4.4.4 （1） 蒸气冷凝方式蒸气与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。蒸气冷凝进行加热的优点：具有恒定的温度，操作时易于控制；表面传热系数大。蒸气冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。 膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。 滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的液滴而脱落。凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力大小。若

19、附着力大于表面张力则会形成膜状冷凝，反之，则形成滴状冷凝。通常滴状冷凝的表面传热系数比膜状冷凝的表面传热系数大510倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。（2）膜状冷凝表面传热系数如图所示，当饱和蒸气在低于饱和温度的垂直壁面上冷凝后，凝液在重力作用下向下流动。图中x为离竖壁顶端的距离。当x较小时，冷凝液量较少，冷凝液膜厚度较薄，呈层流流动。随着x的增加，蒸气不断冷凝，液膜不断增厚，从而表面传热系数随之减小。若壁面足够高，冷凝液量足够大，随着x的继续增加，液膜表面将开始出现波动，进而形成湍流，使得表面传热系数又增大。因此蒸气冷凝的传热机理随液膜是层流还是湍流而异。从层流到湍流的临界Re值

20、是2000。(a)(b)蒸汽在垂直壁面上的冷凝4.4.4 a. 努塞尔特方程推导努塞尔特 (Nusselt) 于1916年提出了膜状冷凝的简化物理模型，若膜层为层流时（即Re2000）作了如下假设： 冷凝液膜呈层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导，膜内温度分布为线性。 蒸汽静止，汽液界面无粘性应力 汽液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度等于饱和蒸气温度。 忽略液膜的过冷度，冷凝液为饱和液体。根据上述假定，可对液膜在垂直壁面上的稳态流动与传热过程列出传热速率、质量和热量衡算以及流动的有关方程。 努塞尔特方程推导过程努塞尔特方程的表达式：= 定性温度： 膜温 定型尺寸： 竖壁高度L对于倾

21、斜壁面： 蒸气在斜壁上的冷凝4.4.4 b. 无因次努塞尔特方程液膜流动雷诺数式中：M=m/b 为单位润湿周边上的流率； s 为流通面积 ； b 为周边长度 。m/s=G 为质量流速故： 为无因次冷凝表面传热系数 若为垂直管外冷凝，亦可采用上述努塞尔特方程，只是Re中的润湿周边b需用d0代替，d0为竖管外径。由于推导中所作的假设不能完全成立，大多数实验值较由理论公式求得的结果大20%左右，其修正公式为： 层流条件 ： 湍流条件： 实际计算采用试差法。 Re值对的影响如图所示。线AA和BB分别表示层流下的理论值和实际值，线CC表示湍流下的实际值。 4.4.4 c. 水平单管外冷凝理论式：式中d0

22、为管外径。实验结果和理论值基本一致。d. 水平管束外冷凝d. 水平管束外冷凝水平管束的排列通常有直排和错排两种，如图所示。两种排列就第一排管子而言，其冷凝情况与单根水平管相同。但是，对其他各排管子，冷凝情况必受到其上排管流下冷凝液的影响，表面传热系数依次下降。计算式： （平均） ，与结果接近。若各排管子数目不同，则采用平均管排数如果按图中（b）（c）所示的管束排列，就可不同程度减少冷凝液对下层管束传热的影响，从而提高管束的表面传热系数。所以，许多冷凝器中管束的布置情况，更多是属于后面两种。 e. 水平管内冷凝蒸汽流速不大时，可采用管外冷凝公式计算。当蒸汽速度较大时，应参考有关公式。水平管束的管

23、子排列及其对冷凝液膜厚度的影响(3) 影响冷凝传热的因素冷凝液膜两侧的温度差影响冷凝液膜两侧的温度差为。当液膜呈层流流动时，若加大，则蒸气冷凝速率增加，因而液膜层厚度增厚，使冷凝表面传热系数降低。流体物性的影响由膜状冷凝的表面传热系数计算式知，液膜的密度、粘度及热导率都影响值。此外，蒸气的冷凝热，也影响值。不凝性气体的影响以上讨论仅限于纯蒸气的冷凝。实际上，工业用蒸气不可能绝对纯，其中总会有微量的不凝性气体。在连续运转过程中，不凝性气体将在冷凝空间积聚。不凝性气体附在壁上形成气膜，使热阻增加，导致表面传热系数大幅度下降。当蒸气中含有1%空气时，冷凝表面传热系数降低约60%。因此在各种与蒸气冷凝

24、有关的换热装置中，为减少不凝性气体的不良影响，都设有排放口，定期排放不凝性气体。沸点相差较大的多组分混合物蒸气的部分冷凝，与纯蒸气的冷凝有显著差异，遵循不同的规律，表面传热系数也较纯蒸气冷凝为小。蒸气过热的影响过热蒸气与固体表面的传热过程中，当壁温Tw高于蒸气饱和温度时，壁面上无冷凝发生，此时的传热过程与普通的对流传热完全相同。若壁温低于蒸气的饱和温度，则不论蒸气过热与否，壁面上必有冷凝。因此，通常可把过热蒸气做饱和蒸气处理，本节给出的计算公式依然适用。蒸气流速的影响当蒸气的流速不大时，蒸气与冷凝液膜之间的作用力可以忽略，因而可忽略蒸气的影响，但当蒸气流速较大时，即会影响液膜的流动和传热。若蒸

25、气和液膜流向相同，蒸气将加速冷凝液的流动，使液膜厚度减小，结果冷凝表面传热系数增大。反之，若蒸气与冷凝液逆向流动时，则减小；若蒸气流速很大可冲散液膜使部分壁面直接暴露于蒸气中，反而增大。通常，蒸气入口设在换热器的上部，避免蒸气和冷凝液逆向流动。4.4.4 （4）液体沸腾方式沸腾传热最主要的特征是液体内部有气泡产生。按设备的尺寸和形状可分为： 大容积饱和沸腾 （池式沸腾）将加热器或加热表面浸没在液层中，在加热壁面形成的气泡长大到一定尺寸后，脱离壁面，自由上浮，至液层表面逸出。 强制对流沸腾（管内沸腾）液体在管内或沿一加热表面强制流动的同时，被加热沸腾。管内沸腾时壁面形成的气泡不能自由浮动，而是和

26、液体混杂在一起强制流动，产生复杂的两相流，沸腾和流动两种现象相互影响，因此管内沸腾要比大容积饱和沸腾复杂。根据管内液流的主体温度是否达到相应压力下的饱和温度，还可分为： 过冷沸腾壁面过热，主体温度低于饱和温度,气泡上升过程中消失（冷凝）。饱和沸腾：主体温度达到饱和温度，气泡上升，不会消失。本节只讨论大容积饱和沸腾（5）液体沸腾机理及其影响因素气泡的生成和过热度假定气泡是球形的，气泡内部的压力为Pv，周围液体的压力为PL，液体的表面张力为，气泡能够存在的条件： 由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度

27、，故液体必须过热，即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。液体的过热是新相-小气泡生成的必要条件。 粗糙表面的气化核心当 ,即开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。这种情况显然是不存在的，因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大，气化核心数增多。气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。 大容积饱和沸腾曲线 AB ，自然对流传热，无汽泡产生。 BC ，核状沸腾，汽泡数，。但另一方面，气膜覆盖

28、，又使，当两者作用相抵消，达C点（临界点） 临界值：、q、Q CD ，核状膜状共存，膜复盖为主， DEF，稳态膜状沸腾，稳定的膜复盖，而后辐射作用加强，。t=(tw-ts)K 沸腾传热的影响因素（6）沸腾传热表面传热系数 参看有关手册，管外沸腾传热更为常用；或采用经验公式。4.5 辐射传热基本概念辐射传热又称为热辐射，是指由本身温度引起的能量辐射，在一定波长范围内 (0.440之间,主要是可见光和红外光)，表现为热能。特点：传播方式以电磁波的形式，不需要任何介质进行传递。4.5.1 辐射传热的基本概念 （） 热辐射的特性热辐射和可见光一样，具有反射、折射和吸收的特性，服从光的反射和折射定律，能

29、在均一介质中作直线传播。如图所示，假设投射到某一物体上的总辐射能为Q，一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD 透过物体。根据能量守恒定律可得：Q= 定义： 吸收率 A= 反射率 R= 透射率 D= 则： A+R+D=1（） 黑体、镜体、透热体和灰体 黑体：能全部吸收辐射能的物体 A=1； 镜体（绝对白体）：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。工业上遇到的多数物体，能部分吸收所有波长的辐射能，但A不相同，相差不多，可近似视为灰体。4.5.2 发射能力和辐射基本定律基本定律：普朗克定律 斯

30、蒂芬-波尔茨蔓定律 克希霍夫定律（1） 发射能力 发射能力：物体的发射能力（或称辐射能力）是指物体在一定的温度下，单位时间，单位表面积所能发射出的全部波长的总能量,称为物体的发射能力E ( )。 单色发射能力：单位时间，单位表面积发射的某一波长的总能量，以()表示。则， 黑体的发射能力：为黑体的单色辐射能力。（2） 普朗克定律普朗克定律表明了黑体的单色发射能力与波长及温度之间的关系。某一温度下，黑体的按波长分布关系： 式中：T-黑体的热力学温度，K； ；该关系式称为普朗克定律，其中：, 黑体的的关系： 的关系与T有关，维恩位移定律 4.5.2 发射能力和辐射基本定律(续）（3） 斯蒂芬-波尔茨

31、蔓定律 黑体的发射能力： 或 式中： 为黑体的发射系数， 灰体的发射能力： c 为灰体的发射系数 c=f(物质性质，温度，表面情况) c总小于同温度下的。 黑度（发射率）灰体的发射能力小于同温度下黑体的发射能力，两者之比称为黑度（发射率）。灰体的发射能力： 常用工业材料的黑度值材料温度 t/黑度 红砖200.93耐火砖-0.80.9钢板(氧化的)2006000.8钢板(磨光的)94011000.550.61铸铁(氧化的)2006000.640.78铜(氧化的)2006000.570.87铜(磨光的)-0.03铝(氧化的)2006000.110.19铝(磨光的)2255750.0390.0574

32、）克希霍夫定律克希霍夫定律表明了物体的发射能力和吸收率之间的关系。如图所示，设有两个无穷大间隔一定距离的壁面，一个壁面的发射能可以全部落到另一个壁面上。设壁面1为灰体，壁面2为黑体。壁面1的发射能力和吸收率分别为E1和A1；壁面2的发射能力和吸收率分别为E0和A0；当两壁面间的辐射传热达到平衡时，壁面1发射和吸收的能量必相等，即：或 为发射能力，为吸收率。上式称为克希霍夫定律，表明对任何物体，其发射能力和吸收率的比值为常数，且等于同温度下，黑体的发射能力。上式可写为 （黑度） 即吸收率等于物体的黑度。4.5.3 两固体间的辐射传热化工生产中常遇到两固体壁面之间的辐射传热，这些固体壁面可按灰体处

33、理。如图所示，现以两个无限大的灰体平面间的辐射传热为例，设壁面I的温度为T1，从壁面I本身发出的辐射能为E1，壁面II投射到壁面I上的总辐射能为E2，其中被壁面I反射的辐射能为E2（1-A1）。将壁面本身的辐射能与反射的辐射能之和称为有效辐射。由此可得壁面I的有效辐射E1为：对于两无限大平壁有： ；当则单位辐射面净传热量为：可解得：又 ；所以其中称为总发射系数。当平行壁面间距离与壁面面积相比不是很小时，从一个壁面所发射的辐射能只有一部分到达另一壁面上，则更普遍的形式：为角系数(总能量被拦截分率)。 （形状，大小，相对位置，距离）4.5.4 气体的热辐射不同的气体，吸收和发射的能力不同。单原子气

34、体和分子结构对称的双原子气体，几乎没有吸收和发射能力，可视为完全透热体。而不对称的双原子和多原子气体，则具有相当大的发射能力和吸收率，当这类气体出现在高温换热场合中时，就要涉及到气体和固体间的辐射传热问题。（1） 气体辐射的特点 气体辐射对波长有选择性固体能发射和吸收全部波长范围的辐射能，而气体只能发射和吸收某些波长范围内的辐射能。 气体的辐射和吸收在整个体积内进行固体、液体的辐射和吸收在其表面进行，而气体的发射和吸收在整个体积内进行。当热射线穿过气体层时，其辐射能量因被沿途的气体分子吸收而逐渐减少；在气体界面上所接受到的气体辐射为达到界面上整个体积气体辐射之总和。气体的吸收和辐射与气体层的形

35、状和体积大小有关。气体的发射能力同样定义为单位表面上、单位时间内所发射能力式中：Tg-气体的温度；P-气体的分压。l-气体层的平均厚度。 l=3.6V/A式中： V-气体体积，m；A-包围气体的固体表面积，m。几种不同形状气体层的平均厚度。 几种不同形状气体层的平均厚度 l气体的形状l直径为d的球体每边长度为a的立方体直径为d的无限长圆柱体高度等于直径，即h=d的圆柱体对侧表面的辐射高度等于直径，即h=d的圆柱体对底面中心的辐射h=,半径为r的圆柱体对平侧面的辐射间距为的两无限大平面之间的辐射直径为d，管子中心距为t的管束：1.三角形排列：t=2d2.三角形排列：t=3d3.正方形排列：t=2

36、d0.60d0.60a0.90d0.60d0.77d1.26d1.82.8(t-d)3.8(t-d)3.5(t-d)气体的吸收率与气体的黑度不相等，因为气体选择性的吸收某些波长的辐射能，其吸收率不仅与本身状况有关，而且与外来辐射有关，但仍可表示为：Ag=(Tg,P,l)（2） 气体和器壁间的辐射传热设器壁壁温为TW，气体温度为Tg,当器壁为黑体时，气体以辐射方式传递给器壁的净热量为： 式中： g-气体在温度Tg下的黑度； Ag-气体对温度为TW的器壁所发射能量的吸收率。 当器壁的黑度w0.8时，气体对灰体器壁净的辐射热量常用下式计算：4.5.5 复合传热及设备的热损失（1） 复合传热在化工生产

37、中，许多设备的外壁温度常高于周围环境的温度，因此，热量将由壁面以对流和辐射两种形式散失到周围环境之中。设备损失的热量等于对流传热QC和辐射传热QR两部分之和，即总散热量为：=(角系数为1) 式中：T-对流辐射联合表面传热系数，W/（m.K）上述对流和辐射联合传热属于复合传热，在化工生产中普遍存在，且总是发生于气体和壁面之间。 复合传热：在物体的同一表面上同时存在着导热、对流传热和辐射传热三种传热方式中两种以上的综合传热。（2）对流辐射联合表面传热系数经验式对于有保温层的设备、管道等外壁对周围环境散热的联合表面传热系数T，可用下列近似公式： 空气自然对流时：平壁保温层外 ：圆管保温层外 ：上两式适用于tW5m/sT =7.8u0.784.5.5 (