中国农大食品工程原理 第2章 (10)传热.pdf

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204?1800所求α正确。由牛顿冷却定律,得Q=αSΔT=5380×π××2×20=×104W蒸汽冷凝量为Ws=Q/r=×104/(×103)=(2)单根水平管外冷凝以α和α分别表示管垂直和水平放置时的冷凝传热系数(注意N=1),两式相除VH得:α/α=()(L/d)1/4HV0=()(2/)1/4=∴α==×5380HV=8662W/(m2〃K)Ws=×=.3影响冷凝传热的因素及强化液膜厚度及流动状况是影响冷凝传热的关键。凡是影响液膜状况的因素都会影响冷凝传热。、并产生气泡的过程称为液体沸腾或沸腾传热。:..大容器内沸腾(池内沸腾):液体的运动仅仅由液体与加热面间的温差所引起;强制对流沸腾:液体被强制流过加热面而沸腾。以下仅讨论大容器内的饱和沸腾。:①自然对流阶段(ΔT≤5℃);②泡核沸腾阶段(ΔT=5~25℃);③膜状沸腾阶段(ΔT>25℃)。由泡核沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。(1)莫斯金斯基(Mostinski)经验式α=(ΔT):ΔT=T-T为沸腾传热温差;WSZ为与操作压强及沸腾液体的临界压强有关的参数。Z=×10-(++10R10)=P/P为对比压强,无因次;P为操作压强,kPa;P为临界压强,kPa。cc上式的应用条件为:P>3000kPa,R=~,q<q。cc临界热流密度q可按下式计算:cq=(1-R)(2)若液体为水,可用下述计算式:α=C(ΔT)n(P/P):P,P-分别为操作压强和标准大气压强。a常数C、n值与加热面的设置及热流密度q有关,见下表:加热面q/(W/水平面q<1580010401/315800<q<<31505391/73150<q<:..(1)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。~100μm。注意:只有彼此看得见的物体才能进行辐射传热。(2)辐射能的吸收、反射和透过根据能量守恒定律,可得Q+Q+Q=QARD或Q/Q+Q/Q+Q/Q=1ARD或A+R+D=1式中A,R,D分别称为该物体对投射辐射的吸收率、反射率和透过率。若A=1,黑体;若R=1,镜体(绝对白体);若D=1,透热体。A、R、D=f(表面性质、T和λ)投射一般,固体和液体的D=0;气体的R=0。灰体:能以相同的吸收率且部分地吸收所有波长范围的辐射能的物体。灰体有以下特点:①吸收率与投射辐射的波长无关;②是不透热体,即A+R=1。(1)斯蒂芬-波尔兹曼定律物体的辐射能力E:在一定温度下,单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量,W/m2。理论研究表明,黑体的辐射能力服从下列斯蒂芬-波尔兹曼定律:E=?T4b0式中:?-黑体的辐射常数,0?=×10-8W/(m2〃K4);0T-黑体表面的绝对温度,K。该定律也称四次方定律。实际物体在一定温度下的辐射能力恒小于同温度下黑体的辐射能力。:..黑度(发射率)ε:实际物体与同温度黑体的辐射能力的比值,即ε=E/Eb一般ε由实验测定,常用工业材料的黑度见表2-11。(2)克希霍夫定律E/A=Eb该式与黑度的定义式比较可得:A=ε上式表明灰体的吸收率在数值上等于同温度下的黑度。因此,物体的吸收率越大,其辐射能力也越大。也就是说,善于吸收的物体必善于辐射。(1)两个灰体表面构成的封闭空间由物体1和物体2的表面构成的封闭空间如图所示。辐射传热量计算式:?S(T4?T4)Q?0112121S1?(1)(?1)?S?122注意在应用上式时,S为被围住的小物体1的凸表面积,带有下标“1”的参数1均指小物体1的相关参数。下面对上式在具体场合的应用作一下简化。若两灰体表面构成两无限大平行平面,则S=S,有12?S(T4?T4)Q?01121211??1??12:..又若S<<S,即S/S≈0(例如在一个大1212房间内放置一个电炉),则有Q=?Sε(T4-T4)1201112该式表明大表面2的黑度对传热量没有影响。(2)平行放置的两有限表面平行放置的两有限表面间的辐射传热可用下式计算:Q=εε?SF(T4-T4)1212011212式中角系数F可从图2-13中查得。12[例2-8],炉内壁辐射换热面积为1m2,壁面温度为250℃,面包温度为100℃。假设炉壁和面包之间为封闭空间,求面包得到的辐射热量。,。解:本题属于两表面构成的封闭空间的辐射传热,用式?S(T4?T4)Q?0112121S1?(1)(?1)?S?122计算。其中S=,ε=,T=100+273=373K,111S=1m2,ε=,T=250+273=523K。?10?8??(3734?5234)Q????()(?1)负号表示热量由大表面2(炉壁)传给小表面1(面包)。[例2-9]热空气在内径为408mm的钢管中流过。在钢管的中部装置一热电偶以测量空气的温度,热电偶的温度读数为220℃,钢管内壁面温度为110℃。求因热电偶的热接头向管壁的辐射传热而引起的热电偶读数误差。,空气向热电偶热接头的对流传热系数为52W/(m2〃K)。解:设热电偶接头的表面积为S,管道内表面积为S,显然,S<<S。可用式1212Q=?Sε(T4-T4)1201112或q=Q/S=?ε(T4-T4)121210112计算。其中ε=,T=220+273=493K,11T=110+273=383K2带入可得q=×10-8××(4934-3834)12=1704W/m2在稳定传热过程中,热电偶接头向管壁辐射传递的热量等于空气由对流传热传递给热电偶接头的热量,即:..q=q=α(T-T)12a1∴1704=52×(T-493)a解得T==℃a热电偶的读数误差=[(220-)/]×100%=-13%,热损失为对流传热和辐射传热之和。由对流传热而损失的热量为:Q=αS(T-T)ccwwa由辐射传热而损失的热量(假定设备被周围很大的环境所包围)为:Q=ε?S(T4-T4)Rw0wwa式中S为设备的外壁面积,m2。w将其表示成对流传热的形式,有:Q=αS(T-T)RRwwa式中α为辐射传热系数。R设备的总热损失为:Q=Q+Q=(α+α)S(T-T)cRcRwwa或Q=αS(T-T)Twwa式中:α=α+α称为对流-辐射综合传热系数。TcR综合传热系数α的计算式:T(1)空气自然对流在平壁保温层外:α=+(T-T)Twa在圆筒形壁保温层外:α=+(T-T)Twa上两式适用于T<150℃的场合。w(2)空气沿粗糙壁面强制对流当空气流速u≤5m/s时:α=+>5m/s时:α=[例2-10]外径为194mm的蒸汽管道,/(m〃K)的保温材料。管道的外壁面温度为133℃,保温层外表面温度要求不超过40℃,周围环境温度为20℃,求保温层的厚度应为多少?解:圆筒壁:α=+(T-T)Twa=+(40-20)=/(m2〃K)设加了保温层以后的管道外径为d,则单位管长的热损失为0Q/L=α(πd)(T-T)LT0wa=×πd×(40-20)=653d00在稳定传热过程中,该热损失必等于通过保温层导出的热量,故有Q/L=2πλ(T-T)/ln(d/d)Lw0:..=2π××(133-40)/ln(d/)0=653d0解得d==(d-d)/2=(-)/20===W(H-H)hh1h2=W(H-H)+Qcc2c1L式中Q-换热器的热负荷,W;Q-换热器的热损失,W。L若换热器中两流体均无相变化,则可表示为:Q=WC(T-T)hphh1h2=WC(T-T)+Q2c1L式中:C-流体的平均定压比热容,J/(kg〃K);pW-热流体的质量流量,kg/s;hWc-冷流体的质量流量,kg/s;T、T分别为热流体和冷流体的温度,℃。hc-若换热器中热流体有相变,则Q=W[r+C(T-T)]hphsh2=WC(T-T)+Q2c1L式中:C-冷凝液的比热容,J/(kg〃K);T-冷凝液的饱和温度,℃。phs当冷凝液在饱和温度下排出时,T=T。h2s此时,有Q=Wr=WC(T-T)+Q2c1L注意:在无特别说明时可认为Q=0,和T=T。,总传热速率方程可写成Q=KSΔTm式中:K-换热器的总传热系数,W/(m2〃K);ΔT-换热器间壁两侧流体的平均温差,℃;mS-换热器的总传热面积,m2。需要注意的是:对换热面为圆管的换热器,管子内外表面的面积不同,若以外(内)表面积为基准,则传热面积以S(S)表示,总传热系数以K(K)表示。0i0i一般换热器上所标的面积是以外表面积为基准。、传热过程的操作条件和换热器的类型等。通常K值的来源有3个方面:(1)生产实际的经验数据在有关手册中,列有某些情况下K的经验值,可供设计时参考。表2-12给出了:..在列管式换热器中的传热系数K的经验值。(2)实验测定对现有的换热器,通过实验测定有关的数据,如设备的尺寸、流体的流量和温度等,再用总传热速率方程式计算K值:K=Q/(SΔT)m(3)直接计算先利用前面介绍过的方法计算流体的对流传热系数,然后再用下面的方法计算K值。,假定换热面两侧为恒温差传热(两侧流体均发生相变)。稳定传热时,通过各传热介质的热量相等,即:Q=Q=Q=Qicond0或Q=α(2πrL)(T-T)iihhw=(2πλL)(T-T)/Ln(r/r)hwcw0i=α(2πrL)(T-T)00cwc或2?L(T?T)2?L(T?T)2?L(T?T)Q?hhw?hwcw?cwc11r1Ln0?r?r?riii00应用数学上的加比定律,得:2?L(T?T)Q?hc11r1?Ln0??r?r?riii00若分子、分母同乘以r,则得:02?rL(T?T)Q?0hcrrr10?0Ln0??r?r?iii01?S(T?T)?KS(T?T)R0hc00hc0显然:..11K??0Rrrr100?0Ln0??r?r?iii0同理可得:11K??iR1rrri0ii?Ln???r?rii00对于平壁:1K?1b1?????i0rriLn0注意:管壁很薄是指可看作平壁;管壁热阻可忽略是指?r(或irr0Ln0?r)=0。,传热壁面上常常积存一层污垢,对传热产生附加热阻,称为污垢热阻,使传热系数降低。一些常见流体的污垢热阻值列于附录中。若管壁内