蒸汽管回转干燥机传热系数研究
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第 37 卷 第 2 期 石 油 化 工 设 备 Vol1 37 No1 2 2008 年 3 月 PETRO2C H EMICAL EQU IPM EN T Mar1 2008 文章编号 : 100027466 (2008) 0220008204
与湿物料进行热量交换的蒸汽管大部分被湿物 料所包围 ,蒸汽管内饱和蒸汽放热后形成的冷凝液 聚集在蒸汽管底部 ,对每个蒸汽管而言 ,蒸汽管底部 的传热效果最差 ,因此 ,选择蒸汽管底部作为研究对 象 。单根 蒸 汽 管 底 部 的 传 热 过 程 及 热 路 分 析 见 图 1。
收稿日期 : 2007211209 作者简介 : 岳永飞 (19702) ,男 ,甘肃会宁人 ,高级工程师 ,在读工程硕士研究生 ,主要从事干燥技术的开发与研究工作 。
根据给出的条件 ,经过推导求解可得通过圆管
壁的导热热流率为[1 ,3] :
q=
Tw1 - Tw0
2π1λll n
d2 d1
=ΔRλT
(9)
其中
Rλ = 2π1λlln
d2 d1
(10)
式中 , Tw1 、Tw2 分别为圆管壁内 、外管壁温度 , K ; d1 、
d2 分别为圆管内 、外管直径 , l 为圆管长度 , m ;λ为
表 2 某蒸汽管回转干燥机热阻计算结果 K/ W
凝结热阻 3. 803 ×10 - 6
污垢热阻 1. 58 ×10 - 5
管壁热阻 7. 83 ×10 - 6
物料传热热阻 9. 03 ×10 - 4
可见温度沿蒸汽管半径 r 方向的变化为一直 线 ,即 :
d d
T r
=
Tw1 r2 -
Tw0 r1
=
Tw1 - Tw0 b
(6)
式中 , r1 和 r2 分别为蒸汽管的内 、外半径 , b 为污垢
层厚度 ,m ; Tw0 、Tw1 分别为污垢层内 、外壁温度 , K。
将式 (6) 代入傅立叶定律得 :
圆管材质的导热系数 ,W/ ( m ·K) ; q 为通过圆管壁
的热流密度 ,W/ m2 ; Rλ 为长度为 l 的单层圆管壁导
热热阻 , K/ W 。
因此 ,蒸汽管的管壁热阻为 :
R3
=
Rλ = 2π1λlln
d2 d1
(11)
1. 5 物料传热热阻
由于物料在干燥过程中处于动态流动 ,且物料
中的湿含量也在不断变化 。随着湿含量的不同 ,物
第 2 期 岳永飞 ,等 :蒸汽管回转干燥机传热系数研究
·9 ·
图 1 蒸汽管回转干燥机蒸汽管底部传热示图及热路分析
从图 1a 可以看出蒸汽管的传热过程为 ,饱和蒸
汽冷凝放出热量 ,该过程为相变传热 ,放出的热量经
过凝液层 、污垢层 、蒸汽管壁层传递到湿物料表面 ,
再由湿物料表面传到物料内部 ,从而使湿物料中的
石 油 化 工 设 备 2008 年 第 37 卷
(a) 单层平壁导热图 (b) 热路图 图 3 单层平壁导热示图
因此 ,蒸汽管的污垢热阻为 :
R2
=
Rw
=λw
b A
w
(8)
1. 4 管壁热阻
管壁热阻指热量传过干燥机的蒸汽管管壁时
的导热热阻 ,蒸汽管回转干燥机的蒸汽管是通有 饱和蒸汽的圆形钢管 ,其管壁可以看作是一个内 、 外半径分别为 r1 和 r2 、长度为 1 的圆管壁 ,无内热 源 ,内外两侧表面分别维持均匀稳定的温度 Tw1 和 Tw2 ,且 Tw1 > Tw2 ,见图 4 。圆管壁材料的导热系数 为常数 。
(a) 单层圆管壁导热图 (b) 热路图 图 4 单层圆管壁导热示图
于管内壁面膜状凝结换热 ,见图 2 。 鉴于蒸汽管回转干燥机中蒸汽流速不大 ,并假
设凝液能够顺畅排出 ,因此凝结传热膜系数可近似 地按管外凝结情况进行估算 。而水平单管外冷凝传
热膜系数可根据努塞尔公式进行计算[2] :
αL = 01 725
rGρL 2 gλL 3 μL diΔ TL
1 4
(4)
பைடு நூலகம்
式中 ,αL 为凝结平均传热膜系数 , W/ ( m2 ·K) ;λL 为液 相 导 热 系 数 , W/ ( m ·K) ;μL 为 液 相 粘 度 , Pa ·s ; rG 为饱和蒸汽的冷凝潜热 ,J / kg ;ρL 为液相 密度 , kg/ m3 ; di 为 管 子 内 径 , m ;Δ TL = Ts - TL , Δ TL 为跨过液膜的温度差 , TL 为饱和蒸汽和壁面 的温度 , K ; g 为重力加速度 , g = 9. 8 m/ s2 。
蒸汽管回转干燥机传热系数研究
岳永飞1 , 孙中心2 , 刘永忠1
(1. 西安交通大学 , 陕西 西安 710049 ; 2. 天华化工机械及自动化研究设计院 , 甘肃 兰州 730060)
摘要 : 通过对蒸汽管回转干燥机传热机理的理论分析 ,以工业数据为基础 ,对影响传热的各种因素 进行了系统分析 ,建立了可用于大型化工业干燥机设计的传热系数的数学关联模型 ,并由工业应用 实例的数据验证了其可靠性 。 关键词 : 蒸汽管回转干燥机 ; 传热系数 ; 关联模型 中图分类号 : TQ 051. 62 文献标志码 : A
Φ=
- λw A w
dT dr
=λw A w
Tw1 - Tw0 = b
Tw1
b
Tw0
=ΔR mT
(7)
λw A w
式中 ,λw 为污垢层的导热系数 , W/ ( m ·K) ; Aw 为
污垢层的导热面积 ,m2 ;Φ为通过污垢层的热流量 ,
W ; Rw 为污垢层的导热热阻 , K/ W 。
·10 ·
2. Tianhua Instit ute of Chemical Machinery and A uto matio n , Lanzho u 730060 , China)
Abstract : Vario us factors t hro ugh t heoretical analysis of steam t ube rotary dryer and indust ry data analyzed. Mat hematic co rrelative model of heat t ransfer used in large2scale indust ry dryer was
蒸汽管回转干燥机是一种热传导型干燥设备 , 以前主要应用于石化行业中 HDP E、C TA 、P TA 等 物料的干燥 ,其体积相对较小 。近年来 ,蒸汽管回转 干燥机的市场需求出现了两种趋势 ,一方面其应用 领域不断扩大 ,除传统领域的应用外 ,还应用于铜精 矿粉 、煤粉 、PIA 等物料的干燥 。另一方面 ,由于被 干燥物料的产量大 、初始湿含量高 ,使蒸汽管回转干 燥机向大型化或超大型化方向发展 。但是 ,相对市 场需求的快速变化 ,蒸汽管回转干燥机的理论研究 比较滞后 ,其主要表现在以下方面 。
established. The reliabilit y of model was demo nst rated in indust ry applicatio n.
Key words : steam t ube rotary dryer ; heat t ransfer coefficient ; correlative model
Study on the Heat Transfer Coeff icient of Steam Tube in Rotary Dryer Y UE Yong2fei1 , SUN Zhong2xin2 , L IU Yong2zhong1 (1. Xi’an J iaoto ng U niversit y , Xi’an 710049 , China ;
热系数 ,W/ (m2 ·K) 。
联立式 (1) 和式 (2) ,可得 :
ΣR
=
1 A s Ks
=
R1
+
R2
+
R3
+
R4
(3)
1. 2 凝结热阻
蒸汽管回转干燥机的蒸汽管一般采用不锈钢材
质 ,不作特殊处理 。同时 ,凝结换热的表面较小 ,液 膜的流速也低 ,因此 ,饱和蒸汽的冷凝过程主要是膜 状凝结 。蒸汽管回转干燥机中的蒸汽管冷凝换热属
(1) 在市场需求出现上述 2 种趋势的变化以前 , 由于蒸汽管回转干燥机的应用范围较小 ,设备的设 计依靠工程经验就可以满足工艺要求 ,对干燥机的 传热 、干燥机理缺乏系统研究 ,没有成熟可靠的数学 模型 。
(2) 在市场需求出现变化以后 ,对大型化蒸汽管 回转干燥机的蒸汽分配系统 、凝液排放系统及传动
48 饱和蒸汽温度/ ℃ 0. 02 饱和蒸汽用量/ kg ·h - 1
设备转速/ r ·min - 1 3. 5
传热面积/ m2
1 600
P TA 88 000 80 000 10. 2 8 000
100 130 160 12 200 (计算值)
根据文中的计算公式和已知数据 ,计算出各热 阻的数值 ,见表 2 。
湿分蒸发 。因此 ,整个传热过程包括凝结热阻 、污垢
热阻 、管壁热阻以及物料的传热热阻共 4 个热阻 。
这些热阻以串联形式连接 (图 1b) 。根据傅立叶定
律与欧姆定律之间的相似性 ,通过蒸汽管的热流量
可表示为[1 ] :
Φ=ΔΣRT
=
R1
+
Ts R2
+
T′ R3 +
R4
(1)
式中 ,Φ为通过蒸汽管管壁的热流量 , W ; Ts 为饱和
表 1 某蒸汽管回转干燥机的相关参数
设备参数
筒体直径/ m 筒体长度/ m 蒸汽管直径/ mm 第一层 第二层 第三层 第四层 蒸汽管数量/ 根 筒体倾斜度
操作参数
3. 8 干燥物料 24 进料量/ kg ·h - 1
产量/ kg ·h - 1 141. 3 进口湿含量/ % 114. 3 湿分蒸发量/ kg ·h - 1 101. 6 物料进口温度/ ℃ 88. 9 产品出口温度/ ℃
蒸汽的温度 , T′为物料平均温度 ,Δ T 为传热温差 ,
K ; R1 为凝结传热热阻 , R2 为污垢传热热阻 , R3 为
管壁传热热阻 , R4 为物料传热热阻 , ∑R 为总传热
热阻 , K/ W 。
热流量还可表示为[1 ] :
Φ=Δ T A s Ks
(2)
式中 , A s 为热传导传热面积 ,m2 ; Ks 为蒸汽管总传
因此 ,单根蒸汽管的凝结热阻为 :
R1 =πd1i lαL
(5)
式中 , l 为管子长度 ,m 。
图 2 水平管凝结层状流简图
1. 3 污垢热阻
污垢热阻是指设备运行一段时间后 ,在管壁上 形成的一层水垢等杂物 ,对传热的影响 ,相对液相流 体来说 ,饱和水蒸气产生污垢的速率要小一些 。
由于蒸汽管回转干燥的污垢层一般很薄 ,因此 , 污垢层的导热可以近似为平壁的稳态导热 ,单层平 壁稳态导热示意图见图 3 。若污垢层的导热系数取 恒定值 ,按一维稳态导热[1 ] ,有 d2 T/ d r2 = 0 ,则 d T/ d r 为常数 。
料的状态也有所不同 ,因此 ,其传热过程影响因素非
常复杂 ,无法用理论解析的方法进行计算 ,只能通过
间接方式进行计算 。根据式 (3) 可得 :
R4 =ΣR - R1 - R2 - R3
(12)
一般根据试验值或工业标定值可以计算物料的
传热系数 。
2 热阻对蒸汽管回转干燥传热系数影响的 比较
通过前面的讨论可以看出 ,蒸汽管回转干燥 机综合传热系数的总热阻主要由 4 部分组成 ,即 凝结热阻 、污垢热阻 、管壁热阻和物料传热热阻 。 下面以某一工业标定的运行数据为例 ,分析每种 热阻对综合传热系数的影响程度 。某蒸汽管回转 干燥机的相关参数见表 1 。凝结热阻 、污垢热阻和 管壁热阻的大小都与蒸汽管的大小有关 ,为了简 化计算 ,文中均以 141. 3 mm 的单根蒸汽管为例进 行计算 。
系统等关键技术的研究不足 ,影响大型化干燥机运 行的平稳性和可靠性 。
文中对蒸汽管回转干燥机的传热系数进行了系 统研究 ,并建立了可用于工业设计的数学关联模型 。
1 传热机理和热阻分析
1. 1 传热机理
蒸汽管回转干燥机的传热主要是饱和蒸汽通过 圆形蒸汽管与湿物料进行热传导换热 ,其传热系数 主要由热传导传热系数组成 。
与湿物料进行热量交换的蒸汽管大部分被湿物 料所包围 ,蒸汽管内饱和蒸汽放热后形成的冷凝液 聚集在蒸汽管底部 ,对每个蒸汽管而言 ,蒸汽管底部 的传热效果最差 ,因此 ,选择蒸汽管底部作为研究对 象 。单根 蒸 汽 管 底 部 的 传 热 过 程 及 热 路 分 析 见 图 1。
收稿日期 : 2007211209 作者简介 : 岳永飞 (19702) ,男 ,甘肃会宁人 ,高级工程师 ,在读工程硕士研究生 ,主要从事干燥技术的开发与研究工作 。
根据给出的条件 ,经过推导求解可得通过圆管
壁的导热热流率为[1 ,3] :
q=
Tw1 - Tw0
2π1λll n
d2 d1
=ΔRλT
(9)
其中
Rλ = 2π1λlln
d2 d1
(10)
式中 , Tw1 、Tw2 分别为圆管壁内 、外管壁温度 , K ; d1 、
d2 分别为圆管内 、外管直径 , l 为圆管长度 , m ;λ为
表 2 某蒸汽管回转干燥机热阻计算结果 K/ W
凝结热阻 3. 803 ×10 - 6
污垢热阻 1. 58 ×10 - 5
管壁热阻 7. 83 ×10 - 6
物料传热热阻 9. 03 ×10 - 4
可见温度沿蒸汽管半径 r 方向的变化为一直 线 ,即 :
d d
T r
=
Tw1 r2 -
Tw0 r1
=
Tw1 - Tw0 b
(6)
式中 , r1 和 r2 分别为蒸汽管的内 、外半径 , b 为污垢
层厚度 ,m ; Tw0 、Tw1 分别为污垢层内 、外壁温度 , K。
将式 (6) 代入傅立叶定律得 :
圆管材质的导热系数 ,W/ ( m ·K) ; q 为通过圆管壁
的热流密度 ,W/ m2 ; Rλ 为长度为 l 的单层圆管壁导
热热阻 , K/ W 。
因此 ,蒸汽管的管壁热阻为 :
R3
=
Rλ = 2π1λlln
d2 d1
(11)
1. 5 物料传热热阻
由于物料在干燥过程中处于动态流动 ,且物料
中的湿含量也在不断变化 。随着湿含量的不同 ,物
第 2 期 岳永飞 ,等 :蒸汽管回转干燥机传热系数研究
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图 1 蒸汽管回转干燥机蒸汽管底部传热示图及热路分析
从图 1a 可以看出蒸汽管的传热过程为 ,饱和蒸
汽冷凝放出热量 ,该过程为相变传热 ,放出的热量经
过凝液层 、污垢层 、蒸汽管壁层传递到湿物料表面 ,
再由湿物料表面传到物料内部 ,从而使湿物料中的
石 油 化 工 设 备 2008 年 第 37 卷
(a) 单层平壁导热图 (b) 热路图 图 3 单层平壁导热示图
因此 ,蒸汽管的污垢热阻为 :
R2
=
Rw
=λw
b A
w
(8)
1. 4 管壁热阻
管壁热阻指热量传过干燥机的蒸汽管管壁时
的导热热阻 ,蒸汽管回转干燥机的蒸汽管是通有 饱和蒸汽的圆形钢管 ,其管壁可以看作是一个内 、 外半径分别为 r1 和 r2 、长度为 1 的圆管壁 ,无内热 源 ,内外两侧表面分别维持均匀稳定的温度 Tw1 和 Tw2 ,且 Tw1 > Tw2 ,见图 4 。圆管壁材料的导热系数 为常数 。
(a) 单层圆管壁导热图 (b) 热路图 图 4 单层圆管壁导热示图
于管内壁面膜状凝结换热 ,见图 2 。 鉴于蒸汽管回转干燥机中蒸汽流速不大 ,并假
设凝液能够顺畅排出 ,因此凝结传热膜系数可近似 地按管外凝结情况进行估算 。而水平单管外冷凝传
热膜系数可根据努塞尔公式进行计算[2] :
αL = 01 725
rGρL 2 gλL 3 μL diΔ TL
1 4
(4)
பைடு நூலகம்
式中 ,αL 为凝结平均传热膜系数 , W/ ( m2 ·K) ;λL 为液 相 导 热 系 数 , W/ ( m ·K) ;μL 为 液 相 粘 度 , Pa ·s ; rG 为饱和蒸汽的冷凝潜热 ,J / kg ;ρL 为液相 密度 , kg/ m3 ; di 为 管 子 内 径 , m ;Δ TL = Ts - TL , Δ TL 为跨过液膜的温度差 , TL 为饱和蒸汽和壁面 的温度 , K ; g 为重力加速度 , g = 9. 8 m/ s2 。
蒸汽管回转干燥机传热系数研究
岳永飞1 , 孙中心2 , 刘永忠1
(1. 西安交通大学 , 陕西 西安 710049 ; 2. 天华化工机械及自动化研究设计院 , 甘肃 兰州 730060)
摘要 : 通过对蒸汽管回转干燥机传热机理的理论分析 ,以工业数据为基础 ,对影响传热的各种因素 进行了系统分析 ,建立了可用于大型化工业干燥机设计的传热系数的数学关联模型 ,并由工业应用 实例的数据验证了其可靠性 。 关键词 : 蒸汽管回转干燥机 ; 传热系数 ; 关联模型 中图分类号 : TQ 051. 62 文献标志码 : A
Φ=
- λw A w
dT dr
=λw A w
Tw1 - Tw0 = b
Tw1
b
Tw0
=ΔR mT
(7)
λw A w
式中 ,λw 为污垢层的导热系数 , W/ ( m ·K) ; Aw 为
污垢层的导热面积 ,m2 ;Φ为通过污垢层的热流量 ,
W ; Rw 为污垢层的导热热阻 , K/ W 。
·10 ·
2. Tianhua Instit ute of Chemical Machinery and A uto matio n , Lanzho u 730060 , China)
Abstract : Vario us factors t hro ugh t heoretical analysis of steam t ube rotary dryer and indust ry data analyzed. Mat hematic co rrelative model of heat t ransfer used in large2scale indust ry dryer was
蒸汽管回转干燥机是一种热传导型干燥设备 , 以前主要应用于石化行业中 HDP E、C TA 、P TA 等 物料的干燥 ,其体积相对较小 。近年来 ,蒸汽管回转 干燥机的市场需求出现了两种趋势 ,一方面其应用 领域不断扩大 ,除传统领域的应用外 ,还应用于铜精 矿粉 、煤粉 、PIA 等物料的干燥 。另一方面 ,由于被 干燥物料的产量大 、初始湿含量高 ,使蒸汽管回转干 燥机向大型化或超大型化方向发展 。但是 ,相对市 场需求的快速变化 ,蒸汽管回转干燥机的理论研究 比较滞后 ,其主要表现在以下方面 。
established. The reliabilit y of model was demo nst rated in indust ry applicatio n.
Key words : steam t ube rotary dryer ; heat t ransfer coefficient ; correlative model
Study on the Heat Transfer Coeff icient of Steam Tube in Rotary Dryer Y UE Yong2fei1 , SUN Zhong2xin2 , L IU Yong2zhong1 (1. Xi’an J iaoto ng U niversit y , Xi’an 710049 , China ;
热系数 ,W/ (m2 ·K) 。
联立式 (1) 和式 (2) ,可得 :
ΣR
=
1 A s Ks
=
R1
+
R2
+
R3
+
R4
(3)
1. 2 凝结热阻
蒸汽管回转干燥机的蒸汽管一般采用不锈钢材
质 ,不作特殊处理 。同时 ,凝结换热的表面较小 ,液 膜的流速也低 ,因此 ,饱和蒸汽的冷凝过程主要是膜 状凝结 。蒸汽管回转干燥机中的蒸汽管冷凝换热属
(1) 在市场需求出现上述 2 种趋势的变化以前 , 由于蒸汽管回转干燥机的应用范围较小 ,设备的设 计依靠工程经验就可以满足工艺要求 ,对干燥机的 传热 、干燥机理缺乏系统研究 ,没有成熟可靠的数学 模型 。
(2) 在市场需求出现变化以后 ,对大型化蒸汽管 回转干燥机的蒸汽分配系统 、凝液排放系统及传动
48 饱和蒸汽温度/ ℃ 0. 02 饱和蒸汽用量/ kg ·h - 1
设备转速/ r ·min - 1 3. 5
传热面积/ m2
1 600
P TA 88 000 80 000 10. 2 8 000
100 130 160 12 200 (计算值)
根据文中的计算公式和已知数据 ,计算出各热 阻的数值 ,见表 2 。
湿分蒸发 。因此 ,整个传热过程包括凝结热阻 、污垢
热阻 、管壁热阻以及物料的传热热阻共 4 个热阻 。
这些热阻以串联形式连接 (图 1b) 。根据傅立叶定
律与欧姆定律之间的相似性 ,通过蒸汽管的热流量
可表示为[1 ] :
Φ=ΔΣRT
=
R1
+
Ts R2
+
T′ R3 +
R4
(1)
式中 ,Φ为通过蒸汽管管壁的热流量 , W ; Ts 为饱和
表 1 某蒸汽管回转干燥机的相关参数
设备参数
筒体直径/ m 筒体长度/ m 蒸汽管直径/ mm 第一层 第二层 第三层 第四层 蒸汽管数量/ 根 筒体倾斜度
操作参数
3. 8 干燥物料 24 进料量/ kg ·h - 1
产量/ kg ·h - 1 141. 3 进口湿含量/ % 114. 3 湿分蒸发量/ kg ·h - 1 101. 6 物料进口温度/ ℃ 88. 9 产品出口温度/ ℃
蒸汽的温度 , T′为物料平均温度 ,Δ T 为传热温差 ,
K ; R1 为凝结传热热阻 , R2 为污垢传热热阻 , R3 为
管壁传热热阻 , R4 为物料传热热阻 , ∑R 为总传热
热阻 , K/ W 。
热流量还可表示为[1 ] :
Φ=Δ T A s Ks
(2)
式中 , A s 为热传导传热面积 ,m2 ; Ks 为蒸汽管总传
因此 ,单根蒸汽管的凝结热阻为 :
R1 =πd1i lαL
(5)
式中 , l 为管子长度 ,m 。
图 2 水平管凝结层状流简图
1. 3 污垢热阻
污垢热阻是指设备运行一段时间后 ,在管壁上 形成的一层水垢等杂物 ,对传热的影响 ,相对液相流 体来说 ,饱和水蒸气产生污垢的速率要小一些 。
由于蒸汽管回转干燥的污垢层一般很薄 ,因此 , 污垢层的导热可以近似为平壁的稳态导热 ,单层平 壁稳态导热示意图见图 3 。若污垢层的导热系数取 恒定值 ,按一维稳态导热[1 ] ,有 d2 T/ d r2 = 0 ,则 d T/ d r 为常数 。
料的状态也有所不同 ,因此 ,其传热过程影响因素非
常复杂 ,无法用理论解析的方法进行计算 ,只能通过
间接方式进行计算 。根据式 (3) 可得 :
R4 =ΣR - R1 - R2 - R3
(12)
一般根据试验值或工业标定值可以计算物料的
传热系数 。
2 热阻对蒸汽管回转干燥传热系数影响的 比较
通过前面的讨论可以看出 ,蒸汽管回转干燥 机综合传热系数的总热阻主要由 4 部分组成 ,即 凝结热阻 、污垢热阻 、管壁热阻和物料传热热阻 。 下面以某一工业标定的运行数据为例 ,分析每种 热阻对综合传热系数的影响程度 。某蒸汽管回转 干燥机的相关参数见表 1 。凝结热阻 、污垢热阻和 管壁热阻的大小都与蒸汽管的大小有关 ,为了简 化计算 ,文中均以 141. 3 mm 的单根蒸汽管为例进 行计算 。
系统等关键技术的研究不足 ,影响大型化干燥机运 行的平稳性和可靠性 。
文中对蒸汽管回转干燥机的传热系数进行了系 统研究 ,并建立了可用于工业设计的数学关联模型 。
1 传热机理和热阻分析
1. 1 传热机理
蒸汽管回转干燥机的传热主要是饱和蒸汽通过 圆形蒸汽管与湿物料进行热传导换热 ,其传热系数 主要由热传导传热系数组成 。