化工原理之傳熱

1、第四章第四章 傳熱傳熱 本章重點(diǎn)和難點(diǎn)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)n掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；掌握導(dǎo)熱、對(duì)流換熱的基本規(guī)律及計(jì)算方法；n熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；熟悉各種熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；n掌握穩(wěn)定綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算；掌握穩(wěn)定綜合傳熱過(guò)程的計(jì)算；1.了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。了解強(qiáng)化傳熱和熱絕緣的措施。4.14.1概述概述n化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)通常是在一定的溫度下進(jìn)行的，為此需向化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)通常是在一定的溫度下進(jìn)行的，為此需向反應(yīng)物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；反?yīng)物加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?；n而反應(yīng)后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單元操作中，如蒸而反應(yīng)后的產(chǎn)物常需冷卻以移去熱量。在其他單

2、元操作中，如蒸餾、吸收、干燥等，物料都有一定的溫度要求，需要加入或輸出餾、吸收、干燥等，物料都有一定的溫度要求，需要加入或輸出熱量。熱量。n此外，高溫或低溫下操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它此外，高溫或低溫下操作的設(shè)備和管道都要求保溫，以便減少它們和外界的傳熱。們和外界的傳熱。n近十多年來(lái)，隨能源價(jià)格的不斷上升和對(duì)環(huán)保要求增加，熱量的近十多年來(lái)，隨能源價(jià)格的不斷上升和對(duì)環(huán)保要求增加，熱量的合理利用和廢熱的回收越來(lái)越得到人們的重視。合理利用和廢熱的回收越來(lái)越得到人們的重視?；?duì)傳熱過(guò)程有兩方面的要求：化工對(duì)傳熱過(guò)程有兩方面的要求：（1 1）強(qiáng)化傳熱過(guò)程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物料，希望以

3、高傳熱速率）強(qiáng)化傳熱過(guò)程：在傳熱設(shè)備中加熱或冷卻物料，希望以高傳熱速率來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，使物料達(dá)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備來(lái)進(jìn)行熱量傳遞，使物料達(dá)到指定溫度或回收熱量，同時(shí)使傳熱設(shè)備緊湊，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。緊湊，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。（2 2）削弱傳熱過(guò)程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)行保溫，以減少熱損失。）削弱傳熱過(guò)程：如對(duì)高低溫設(shè)備或管道進(jìn)行保溫，以減少熱損失。 一般來(lái)說(shuō)，傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中可占到一般來(lái)說(shuō)，傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中可占到40%40%左右，傳熱是化工左右，傳熱是化工中重要的單元操作之一，了解和掌握傳熱的基本規(guī)律，在化學(xué)工程中中重要的單元操作之一，了解和掌握傳熱的基本規(guī)律，在化

4、學(xué)工程中具有很重要的意義。具有很重要的意義。4.1.14.1.1傳熱的基本方式傳熱的基本方式 熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：不同，傳熱的基本方式有三種：n熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(conduction);(conduction);n對(duì)流對(duì)流(convection);(convection);1.1.輻射輻射(radiation)(radiation)。（一）（一） 熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱）熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） 一個(gè)物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部一個(gè)物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分

5、向低溫部分傳遞，直到個(gè)部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。分傳遞，直到個(gè)部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。 物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的機(jī)理因物質(zhì)種類不同物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的機(jī)理因物質(zhì)種類不同而異，具體為：而異，具體為：n固體金屬：自由電子運(yùn)動(dòng)在晶格之間；固體金屬：自由電子運(yùn)動(dòng)在晶格之間；n液體和非金屬固體：個(gè)別分子的動(dòng)量傳遞；液體和非金屬固體：個(gè)別分子的動(dòng)量傳遞；1.1.氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。（二）（二） 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引起的熱量交換，熱對(duì)熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移

6、而引起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生的相對(duì)位移。不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生的相對(duì)位移。 據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流與據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流與流體運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)，工程上通流體運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)常將流體與固體之間的熱交換稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳

7、導(dǎo)和熱對(duì)流。流。 （三）熱輻射（三）熱輻射 熱輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。一切物體都能熱輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。通常在高溫下熱以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。輻射才是主要方式。4.1.24.1.2傳熱過(guò)程中熱、冷流體熱交換方式傳熱過(guò)程中熱、冷流體熱交換方式 化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的情況是冷熱流體進(jìn)行熱交換。根據(jù)冷熱化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的情況是冷熱流體進(jìn)行熱交換。根據(jù)冷熱流體的接觸情況，工業(yè)上的傳熱過(guò)程可分為三大類：流體的接觸情況，工業(yè)上的傳熱過(guò)程可分為三大類：n直接接觸式直接接觸式n蓄熱式蓄熱

8、式1.1.間壁式間壁式（1 1）直接接觸式傳熱）直接接觸式傳熱 在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過(guò)直接混合的方式進(jìn)行熱在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過(guò)直接混合的方式進(jìn)行熱量交換，又稱為混合式傳熱。量交換，又稱為混合式傳熱。 優(yōu)點(diǎn)：方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用于熱氣體的水冷或熱優(yōu)點(diǎn)：方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。水的空氣冷卻。 缺點(diǎn)：在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。缺點(diǎn)：在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。（2 2）蓄熱式傳熱）蓄熱式傳熱 這種傳熱方式是冷、熱兩種流這種傳熱方式是冷、熱兩種流體交替通過(guò)同一蓄熱室時(shí)，即可通過(guò)體交替

9、通過(guò)同一蓄熱室時(shí)，即可通過(guò)填料將從熱流體來(lái)的熱量，傳遞給冷填料將從熱流體來(lái)的熱量，傳遞給冷流體，達(dá)到換熱目的。流體，達(dá)到換熱目的。 （2 2）蓄熱式傳熱）蓄熱式傳熱 n優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。用。1.1.缺點(diǎn)：由于填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較大，且兩種流體缺點(diǎn)：由于填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較大，且兩種流體交替時(shí)難免會(huì)有一定程度的混合。交替時(shí)難免會(huì)有一定程度的混合。（3 3）間壁式傳熱）間壁式傳熱n這類換熱器的特點(diǎn)是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁這類換熱器的特點(diǎn)是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁( (或石

10、墨等或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁導(dǎo)熱性能好的非金屬壁) )隔開(kāi)，以便使兩種流體在不相混合的情況隔開(kāi)，以便使兩種流體在不相混合的情況下進(jìn)行熱量傳遞。這類換熱器中以下進(jìn)行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式換熱器套管式換熱器和和列管式換熱器列管式換熱器為為典型設(shè)備。典型設(shè)備。1.1.套管換熱器是由兩根不同直徑的直管組成的同心套管。一種流體在套管換熱器是由兩根不同直徑的直管組成的同心套管。一種流體在內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)，而另一種流體在內(nèi)外管間的環(huán)隙中流動(dòng)，兩種流體通內(nèi)管內(nèi)流動(dòng)，而另一種流體在內(nèi)外管間的環(huán)隙中流動(dòng)，兩種流體通過(guò)內(nèi)管的管壁傳熱，即傳熱面為內(nèi)管壁的表面積。過(guò)內(nèi)管的管壁傳熱，即傳熱面為內(nèi)管壁的表面積。4.1

11、.34.1.3典型的間壁式換熱器典型的間壁式換熱器 套管式換熱器套管式換熱器11內(nèi)管內(nèi)管 22外管外管間壁式傳熱過(guò)程間壁式傳熱過(guò)程n熱流體以對(duì)流傳熱方式把熱量熱流體以對(duì)流傳熱方式把熱量Q1Q1傳遞給管壁內(nèi)側(cè)傳遞給管壁內(nèi)側(cè)n熱量熱量Q2Q2從管壁內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)以熱傳導(dǎo)從管壁內(nèi)側(cè)傳導(dǎo)以熱傳導(dǎo)方式傳遞給管壁的外側(cè)方式傳遞給管壁的外側(cè)n管壁外側(cè)以對(duì)流傳熱方式把熱量管壁外側(cè)以對(duì)流傳熱方式把熱量Q3Q3傳遞給冷流體傳遞給冷流體4.1.34.1.3典型的間壁式換熱器典型的間壁式換熱器單程列管式換熱器單程列管式換熱器1 1 外殼外殼 22管束管束 3 3、44接管接管 55封頭封頭 66管板管板 77擋板擋板 管程

12、流體管程流體殼程流體殼程流體雙程列管式換熱器雙程列管式換熱器11殼體殼體 22管束管束 33擋板擋板 44隔板隔板常用的折流擋板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種，前者更為常用。常用的折流擋板有圓缺形和圓盤(pán)形兩種，前者更為常用。U U型管式型管式 4.1.44.1.4傳熱速率和熱通量傳熱速率和熱通量傳熱速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量傳熱速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量Q,J/sQ,J/s或或W W。 熱通量：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的傳熱速率熱通量：?jiǎn)挝粋鳠崦娣e的傳熱速率q, q, 或或W/mW/m2 2。 d Qqd SJ / (s m )24.1.54.1.5穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱u 穩(wěn)態(tài)傳熱：

13、傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等有關(guān)物理量分穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度等有關(guān)物理量分布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的函數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的傳熱多布規(guī)律不隨時(shí)間而變，僅為位置的函數(shù)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。為穩(wěn)態(tài)傳熱。u 非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度有關(guān)物理量分非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中傳熱速率、熱通量及溫度有關(guān)物理量分布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是時(shí)間的函數(shù)。布規(guī)律不僅要隨位置而變，也是時(shí)間的函數(shù)。4.1.64.1.6載熱體及其選擇載熱體及其選擇熱載體：為了將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體熱載體：為了將冷流體加熱或熱流體冷卻，必須用另一種流體供給或取走

14、熱量，此流體稱為熱載體。供給或取走熱量，此流體稱為熱載體。起加熱作用的熱載體稱為加熱劑；而起冷卻作用的熱載體稱為起加熱作用的熱載體稱為加熱劑；而起冷卻作用的熱載體稱為冷卻劑。冷卻劑。4.1.64.1.6載熱體及其選擇載熱體及其選擇（1 1）加熱劑）加熱劑 工業(yè)中常用的有熱水（工業(yè)中常用的有熱水（4040100100）、飽和水蒸氣（）、飽和水蒸氣（100100180180）、）、 礦物油或聯(lián)苯或二苯醚混合物等低熔混合物（礦物油或聯(lián)苯或二苯醚混合物等低熔混合物（180180540540）、煙道氣）、煙道氣（50050010001000）等；除此外還可用電來(lái)加熱。）等；除此外還可用電來(lái)加熱。（2 2

15、）冷卻劑）冷卻劑 工業(yè)中常用的有水（工業(yè)中常用的有水（20203030）、空氣、冷凍鹽水、液氨（）、空氣、冷凍鹽水、液氨（-33.4-33.4）等等。等等。選擇原則：選擇原則：n載熱體的溫度易調(diào)節(jié)載熱體的溫度易調(diào)節(jié)n飽和蒸氣壓較低飽和蒸氣壓較低n不易分解不易分解n無(wú)毒、無(wú)腐蝕性無(wú)毒、無(wú)腐蝕性n安全安全1.價(jià)格價(jià)格4.24.2熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)4.2.14.2.1基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律一、溫度場(chǎng)和等溫面一、溫度場(chǎng)和等溫面溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻，物體（或空間）各點(diǎn)的溫度分布。溫度場(chǎng)：某一時(shí)刻，物體（或空間）各點(diǎn)的溫度分布。式中式中t t 某點(diǎn)的溫度，某點(diǎn)的溫度，；x,y,z x,y,z 某點(diǎn)

16、的坐標(biāo)；某點(diǎn)的坐標(biāo)； 時(shí)間。時(shí)間。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：任一點(diǎn)的溫度均不隨時(shí)間而改變的溫度場(chǎng)。等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。不同溫度的等溫面不相交。不同溫度的等溫面不相交。, , ,tf x y z（） 溫度梯度溫度梯度：兩等溫面的溫度差：兩等溫面的溫度差 t t與其間的垂直距離與其間的垂直距離 n n之比，在之比，在 n n趨于零時(shí)的極限（即表示溫度場(chǎng)趨于零時(shí)的極限（即表示溫度場(chǎng)內(nèi)某一

17、點(diǎn)等溫面法線方向的溫度內(nèi)某一點(diǎn)等溫面法線方向的溫度變化率）。變化率）。ndSQt+ttt-tt/n溫度梯度溫度梯度ntnttgradn0lim4.2.14.2.1基本概念和傅立葉定律基本概念和傅立葉定律 傅立葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與該微傅立葉定律：某一微元的熱傳導(dǎo)速率（單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量）與該微元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。元等溫面的法向溫度梯度及該微元的導(dǎo)熱面積成正比。 dQ dQ 熱傳導(dǎo)速率，熱傳導(dǎo)速率，W W或或J/sJ/s； ds ds 導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m m2 2； 導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料導(dǎo)熱性能的

18、物性參數(shù) 越大，導(dǎo)熱性能越好，越大，導(dǎo)熱性能越好，W/(m)W/(m)或或W/(mK)W/(mK)。ddStQn 4.2.24.2.2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 物理意義：溫度梯度為物理意義：溫度梯度為1 1時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱通量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。通量；導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 從強(qiáng)化傳熱來(lái)看，選用從強(qiáng)化傳熱來(lái)看，選用 大的材料；相反要削弱傳熱，選用大的材料；相反要削弱傳熱，選用 小的小的材料。材料。 4.2.24.2.2導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) （1 1）固體）固體 所有固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。所有固體中，金

19、屬是最好的導(dǎo)熱體。（2 2）液體）液體 液體分為金屬液體和非金屬液體兩類，液體分為金屬液體和非金屬液體兩類，金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，隨著溫度的升高而降低。金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，隨著溫度的升高而降低。非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。純液體的導(dǎo)熱非金屬液體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大。系數(shù)比其溶液的要大。（3 3）氣體）氣體 氣體不利于導(dǎo)熱，但可用來(lái)保溫或隔熱。固體絕緣材料的導(dǎo)氣體不利于導(dǎo)熱，但可用來(lái)保溫或隔熱。固體絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)之所以小，是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，熱系數(shù)之所以小，是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有

20、大量空氣的緣故。孔隙中含有大量空氣的緣故。（4 4）一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)）一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)( (金屬固體金屬固體) () (非金屬固體非金屬固體) () (液體液體) ) ( (氣體氣體) )。4.2.34.2.3通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)n平壁壁厚為平壁壁厚為b b，壁面積為，壁面積為A A；n壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)壁的材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變不隨溫度變化，視為常數(shù)；化，視為常數(shù)；n平壁的溫度只沿著垂直于壁面的平壁的溫度只沿著垂直于壁面的x x軸方軸方向變化，故等溫面皆為垂直于向變化，故等溫面皆為垂直于x x軸的平軸的平行平面。行平面。1.1.平

21、壁側(cè)面的溫度平壁側(cè)面的溫度t t1 1及及t t2 2恒定。恒定。bt1t2Qtt1t2obx4.2.34.2.3通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)通過(guò)平壁的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)n假定各層壁的厚度分別為假定各層壁的厚度分別為b1b1，b2b2，b3b3，各，各層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為層材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)分別為11，22，33，皆視為常數(shù)；，皆視為常數(shù)；n層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上層與層之間接觸良好，相互接觸的表面上溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于溫度相等，各等溫面亦皆為垂直于x x軸的軸的平行平面。平行平面。n壁的面積為壁的面積為A A，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程中，穿過(guò)，在穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程中，穿過(guò)各層的熱量必相等。各層的熱量

22、必相等。tQRtqR4.2.44.2.4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為設(shè)圓筒的內(nèi)半徑為r r1 1，內(nèi)壁溫度為，內(nèi)壁溫度為t t1 1，外半徑為外半徑為r r2 2，外壁溫度為，外壁溫度為t t2 2。溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心溫度只沿半徑方向變化，等溫面為同心圓柱面。圓筒壁與平壁不同點(diǎn)是其面?zhèn)鲌A柱面。圓筒壁與平壁不同點(diǎn)是其面?zhèn)鳠犭S半徑而變化。熱隨半徑而變化。在半徑在半徑r r處取一厚度為處取一厚度為drdr的薄層，若圓的薄層，若圓筒的長(zhǎng)度為筒的長(zhǎng)度為L(zhǎng) L，則半徑為，則半徑為r r處的傳熱面積處的傳熱面積為為S=2rLS=2rL。Qt2t1r1rr2drL4.2

23、.44.2.4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)b= r2- r14.2.44.2.4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)n假定各層壁厚分別為假定各層壁厚分別為b b1 1= r= r2 2- r- r1 1，b b2 2=r=r3 3- r- r2 2，b b3 3=r=r4 4- r- r3 3；n各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)1 1，2 2，3 3皆皆視為常數(shù)；視為常數(shù)；n層與層之間接觸良好，相互接觸的表層與層之間接觸良好，相互接觸的表面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面溫度相等，各等溫面皆為同心圓柱面。面。r1r2r3r4t1t2t3t44.2.44.2.4圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)圓筒

24、壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo) 例題：有一蒸汽管道，外徑為例題：有一蒸汽管道，外徑為25mm25mm，管外包有兩層保溫材料，每層材，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚料均厚25mm25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比2 2/1 1=5=5，此時(shí)，此時(shí)單位時(shí)間的熱損失為單位時(shí)間的熱損失為Q Q；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度層外表面的溫度t t1 1、t t3 3不變，則此時(shí)熱損失為不變，則此時(shí)熱損失為QQ，求，求Q/Q=Q/Q=？ 例題：通過(guò)三層平壁熱傳導(dǎo)中，若測(cè)得各面的溫度例題：通過(guò)三層平壁熱傳導(dǎo)中，若

25、測(cè)得各面的溫度t t1 1、t t2 2、t t3 3和和t t4 4分別分別為為500500、400400、200200和和100100，試求各平壁層熱阻之比，假定各層，試求各平壁層熱阻之比，假定各層壁面間接觸良好壁面間接觸良好。4.34.3對(duì)流傳熱概述對(duì)流傳熱概述n 對(duì)流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。n 對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。n 實(shí)質(zhì)上對(duì)流傳熱是流體的對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。實(shí)質(zhì)上對(duì)流傳熱是流體的對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。4.34.3對(duì)流傳熱

26、概述對(duì)流傳熱概述流體無(wú)相變的對(duì)流的兩種方式：流體無(wú)相變的對(duì)流的兩種方式：強(qiáng)制對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流。自然對(duì)流：自然對(duì)流：由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)流稱為自然對(duì)流。 流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能流動(dòng)的原因不同，對(duì)流傳熱的規(guī)律也不同。在同一流體中有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。4.34.3對(duì)流傳熱概述對(duì)流傳熱概述流體有相變

27、的對(duì)流傳熱流體有相變的對(duì)流傳熱蒸氣冷凝蒸氣冷凝: :氣體在傳熱過(guò)程中全部或部分冷凝為液體。氣體在傳熱過(guò)程中全部或部分冷凝為液體。液體沸騰：在傳熱過(guò)程中，液體有汽化的現(xiàn)象。液體沸騰：在傳熱過(guò)程中，液體有汽化的現(xiàn)象。4.3.14.3.1對(duì)流傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介對(duì)流傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介流體作湍流流動(dòng)時(shí)，靠近壁面處流體作湍流流動(dòng)時(shí)，靠近壁面處流體流動(dòng)分別為層流底層、過(guò)渡流體流動(dòng)分別為層流底層、過(guò)渡層（緩沖層）、湍流核心。層（緩沖層）、湍流核心。4.3.14.3.1對(duì)流傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介對(duì)流傳熱機(jī)理簡(jiǎn)介層流底層：流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)的混合，溫層流底層：流體質(zhì)點(diǎn)只沿流動(dòng)方向上作一維運(yùn)動(dòng)，在傳熱方

28、向上無(wú)質(zhì)點(diǎn)的混合，溫度變化大，傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。度變化大，傳熱主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行。特點(diǎn)：導(dǎo)熱為主，熱阻大，溫差大。特點(diǎn)：導(dǎo)熱為主，熱阻大，溫差大。湍流核心：在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心，流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻?。?，湍流核心：在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心，流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度趨于一致（熱阻小），傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。傳熱主要以對(duì)流方式進(jìn)行。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)相互混合交換熱量，溫差小。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)相互混合交換熱量，溫差小。過(guò)渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱過(guò)渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式共同進(jìn)行。

29、傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式共同進(jìn)行。特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)混合，分子運(yùn)動(dòng)共同作用特點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)混合，分子運(yùn)動(dòng)共同作用, ,溫度變化平緩。溫度變化平緩。4.3.24.3.2對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱速率Q= S（T-Tw） Q Q對(duì)流傳熱速率，對(duì)流傳熱速率，W W； S S傳熱面積，傳熱面積，m m2 2tt對(duì)流傳熱溫度差，對(duì)流傳熱溫度差， t= T-Tt= T-TW W或或t= t-tt= t-tW W，； TT熱流體平均溫度，熱流體平均溫度，； T TW W與熱流體接觸的壁面溫度，與熱流體接觸的壁面溫度， t t冷流體的平均溫度，冷流體的平均溫度，； t tW W與冷流體接觸的壁面溫度，與冷流體接觸的壁面溫度，； 對(duì)流傳

30、熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)W/mW/m2 2KK（或（或W/mW/m2 2）。）。1SwTTtQR4.3.24.3.2對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱速率影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素1 1 流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多； 2 2 流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度、比熱、比熱c cp p、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、粘度等；等； 3 3 流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡

31、流或湍流； 4 4 流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流； 5 5 傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等管子排列方式、垂直放置或水平放置等。4.54.5對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式4.5.24.5.2對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素1 1 流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相變時(shí)流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變

32、化時(shí)大的多；對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多； 2 2 流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度、比熱、比熱c cp p、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、粘、粘度度等；等； 3 3 流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流； 4 4 流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流； 5 5 傳熱表面的形狀、位置及大小：如管、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻?、板、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等列方式、垂直放置或水平放置等。（1 1）定性溫度）定性溫度 由于沿流動(dòng)方向流體溫度的

33、逐漸變化，在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)就要取一個(gè)有代由于沿流動(dòng)方向流體溫度的逐漸變化，在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)就要取一個(gè)有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，這個(gè)確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為定性溫度。性溫度。 定性溫度的取法：定性溫度的取法：流體進(jìn)出口溫度的平均值流體進(jìn)出口溫度的平均值t tm m= =（t t2 2+t+t1 1）/2/2；膜溫膜溫t=t=（t+tt+tW W）/2/2。取壁面的溫度取壁面的溫度t tW W（2 2）特性尺寸）特性尺寸 它是代表?yè)Q熱面幾何特征的長(zhǎng)度量，通常選取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的它是代表?yè)Q熱面幾何特征的長(zhǎng)度量，通常選

34、取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。某一幾何尺寸。4.5.34.5.3流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流1 1圓形直管內(nèi)的湍流圓形直管內(nèi)的湍流2 2圓形直管內(nèi)的層流圓形直管內(nèi)的層流二、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流二、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流 1 1流體垂直流過(guò)管束流體垂直流過(guò)管束2 2流體在換熱器管殼間流動(dòng)流體在換熱器管殼間流動(dòng)三、大空間的自然對(duì)流傳熱三、大空間的自然對(duì)流傳熱1 1圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流0.80.023RePrnNu 0.80.023()()pncdud使用范圍：使用范圍：Re10000Re10000，0.

35、7Pr1600.7Pr160， 250L/d50注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：（1 1）定性溫度取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值）定性溫度取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值t tm m；（2 2）特征尺寸為管內(nèi)徑）特征尺寸為管內(nèi)徑d di i；（3 3）流體被加熱時(shí)，）流體被加熱時(shí)，n n0.40.4，流體被冷卻時(shí)，流體被冷卻時(shí)，n n0.30.3；（4 4）特征速度為管內(nèi)平均流速。）特征速度為管內(nèi)平均流速。上述上述n n取不同值的原因主要是溫度對(duì)近壁層流底層中流體粘度的影取不同值的原因主要是溫度對(duì)近壁層流底層中流體粘度的影響。響。當(dāng)管內(nèi)流體被加熱時(shí)，靠近管壁處層流底層的溫度高于流體當(dāng)管內(nèi)流體被加熱時(shí)，靠近管壁處

36、層流底層的溫度高于流體主體溫度；其粘度隨溫度升高而降低，液體被熱時(shí)層流底層主體溫度；其粘度隨溫度升高而降低，液體被熱時(shí)層流底層減薄，大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也有所減少，但不減薄，大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也有所減少，但不顯著，總的結(jié)果使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。流體被冷卻時(shí)，情況顯著，總的結(jié)果使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。流體被冷卻時(shí)，情況正好相反。正好相反。對(duì)于液體，大多數(shù)液體的對(duì)于液體，大多數(shù)液體的Pr1,Pr1,即即PrPr0.40.4PrPr0.30.3。因此，液體被。因此，液體被加熱時(shí)，加熱時(shí)，n n取取0.40.4；冷卻時(shí)，；冷卻時(shí)，n n取取0.30.3。對(duì)于氣體，其粘度隨溫度升高而增大

37、，氣體被加熱時(shí)層流底對(duì)于氣體，其粘度隨溫度升高而增大，氣體被加熱時(shí)層流底層增厚，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也略有升高，總的結(jié)果層增厚，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高也略有升高，總的結(jié)果使對(duì)流傳熱系數(shù)減少。氣體被加熱時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)必小于使對(duì)流傳熱系數(shù)減少。氣體被加熱時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)必小于冷卻時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。由于大多數(shù)氣體的冷卻時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。由于大多數(shù)氣體的Pr1Pr1，即，即PrPr0.40.4PrPr0.30.3，故同液體一樣，氣體被加熱時(shí)，故同液體一樣，氣體被加熱時(shí)n n取取0.40.4，冷卻時(shí)，冷卻時(shí)n n取取0.30.3。圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制層流二、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流二

38、、流體在管外的強(qiáng)制對(duì)流 流體可垂直流過(guò)單管和管束兩種情況。由于工業(yè)中所用的換熱流體可垂直流過(guò)單管和管束兩種情況。由于工業(yè)中所用的換熱器多為流體垂直流過(guò)管束，由于管間的相互影響，其流動(dòng)的特器多為流體垂直流過(guò)管束，由于管間的相互影響，其流動(dòng)的特性及傳熱過(guò)程均較單管復(fù)雜得多。故在此僅介紹后一種情況的性及傳熱過(guò)程均較單管復(fù)雜得多。故在此僅介紹后一種情況的對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算。三、大空間的自然對(duì)流傳熱三、大空間的自然對(duì)流傳熱 所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在所謂大空間自然對(duì)流傳熱是指冷表面或熱表面（傳熱面）放置在大空間內(nèi)，并且四周沒(méi)有其它阻礙自然對(duì)流的物體存在，

39、如沉浸式換大空間內(nèi)，并且四周沒(méi)有其它阻礙自然對(duì)流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過(guò)程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周?chē)髿獾纳?。熱器的傳熱過(guò)程、換熱設(shè)備或管道的熱表面向周?chē)髿獾纳帷?對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映自然對(duì)流的GrGr和反映物性的和反映物性的PrPr有關(guān)，依經(jīng)有關(guān)，依經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算：驗(yàn)式計(jì)算：NuC（Gr Pr）nnptlgclC)(223（1 1）特性尺寸對(duì)水平管取外徑）特性尺寸對(duì)水平管取外徑d do o，垂直管或板取管長(zhǎng)和板高，垂直管或板取管長(zhǎng)和板高H H。（2 2）定性溫度取膜溫（）定性溫度取膜溫（t tm m+t+tw w）/2/2。（3 3）C,nC,n

40、（傳熱面的形狀和位置（傳熱面的形狀和位置,Gr,Pr,Gr,Pr），具體數(shù)值列在書(shū)表中。），具體數(shù)值列在書(shū)表中。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)一、蒸汽冷凝一、蒸汽冷凝蒸汽與低于其飽和溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出氣化熱。蒸汽與低于其飽和溫度的冷壁接觸時(shí)，將凝結(jié)為液體，釋放出氣化熱。1 1冷凝方式冷凝方式蒸汽冷凝方式：膜狀冷凝，滴狀冷凝。蒸汽冷凝方式：膜狀冷凝，滴狀冷凝。膜狀冷凝：若冷凝液能潤(rùn)濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續(xù)向下流動(dòng)。膜狀冷凝：若冷凝液能潤(rùn)濕壁面，形成一層完整的液膜布滿液面并連續(xù)向下流動(dòng)。滴狀冷凝：若冷凝液不能很好地潤(rùn)濕壁

41、面，僅在其上凝結(jié)成小液滴，此后長(zhǎng)大或合滴狀冷凝：若冷凝液不能很好地潤(rùn)濕壁面，僅在其上凝結(jié)成小液滴，此后長(zhǎng)大或合并成較大的液滴而脫落。并成較大的液滴而脫落。傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)2.2.膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽水平管束外冷凝蒸汽水平管束外冷凝3.3.冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施 （1 1）流體物性的影響）流體物性的影響冷凝液冷凝液，則液膜厚度越小，則液膜厚度越?。焕淠豪淠豪淠凉摕崂淠凉摕醨 r ，同樣的熱負(fù)荷，同樣的熱負(fù)荷Q Q下冷凝液量小，則液膜厚下冷凝液量小，

42、則液膜厚度越小度越小。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（2 2）溫度差影響）溫度差影響 當(dāng)液膜作層流流動(dòng)時(shí)，當(dāng)液膜作層流流動(dòng)時(shí)， t=tst=tst tW W， t t ，則蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚，則蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚, ,。（3 3）不凝氣體的影響）不凝氣體的影響 當(dāng)蒸汽冷凝時(shí)，不凝氣體會(huì)在液膜表面濃集形成氣膜。這樣冷凝蒸汽到當(dāng)蒸汽冷凝時(shí)，不凝氣體會(huì)在液膜表面濃集形成氣膜。這樣冷凝蒸汽到達(dá)液膜表面冷凝前，必須先以擴(kuò)散的方式通過(guò)這層氣膜。這相當(dāng)于額外附加達(dá)液膜表面冷凝前，必須先以擴(kuò)散的方式通過(guò)這層氣膜。這相當(dāng)于額外附加了一熱阻，而且由于氣體的

43、導(dǎo)熱系數(shù)了一熱阻，而且由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 小，使蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大大小，使蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)大大下降。實(shí)驗(yàn)可證明：當(dāng)蒸汽中含空氣量達(dá)下降。實(shí)驗(yàn)可證明：當(dāng)蒸汽中含空氣量達(dá)1%1%時(shí)，時(shí)， 下降下降60%60%左右。左右。 因此，在冷凝器的設(shè)計(jì)中，在高處安裝氣體排放口；操作時(shí)，定期排放因此，在冷凝器的設(shè)計(jì)中，在高處安裝氣體排放口；操作時(shí)，定期排放不凝氣體，減少不凝氣體對(duì)不凝氣體，減少不凝氣體對(duì) 的影響。的影響。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)4 4）蒸汽流速與流向的影響）蒸汽流速與流向的影響 蒸汽的流速對(duì)蒸汽的流速對(duì) 有較大的影響，蒸汽流速較小有較

44、大的影響，蒸汽流速較小u10m/su10m/su10m/s時(shí)，還要要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用時(shí)，還要要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。力。 蒸汽與液膜流向相同時(shí)，會(huì)加速液膜流動(dòng)，使液膜變薄蒸汽與液膜流向相同時(shí)，會(huì)加速液膜流動(dòng)，使液膜變薄, ,；蒸汽與液；蒸汽與液膜流向相反時(shí)，會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜變厚膜流向相反時(shí)，會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使液膜變厚, ,；但；但u u 時(shí)，會(huì)吹散時(shí)，會(huì)吹散液膜，液膜，。 一般冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽入口在其上部，此時(shí)蒸汽與液膜流向相同，有一般冷凝器設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽入口在其上部，此時(shí)蒸汽與液膜流向相同，有利于利于。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)

45、流傳熱系數(shù)（5 5）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式 以減薄壁面上的液膜厚度為目的以減薄壁面上的液膜厚度為目的 4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體沸騰液體沸騰對(duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有液相變?yōu)闅庀喈a(chǎn)生汽泡的過(guò)程稱為沸騰。對(duì)液體加熱時(shí)，液體內(nèi)部伴有液相變?yōu)闅庀喈a(chǎn)生汽泡的過(guò)程稱為沸騰。按設(shè)備的尺寸和形狀可分為：按設(shè)備的尺寸和形狀可分為： 大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的沸騰大容器沸騰：加熱壁面浸入液體，液體被加熱而引起的無(wú)強(qiáng)制對(duì)流的沸騰現(xiàn)象?，F(xiàn)象。1.1.管內(nèi)沸騰：在一定壓差下流體在流動(dòng)過(guò)程中受熱沸騰（強(qiáng)制對(duì)流）；

46、此時(shí)管內(nèi)沸騰：在一定壓差下流體在流動(dòng)過(guò)程中受熱沸騰（強(qiáng)制對(duì)流）；此時(shí)液體流速對(duì)沸騰過(guò)程有影響，而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流液體流速對(duì)沸騰過(guò)程有影響，而且加熱面上氣泡不能自由上浮，被迫隨流體一起流動(dòng)，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。體一起流動(dòng)，出現(xiàn)了復(fù)雜的氣液兩相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)2.2.液體的沸騰液體的沸騰熱通量熱通量qABAB段，段， t=tt=tW Wtsts， ttC t5t5 C C時(shí)，汽化核心數(shù)增大，汽泡長(zhǎng)大速度增快，對(duì)液體擾時(shí)，汽化核心數(shù)增大，汽泡長(zhǎng)大速度增快，對(duì)液體擾動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，由汽化核心產(chǎn)

47、生的氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用，動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)流傳熱系數(shù)增加，由汽化核心產(chǎn)生的氣泡對(duì)傳熱起主導(dǎo)作用，此時(shí)為核狀沸騰。此時(shí)為核狀沸騰。 CDCD段，段， t25t25 C C進(jìn)一步增大到一定數(shù)值，進(jìn)一步增大到一定數(shù)值，加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣加熱面上的汽化核心大大增加，以至氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離壁面的速度，氣泡產(chǎn)生的速度大于脫離壁面的速度，氣泡相連形成氣膜，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)泡相連形成氣膜，由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 較小，使較小，使，此階段稱為不穩(wěn)定膜狀沸，此階段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰。騰。DEDE段，段， tt250250 C C時(shí)，氣膜穩(wěn)定，由于加時(shí)，氣膜穩(wěn)定，由于加熱面熱面tWtW高，熱輻射影響增大

48、，對(duì)流傳熱高，熱輻射影響增大，對(duì)流傳熱系數(shù)增大，此時(shí)為穩(wěn)定膜狀沸騰系數(shù)增大，此時(shí)為穩(wěn)定膜狀沸騰 工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優(yōu)點(diǎn)是：此階段下工業(yè)上一般維持沸騰裝置在核狀沸騰下工作，其優(yōu)點(diǎn)是：此階段下 大，大，t tW W小。從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)小。從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉(zhuǎn)折點(diǎn)C C稱為臨界點(diǎn)（此后傳熱稱為臨界點(diǎn)（此后傳熱惡化），其對(duì)應(yīng)臨界值惡化），其對(duì)應(yīng)臨界值 t tc c、 c c、q qc c。對(duì)于常壓水在大容器內(nèi)沸騰時(shí)：。對(duì)于常壓水在大容器內(nèi)沸騰時(shí)： t tc c=25=25 C C、q qc c=1.25=1.2510106 6W/mW/m2 2。4.5.44.5

49、.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)液體的沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算液體的沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)沸騰傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施沸騰傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施（1 1）流體物性）流體物性 流體的流體的 、 、 、 等有影響；等有影響；或或，；或或，。 一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)物的 大，在同樣的大，在同樣的P P和和 t t下比水的下比水的 ??；而且表面張力??；而且表面張力 小，潤(rùn)濕能力大的液體，有利于氣泡形成和脫離壁面，小，潤(rùn)濕能力大的液體，有利于氣泡形成和脫離壁面， 大。大。 措施：在液體中加入少量添加劑，改變

50、其表面張力措施：在液體中加入少量添加劑，改變其表面張力。（2 2）溫差）溫差 t t 從沸騰曲線可知，溫差從沸騰曲線可知，溫差 t t是影響和控制沸騰傳熱過(guò)程的重要因素，應(yīng)盡是影響和控制沸騰傳熱過(guò)程的重要因素，應(yīng)盡量控制在核狀沸騰階段進(jìn)行操作。量控制在核狀沸騰階段進(jìn)行操作。4.5.44.5.4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)（3 3）操作壓力）操作壓力 提高操作壓力提高操作壓力P P，相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，相當(dāng)于提高液體的飽和溫度t ts s，使液體的，使液體的，有利于氣泡，有利于氣泡形成和脫離壁面，強(qiáng)化了沸騰傳熱，在同溫差下，形成和脫離壁面，強(qiáng)化了沸騰傳熱，在同溫差下

51、， 增大。增大。（4 4）加熱面的狀況）加熱面的狀況 加熱面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于傳熱。新的、潔凈的、粗糙的加加熱面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于傳熱。新的、潔凈的、粗糙的加熱面，熱面， 大；當(dāng)壁面被油脂玷污后，會(huì)使大；當(dāng)壁面被油脂玷污后，會(huì)使 下降。下降。（5 5）加熱面的布置情況，對(duì)沸騰傳熱也有明顯的影響。例如在水平管束外沸騰時(shí)，）加熱面的布置情況，對(duì)沸騰傳熱也有明顯的影響。例如在水平管束外沸騰時(shí)，其上升氣泡會(huì)覆蓋上方管的一部分加熱面，導(dǎo)致平均其上升氣泡會(huì)覆蓋上方管的一部分加熱面，導(dǎo)致平均 下降。下降。 措施：使加熱面粗糙措施：使加熱面粗糙4.44.4傳熱過(guò)程計(jì)算傳熱過(guò)程計(jì)算4

52、.4.14.4.1熱量衡算熱量衡算 生產(chǎn)中常把單位時(shí)間內(nèi)的流體生產(chǎn)中常把單位時(shí)間內(nèi)的流體 所放出或吸收的熱量稱為熱負(fù)荷。所放出或吸收的熱量稱為熱負(fù)荷。如果無(wú)外功輸入，位能，動(dòng)能可忽略，不考慮熱損失，并傳熱良好時(shí)，如果無(wú)外功輸入，位能，動(dòng)能可忽略，不考慮熱損失，并傳熱良好時(shí)，由能量守恒定律得，單位時(shí)間熱流體放出的熱量由能量守恒定律得，單位時(shí)間熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體所吸應(yīng)等于冷流體所吸收的熱量收的熱量。吸放QQ熱負(fù)荷是由生產(chǎn)工藝條件決定的，是對(duì)換熱器換熱能力的要求；而傳熱速率熱負(fù)荷是由生產(chǎn)工藝條件決定的，是對(duì)換熱器換熱能力的要求；而傳熱速率是換熱器本身在一定操作條件下的換熱能力，是換熱器本身

53、的特性，二者是是換熱器本身在一定操作條件下的換熱能力，是換熱器本身的特性，二者是不相同的。不相同的。對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器，其傳熱速率值必須等于或略大于熱負(fù)荷對(duì)于一個(gè)能滿足工藝要求的換熱器，其傳熱速率值必須等于或略大于熱負(fù)荷值。而在實(shí)際設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，通常將傳熱速率和熱負(fù)荷數(shù)值上認(rèn)為相等，通值。而在實(shí)際設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，通常將傳熱速率和熱負(fù)荷數(shù)值上認(rèn)為相等，通過(guò)熱負(fù)荷可確定換熱器應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)傳熱速率來(lái)計(jì)算換熱器所過(guò)熱負(fù)荷可確定換熱器應(yīng)具有的傳熱速率，再依據(jù)傳熱速率來(lái)計(jì)算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過(guò)程計(jì)算的基礎(chǔ)是傳熱速率方程和熱量衡算式。需的傳熱面積。因此，傳熱過(guò)程計(jì)算的基礎(chǔ)

54、是傳熱速率方程和熱量衡算式。12hphQW CTT21cpcQW CttrWQ1sphQWrTCT熱流體冷卻放出的熱量熱流體冷卻放出的熱量 冷流體加熱需要得到的熱量冷流體加熱需要得到的熱量物料蒸發(fā)或冷凝需要供給或移除的熱量是物料蒸發(fā)或冷凝需要供給或移除的熱量是過(guò)熱蒸汽冷凝，過(guò)冷液體蒸發(fā)，既有顯熱，又有潛熱過(guò)熱蒸汽冷凝，過(guò)冷液體蒸發(fā)，既有顯熱，又有潛熱4.4.24.4.2總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)總傳熱速率微分方程總傳熱速率微分方程 間壁兩側(cè)流體的熱交換過(guò)程包括如下三個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò)程。流體在換熱器中沿管長(zhǎng)間壁兩側(cè)流體的熱交換過(guò)程包括如下三個(gè)串聯(lián)的傳熱過(guò)程。流體在

55、換熱器中沿管長(zhǎng)方向的溫度分布如圖所示，現(xiàn)截取一段微元來(lái)進(jìn)行研究，其傳熱面積為方向的溫度分布如圖所示，現(xiàn)截取一段微元來(lái)進(jìn)行研究，其傳熱面積為dSdS，微元壁內(nèi)、，微元壁內(nèi)、外流體溫度分別為外流體溫度分別為T(mén) T、t t（平均溫度），則單位時(shí)間通過(guò)（平均溫度），則單位時(shí)間通過(guò)dSdS冷、熱流體交換的熱量冷、熱流體交換的熱量dQdQ應(yīng)應(yīng)正比于壁面兩側(cè)流體的溫差，即正比于壁面兩側(cè)流體的溫差，即()dQK Tt dS K總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù) 111iimoobKdSdSdSdS總傳熱系數(shù)的概念總傳熱系數(shù)的概念nK K一般都是指基于外表面積的總傳熱系數(shù)；一般都是指基于外表面積的總傳熱系數(shù)；n是評(píng)價(jià)換熱器性

56、能的一個(gè)重要參數(shù)；是評(píng)價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)；1.1.K K值的來(lái)源：計(jì)算；實(shí)驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)值的來(lái)源：計(jì)算；實(shí)驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) K K是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小主要取決于流體是衡量換熱器性能的重要指標(biāo)之一。其大小主要取決于流體的物性、傳熱過(guò)程的操作條件及換熱器的類型等。的物性、傳熱過(guò)程的操作條件及換熱器的類型等?；ぶ谐Ｒ?jiàn)傳熱過(guò)程的化工中常見(jiàn)傳熱過(guò)程的K K值范圍值范圍1.1.恒溫差傳熱恒溫差傳熱 恒溫差傳熱：兩側(cè)流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則冷熱流體溫差處處相等，恒溫差傳熱：兩側(cè)流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則冷熱流體溫差處處相等，不隨換熱器位置而變的情況。如間壁的一側(cè)液體保持恒定的

57、沸騰溫度不隨換熱器位置而變的情況。如間壁的一側(cè)液體保持恒定的沸騰溫度t t下蒸發(fā)；下蒸發(fā)；而間壁的另一側(cè)，飽和蒸汽在溫度而間壁的另一側(cè)，飽和蒸汽在溫度T T下冷凝過(guò)程，此時(shí)傳熱面兩側(cè)的溫度差保下冷凝過(guò)程，此時(shí)傳熱面兩側(cè)的溫度差保持均一不變，稱為恒溫差傳熱。持均一不變，稱為恒溫差傳熱。 t tT Tt t平均溫差的計(jì)算平均溫差的計(jì)算 2.2.變溫傳熱時(shí)的平均溫度差變溫傳熱時(shí)的平均溫度差并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動(dòng)。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。錯(cuò)流：兩種流體

58、的流向垂直交叉。錯(cuò)流：兩種流體的流向垂直交叉。折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)來(lái)回折流；或者兩流體都反折流：一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，另一流體反復(fù)來(lái)回折流；或者兩流體都反復(fù)折回。復(fù)折回。復(fù)雜流：幾種流動(dòng)型式的組合。復(fù)雜流：幾種流動(dòng)型式的組合。T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流逆流并流并流逆流和并流時(shí)的平均溫度差逆流和并流時(shí)的平均溫度差簡(jiǎn)化假定簡(jiǎn)化假定假定：假定： 在傳熱過(guò)程中，熱損失忽略不計(jì)；在傳熱過(guò)程中，熱損失忽略不計(jì)； 兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變；兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變； 總傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K K為常數(shù)，不沿傳熱表

59、面變化為常數(shù)，不沿傳熱表面變化 122112121212lnlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 逆流逆流并流并流T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流逆流并流并流討論：討論：1 1）上式雖然是從逆流推導(dǎo)來(lái)的但也適用于并流。）上式雖然是從逆流推導(dǎo)來(lái)的但也適用于并流。2 2）習(xí)慣上將較大溫差記為）習(xí)慣上將較大溫差記為 t t2 2，較小溫差記為，較小溫差記為 t t1 1；3 3）當(dāng)）當(dāng) t t2 2/ / t t1 122，則可用算術(shù)平均值代替，則可用算術(shù)平均值代替（誤差（誤差4%0.90.

60、9，絕不能使，絕不能使 0.80.8，否則另外選其他流型。，否則另外選其他流型。3 3當(dāng)換熱器一側(cè)流體發(fā)生相變，其溫度保持不變，此時(shí)就無(wú)所謂逆并流，當(dāng)換熱器一側(cè)流體發(fā)生相變，其溫度保持不變，此時(shí)就無(wú)所謂逆并流，不論何種流動(dòng)形式，只要進(jìn)出口溫度相同，則不論何種流動(dòng)形式，只要進(jìn)出口溫度相同，則 tmtm均相等。均相等。 例：在套管換熱器中用例：在套管換熱器中用20的冷卻水將某溶液從的冷卻水將某溶液從100冷卻至冷卻至60，溶液流量為溶液流量為1500kg/h，溶液比熱為，溶液比熱為3.5kJ/(公斤公斤)，已測(cè)得水出口溫，已測(cè)得水出口溫度為度為40，試分別計(jì)算并流與逆流操作時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差。若已知