傳熱過程在化工中的應(yīng)用

1、第一節(jié) 概 述傳熱過程在化工中的應(yīng)用傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的 存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實現(xiàn)傳熱的 前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。但是進行傳熱的 目的不外乎是以下三種：1.加熱或冷卻2.化工設(shè)備的保溫 3生產(chǎn)過程中熱能的綜合利用及廢熱的回收 可見，傳熱過程是普遍存在的。化工生產(chǎn)對傳熱過程的要求： 1強化傳熱要求傳熱速率高， 降低設(shè)備成本； 2削弱傳熱可減少熱損失。傳熱的三種基本方式根據(jù)傳熱的機理不同，熱傳遞有三種基本方式： 1. 1. 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 2. 2. 熱對流熱對流 3. 3. 熱輻射熱輻射金屬導(dǎo)

2、體自由電子運動不良導(dǎo)體，大部分液體溫度高的分子振動，與相鄰分子碰撞，造成的動量傳遞。氣體分子無規(guī)則運動熱傳導(dǎo)是靜止物體內(nèi)的一種傳遞方式，沒有物質(zhì)的宏觀位移。熱傳導(dǎo)物體內(nèi)部或兩個直接接觸物體之間的傳熱方式。對流傳熱指流體由質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換 對流傳熱僅發(fā)生在流體中，所以與流體的流動方式密切相關(guān)。自然對流質(zhì)點位移是由于流體內(nèi)部密度差引起的，使 輕者浮，重者沉；強制對流質(zhì)點運動是由外力作用所致。 熱對流與流體運動狀況有關(guān)，熱對流還伴隨有流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對流傳熱，又稱給熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對流。熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程 一切物體都能以

3、這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。任何物體，只要在0 K以上都能發(fā)射電磁波，通常在高溫下熱輻射才是主要方式。 熱輻射不僅是能量轉(zhuǎn)移，也伴隨著能量形式的變化，即熱能轉(zhuǎn)化為輻射能。傳熱方式機 理先決條件具體條件特 點熱傳導(dǎo)微觀粒子的動量交換T0接觸物質(zhì)內(nèi)傳熱無宏觀位移熱對流冷熱質(zhì)團的混合T0混合傳導(dǎo)/對流的聯(lián)合作用熱輻射射線的輻射和吸收T0不需要溫度高時才明顯(ET4)典型傳熱設(shè)備 (1) 直接混合式將熱流體與冷流體直接混合的一種傳熱方式。老式澡堂中水池的水，是將水蒸汽直接通人冷水中，使冷水加熱，此即直接混合式。北方許多工廠的澡堂，仍然采用這種辦法。 (2)蓄熱式先將熱流體的熱量儲存在熱載體

4、上，然后由熱載體將熱量傳遞給冷流體、此即蓄熱式換熱器。如圖所示。煉焦爐中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。典型傳熱設(shè)備 (3)間壁式熱流體通過間壁將熱量傳遞給冷流體，化工中應(yīng)用極為廣泛。有夾套式熱交換器；蛇形式熱交換器；套管式熱交換器；列管式熱交換器；板式熱交換器。對流傳熱對流傳熱熱傳導(dǎo)Q熱流體冷流體T1T2t2t1典型傳熱設(shè)備 單程列管式換熱器1 外殼 2管束 3、4接管 5封頭 6管板 7擋板 雙程列管式換熱器1殼體 2管束 3擋板 4隔板 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱計算傳熱計算傳熱溫差 參與熱交換的兩種流體或其中之一有溫度變化，熱流體放出熱量溫度沿程降低，冷流體獲得熱量溫度流程升高，冷熱流體的溫度

5、差沿換熱器表面各點是不同的。 當用傳熱基本方程式計算整個換熱器的傳熱速率時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差。 平均溫差還與參與換熱的兩流體的流動方式有關(guān)，流體的流動方式不同，平均傳熱溫差不同。T1T2t2t1t1t2T1T2t1t2T1T2t2t1t2T2t1t1T1t2逆流并流 122112121212lnlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 并流假定： 在傳熱過程中，熱損失忽略不計； 兩流體的比熱為常數(shù)，不隨溫度而變； 總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，不沿傳熱表面變化。（一）逆流或并流時的平均溫差逆流【例【例4-54-5】在套管換熱器中用】在

6、套管換熱器中用2020的冷卻水將某溶液從的冷卻水將某溶液從100100冷卻至冷卻至6060，溶液流量為溶液流量為15001500kg/hkg/h，溶液比熱為溶液比熱為3.53.5kJ/(kJ/(公斤公斤)，已測得水出口溫度，已測得水出口溫度為為4040，試分別計算并流與逆流操作時的對數(shù)平均溫差。若已知并流和，試分別計算并流與逆流操作時的對數(shù)平均溫差。若已知并流和逆流時總傳熱系數(shù)逆流時總傳熱系數(shù)K=1000W/(m2K=1000W/(m2)，求并流操作和逆流操作所需的傳熱求并流操作和逆流操作所需的傳熱面積。面積。平均溫差是換熱器兩端溫差的對數(shù)平均值，稱對數(shù)平均溫差。并流逆流平均溫差計算式相同，兩

7、端溫差的計算方法不同，通常把溫差較大者作為t1。C3 .49206040100ln)2060()40100(,逆mtC3 .43406020100ln)4060()20100(,并mt3121115003.5 101006058300W3600pQW CTT2583001.18m1000 49.3mQAK t逆逆2583001.35m1000 43.3A 并解：逆流和并流的平均溫差分別是：解：逆流和并流的平均溫差分別是：傳熱負荷為：逆流操作和并流操作時換熱器的面積分別是：21211121ppWCttWCTT采用逆流傳熱的另一優(yōu)點是節(jié)約載熱體的用量，以物料的加熱為例，加熱劑的用量當T1、T2、t

8、1和 t2不變時，逆流傳熱的平均溫差大于并流傳熱的平均溫差，逆流操作所需的傳熱面積小于并流操作的傳熱面積。t1t2T1T2t1t2t2T2t1t1T1t2并流時T2恒大于t2，但逆流時T2有可能低于t2，逆流時熱流體的出口溫度有可能低于并流逆流時熱流體的用量有可能比并流時為少。一般都采用逆流操作。但是并流也有它的特點，例如工藝上要求被加熱的流體不得高于某一溫度，或被冷卻的流體不得低于某一溫度，采用并流較易控制。參與換熱的兩流體中只有一個流體變溫的情況，例如在冷凝器中用飽和蒸汽將某冷流體加熱，或在蒸發(fā)器中利用熱流體的顯熱使某液體沸騰，并流與逆流的對數(shù)平均溫差相等。參與換熱的兩種流體的溫度都恒定不

9、變，例如在蒸發(fā)器中用飽和蒸汽加熱液體使之蒸發(fā)汽化。換熱器間壁一側(cè)為飽和水蒸汽冷凝，冷凝溫度T恒定不變，間壁另一側(cè)液體沸騰汽化，其沸騰溫度保持在沸點t不變，則換熱器的傳熱溫差 亦為定值。 mTttTt兩種流體在列管式換熱器中流動并非是簡單的并流和逆流，而是比較復(fù)雜的多程流動，既有折流又有錯流。錯流是指兩流體在間壁兩側(cè)彼此的流動方向垂直；一種流體作折流流動，另一種流體不折流，或僅沿一個方向流動。若兩種流體都作折流流動或既有錯流又有折流，稱為復(fù)雜折流。復(fù)雜折流錯流簡單折流（二）錯流和折流時的平均溫差,f P R2111ttPtT冷流體實際溫度變化冷流體最大溫度變化冷流體實際溫度變化熱流體實際溫度變化

10、1221ttTTR稱為溫差修正系數(shù)，表示為P和R兩參數(shù)的函數(shù)式中式(7.2-23)表示的溫差修正曲線繪于 (a)、(b) 和 (c)中。,mmtt逆錯流或折流時的平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據(jù)流動型式加以修正溫差修正系數(shù)1，即tmtm，逆，換熱器設(shè)計時值不應(yīng)小于0.8，否則不經(jīng)濟。增大的一個方法就是改用多殼程。 第三節(jié)第三節(jié) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)傅立葉定律機導(dǎo)熱系數(shù)一維定常態(tài)溫度場：,zyxft zyxft, xft 溫度場 穩(wěn)態(tài)溫度場非穩(wěn)態(tài)溫度場物體的溫度分布隨時間變化 物體中各點溫度與時間無關(guān)（1）溫度場某一瞬間，空間（或物體）所有各點 溫度分布定常態(tài)溫度場：（2）等溫面同一時刻，溫度場

11、中相同溫度各點所組成的曲面。溫度不同的等溫面彼此不能相交。溫度梯度一維溫度梯度：grad dxdtt t+ttt-t 同一等溫面上各點的溫度相同，故沿著等溫面移動，溫度無變化，即無熱量傳遞；若沿著與等溫面相交的任何方向移動，溫度發(fā)生變化，并伴有熱量傳遞。而最大的溫度改變是在與等溫面垂直方向上（法線方向）。 溫度梯度方向是朝著溫度增加的方向，與熱流方向相反。熱傳導(dǎo)與傅立葉定律 熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律。它是一個經(jīng)驗性定律。實踐證明，單位時間內(nèi)的傳熱量Q與垂直于熱流方向的導(dǎo)熱截面面積A和溫度梯度 成正比。即 dxdtdxdtAQdxdtAQQ傳熱速率，； A導(dǎo)熱面積，；導(dǎo)熱系數(shù)； 溫度梯度。dxdt導(dǎo)

12、熱系數(shù)3計算公式：多數(shù)物質(zhì) 氣液非金屬金屬at101物理意義表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，物質(zhì)的熱物性參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越大，物體的導(dǎo)熱性能越好，即在相同的溫度梯度下傳熱速率越大。2影響因數(shù)主要有物質(zhì)種類、組成和溫度，并與結(jié)構(gòu)疏松程度有關(guān)。a：溫度系數(shù)tt1t2Qx0 xdxb單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)設(shè)(1) 材質(zhì)均勻為常數(shù) (2) 一維定態(tài)導(dǎo)熱溫度沿x方向變化 (3) Q與A均為常量 (4) t 1t2由傅立葉定律：分離變量后積分: dxdtAQttxdxAQdt10熱阻傳熱推動力RtAbttQ21多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)設(shè)（1）材質(zhì)均勻，1234為常數(shù) （2）一維定態(tài)導(dǎo)熱 （3）Q與A均為常量 （4） t1t2

13、t3t4AbttAbttAbttQ334322321121應(yīng)用合比公式 總熱阻總推動力niiniiRtAtAbAbAbttQ11332211411tt1t2t3t4b1b2b3xQ 321433221:RRRtttttt工業(yè)上經(jīng)常遇到多層平壁導(dǎo)熱的情況，如用耐火磚、保溫轉(zhuǎn)和青磚筑成的三層爐壁。仿照串聯(lián)電路的歐姆定律，對于三層熱阻的串聯(lián)導(dǎo)熱，穩(wěn)態(tài)下，有332211RtRtRtQAbAbAbttRRRtttQ33221141321321多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)tr1rr2rdrt1t2dt與平壁相比：相同處:定態(tài)熱傳導(dǎo)，Q為常量不同處: 1) 傳熱面為同心圓柱面，隨r而變 2) 溫度

14、沿r而變設(shè)內(nèi)壁半徑為r1，溫度為t1 外壁半徑為r2，溫度為t2 在半徑r處取dr薄層，若圓筒長L則傳熱面積 A=2rL由傅立葉方程 drdtrLdrdtAQ2212122ttrrdtQLrdrdtQLrdrRtrrlttrrttLQ12211221ln21ln2改寫為類單層平壁的計算公式：)(ln)()()(22ln)()()(22112122112112122112ttAbAArrttAArlrlrrrttrrlQm導(dǎo)熱速率1221ln2rrttlQq多層圓筒壁定態(tài)熱傳導(dǎo) tr1r2r3r4t1t2t3t4x同理，對第二層，可以得到： 23232ln12rrttLQ利用數(shù)學(xué)中的合比定律得：

15、 2321213221ln1ln122rrrrttLttLQ推廣到n層圓筒的傳熱速率公為： ninnnninnrrttLQ1111ln12注意的是，通過各層園筒壁的傳熱速率QW的，但熱通量Q/AW/m2 是不相同的。 第四節(jié)第四節(jié) 對流傳熱對流傳熱一、對流傳熱過程分析二、牛頓冷卻定律三、對流傳熱系數(shù)及其影響因素四、對流傳熱系數(shù)的因次分析 冷凝傳熱 有相變傳熱 沸騰傳熱 對流傳熱 自然對流 無相變傳熱 管外對流 強制對流 非圓管道 管內(nèi)對流 彎管 湍流 圓形直管 過渡流 滯流 對流傳熱的分類對流給熱的機理 AA冷流體熱流體tTTWtWtA-A截面上的溫度分布層流底層層流底層t（1）層流邊界層（層

16、流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過渡區(qū)：熱傳導(dǎo)與對流傳熱共同起作用；（3）湍流區(qū)： 充滿漩渦，混合很好，對流為主，熱阻小。 假設(shè): （1）在壁面附近存在一傳熱邊界層（又稱有效膜 ），熱量以傳熱方式進行，在該區(qū)內(nèi)集中 著全部熱阻，即全部溫差； （2）在傳熱邊界層外，溫合很好，溫度梯度已消 失。 熱邊界層概念牛頓冷卻公式（對流傳熱速率方程）因此，將對流傳熱計算改變?yōu)闊醾鲗?dǎo)計算按平壁導(dǎo)熱處理，由于式中的傳熱邊界層是難以測定的，所以仍無法進行計算。則： taAtAQ)(令a比例系數(shù)（亦稱給熱系數(shù)） ，對流給熱強度的標志 。 即為牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)表達式。就是：固體對流體的給熱傳熱速率Q，與壁面積A成

17、正比，與壁面和流體間的溫度差t成正比。 影響對流傳熱系數(shù)的因素主要影響因數(shù) （1）流體種類及其物性 （2）流體流動起因：強制對流 自然對流 （3）流體流動狀態(tài)： 可見：湍流a過渡流a層流 a（4）有無相態(tài)變化： 有相態(tài)變化a無相態(tài)變化a（5）傳熱表面形狀，相對位置與尺寸 ,beR在強制對流傳熱問題中，對于幾何相似的設(shè)備，可將給熱系數(shù)的影響因素表示為u流體速度，反映流體流動狀況影響, k, Cp流體密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱，反映物性影響l傳熱表面的特征尺寸，反映傳熱面幾何因素的影響。 ( , , , , ,)paf u lk C 在自然對流傳熱中，流體流動是由浮升力引起的，故將u代以浮升力而得

18、自然對數(shù)傳熱中給熱系數(shù)的影響因素表示式gt表示流體由于溫差t而產(chǎn)生的浮升力，稱為流體的膨脹系數(shù)。 ( , , , ,)paf lk Cg t 在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時，應(yīng)注意以下三個方面的問題。 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 只能在實驗的范圍內(nèi)應(yīng)用，外推是不可靠的。定性溫度定性溫度 取流體進，出口溫度的算術(shù)平均值作為定性溫度；高粘度流 體用壁溫作粘度定性溫度；冷凝傳熱取凝液主體溫度和壁溫 的算術(shù)平均值作為定性溫度。特征尺寸特征尺寸 傳熱面的幾何因素有時是很復(fù)雜的，一般選取對傳熱起決定 作用的幾何因素作為特征尺寸，管內(nèi)流動取管內(nèi)徑作為特征 尺寸；管外的流動取管外徑作為特征尺寸，等等。 管內(nèi)對流傳熱還與流體的

19、入口效應(yīng)有關(guān)，在流動邊界層與傳熱邊界層尚未充分發(fā)展的所謂“進口段”，給熱系數(shù)還要受到速度分布和溫度分布的影響，進口段的給熱系數(shù)高于充分發(fā)展后的給熱系數(shù)值。 入口效應(yīng)入口效應(yīng)對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式0.80.023nNuRePr式中n值與熱流方向有關(guān)，當流體被加熱時，n=0.4，當流體被冷卻時，n=0.3。應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：ReRe1000010000；0.70.7PrPr120120； 定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。定性溫度：取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：取為管內(nèi)徑特征尺寸：取為管內(nèi)徑d1d1。 160ld流體無相變時的對流傳熱系數(shù)1 流體在管內(nèi)作強制對流園形直管強制湍流的

20、給熱系數(shù)流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時，對于低粘度流體，則有A A 管內(nèi)流動管內(nèi)流動 2/）（出進定tttn取不同的數(shù)值，這是為了反映熱流方向?qū)o熱系數(shù)的影響。對于氣體由于Pr1，即Pr0.4Pr0.3，氣體被加熱的給熱系數(shù)小于被冷卻給熱系數(shù)。這是由于氣體粘度隨溫度升高而增大，氣體被加熱時的邊界層較厚的緣故。 對于液體由于Pr1，所以Pr0.4Pr0.3，即液體被加熱的給熱系數(shù)大于被冷卻的給熱系數(shù)。這是因為：當液體被加熱時，管壁處滯流底層的溫度高于液體主體的平均溫度，由于液體粘度隨溫度升高而降低，故貼壁處液體粘度較小，使滯流底層的實際厚度比用液體主體溫度計算的厚度要薄，給熱系數(shù)較大。液體被加熱

21、1.05，液體被冷卻 0.95。30.027wNuRePr160ld14. 0w14. 0w園形直管內(nèi)高粘度液體無相變傳熱，給熱系數(shù)應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：ReRe1000010000；0.70.7PrPr1670016700；定性溫度：定性溫度：ww取壁溫作定性溫度，其余各物性取液體平均溫取壁溫作定性溫度，其余各物性取液體平均溫度作定性溫度。特征尺寸：取為管內(nèi)徑特征尺寸：取為管內(nèi)徑d。對于l/d60的短管，管入口效應(yīng)校正系數(shù) 對于彎管：彎管效應(yīng)校正系數(shù) 7 . 011ldRdR77. 11 流體流過彎曲管道或螺旋管時，會引起二次環(huán)流而強化傳熱，給熱系數(shù)應(yīng)乘以一個大于1的修正系

22、數(shù)：3 流體在非圓形管中流動RdfR77. 11d為管內(nèi)徑，R為彎曲半徑。 2 流體在彎管作強制對流 特征尺寸應(yīng)用當量直徑de。潤濕周邊流體流動截面面積 4ed應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：ReRe23002300；PrPr0.60.6。10.14113331.86wdNuRe Prl定性溫度：定性溫度：ww取壁溫，其余取進、出口溫度的算術(shù)平均值。取壁溫，其余取進、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：管內(nèi)徑特征尺寸：管內(nèi)徑d1d1。4 流體在圓形管內(nèi)強制滯流5 流體在圓形管內(nèi) 過渡流在Re=230010000的過渡區(qū)，作為粗略計算，可按湍流傳熱的公式計算h值，然后乘以修正系數(shù)f：8 . 15Re1061f換

23、熱器殼程都是橫掠管束流動，換熱管排列分為直列和錯列兩種，流體沖刷直列和錯列管束的情景是不同的。錯列時流體在管間交替收縮和擴張的彎曲通道中流動，比直列時在管間走廊通道的流動擾動更為強烈，故錯列比直列傳熱要快，但錯列的流動阻力較大，清洗不如直列容易。影響管束傳熱的因素除Re, Pr數(shù)外，還有管子排列方式，管間距和管排數(shù)，給熱系數(shù) 4 . 0PrRenCNu應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍： 特征尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。特征尺寸：管外徑，流速取每排管子中最狹窄通道處的流速。定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。0 . 52 . 1, 0 . 52

24、 . 1,700005000Re21dsdsB B 流體在管外作強制對流流體在管外作強制對流1 流體在管束外橫掠流動錯列 直列各排的給熱系數(shù)不同，應(yīng)按下式求其平均值。 iiimAAaAAAAaAaAaa321332211列管式換熱器，各排的管數(shù)不同。裝有折流擋板，先是橫掠管束，在繞過折流擋板時，則變?yōu)轫樦茏拥姆较蛄鲃?。由于流速和流向的不斷變化，Re100即達到湍流。換熱器內(nèi)裝有圓缺型擋板時，殼程給熱系數(shù)： (1)Re=312104時(2)Re=21031106時0.140.61 30.23RePrwNu0.140.551 30.36RePrwNu2 流體在換熱器殼程的傳熱 nNuC Gr P

25、rC C 自然對流傳熱系數(shù)自然對流傳熱系數(shù)所謂大容積自然對流，如：無攪拌時釜內(nèi)液體的加熱；傳熱設(shè)備外表面與周圍環(huán)境大氣之間的對流傳熱流體有相變化時的對流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝的對流傳熱蒸汽冷凝的對流傳熱蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源，在鍋爐內(nèi)利用煤燃燒時產(chǎn)生的熱量將水加熱汽化，使之產(chǎn)生蒸汽。蒸汽具有一定的壓力，飽和蒸汽的壓力和溫度具有一定的關(guān)系。蒸汽在飽和溫度下冷凝成同溫度的冷凝水時，放出冷凝潛熱，供冷流體加熱。 (1) 蒸汽冷凝的方式蒸汽冷凝的方式 膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜膜狀冷凝時蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去，此時，液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝

26、液籍重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨之越小。 滴狀冷凝：凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液滴，且不斷成長變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾下，在下滾過程中，一方面會合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的510倍甚至更高。 （2 2）蒸汽在水平管外冷凝）蒸汽在水平管外冷凝 可采用下式計算：4103232725. 0tudnrgar蒸汽比氣化熱 冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)n水平管束在直列上的管子數(shù)定性溫度取膜溫1 4231.13gral t 1 3230.4e20.0077Rgh 特征尺寸：l

27、取垂直管或板的高度。定性溫度：r取ts下的值，其余物性取液膜平均溫度下的值。k、凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，密度和粘度；r冷凝潛熱；t蒸汽飽和溫度ts與壁面tw之差。(3) 膜狀冷凝的傳熱系數(shù)膜狀冷凝的傳熱系數(shù)蒸汽在垂直管外或垂直板側(cè)的冷凝當Re1800時，膜內(nèi)為滯流若Re1500時，膜層為湍流垂直管外和板側(cè)膜層雷諾數(shù)的表達式W凝液質(zhì)量流量，公斤/s；b浸潤周邊長度，m；M冷凝負荷，M=W/b；A膜層流通截面積，m2；de液膜當量直徑，m。MAWbAude44)(Re冷凝系統(tǒng)的Re數(shù)表達式：蒸汽流速和流向 蒸汽流動會在汽液界面上產(chǎn)生摩擦阻力，若蒸汽與液膜流向相同，則會加速液膜的流動，使液膜減薄，傳熱加快。

28、不凝性氣體 蒸汽中含有不凝性氣體時，即使含量極微，也會對冷凝傳熱產(chǎn)生十分有害的影響。例如水蒸汽中含有1%的空氣能使給熱系數(shù)下降60%。不凝性氣體將會在液膜外側(cè)聚積而形成一層氣膜，冷凝器操作中及時排除不凝性氣體至關(guān)重要。過熱蒸汽 溫度高于其飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽，實驗表明，在大氣壓力下，過熱30的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數(shù)高1%，而過熱540的蒸汽的給熱系數(shù)高30%，所以在一定情況下不考慮過熱的影響，仍按飽和蒸汽進行計算。影響冷凝傳熱的其它因素影響冷凝傳熱的其它因素液體的沸騰傳熱液體的沸騰傳熱 工業(yè)上經(jīng)常需要將液體加熱使之沸騰蒸發(fā)，如：在鍋爐中把水加熱成水蒸汽；在蒸發(fā)器中將溶劑汽化以濃縮溶液，

29、都是屬于沸騰傳熱。 大容積沸騰是指加熱面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，此時，液體的運動由自然對流和汽泡的擾動所引起的。 強制對流沸騰是指液體在管內(nèi)流動的過程中而受熱沸騰的現(xiàn)象，此時，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動，形成汽液兩相流動，沿途吸熱，直至全部汽化。液體的沸騰曲線液體主體達到飽和溫度ts，加熱壁面的溫度tw，隨壁面過熱度t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。圖表示水在一個大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過熱度t的變化關(guān)系，稱為沸騰曲線。 自然對流核狀沸騰膜狀沸騰ABCDt/K常壓下水沸騰時與t的關(guān)系自然對流沸騰區(qū)：過熱度t較小，加熱壁面處的液體輕微

30、過熱，產(chǎn)生的汽泡在升浮過程往往尚未達到自由液面就放熱終結(jié)而消失。其給熱系數(shù)h和熱流密度q比無相變自然對流略大。如圖中AB段所示。核狀沸騰區(qū)：隨著t的增大，在加熱面上產(chǎn)生汽泡數(shù)量增加，汽泡脫離時，促進近壁液體的摻混和擾動，故給熱系數(shù) h和熱流密度都迅速增加，如圖中公元前所示。 過渡沸騰區(qū)：當t增大至過C點后，加熱面上產(chǎn)生的汽泡數(shù)大大增加，且汽泡的生成速率大于脫離速率，汽泡脫離壁面前連接成汽膜，由于熱阻增加，給熱系數(shù)h與熱流密度 q均下降，如圖中CD所示。膜狀沸騰：t繼續(xù)增大，汽泡迅速形成并互相結(jié)合成汽膜覆蓋在加熱壁面上，產(chǎn)生穩(wěn)定的膜狀沸騰，此時，由于膜內(nèi)輻射傳熱的逐漸增強，給熱系數(shù)h和熱流密度又

31、隨Dt的增加而升高。燒毀點：由圖可知，點C和E的熱流密度相等。當熱流密度增至qc后，為進一步提高傳熱速率，t必須增至tE以上，這時的壁面溫度有可能高于換熱器的金屬材料的熔化溫度。所以C點稱為臨界點，亦稱為燒毀點。圖示出了垂直管內(nèi)液體沸騰過程中出現(xiàn)的流動型態(tài)和傳熱類型，液體進入管內(nèi)至開始產(chǎn)生汽泡的這一段為單相液體的無相變加熱過程，液體開始產(chǎn)生汽泡時，液體主體尚未達到飽和溫度，處于過冷狀態(tài)，稱為過冷沸騰。繼續(xù)加熱而至飽和溫度時，即進入泡狀沸騰區(qū)，形成泡狀流和塊狀流(汽泡匯合成塊)，隨著蒸汽含量的進一步增加，大汽塊進一步合并，在管中心形成汽芯，稱為環(huán)狀流。環(huán)狀液膜受熱蒸發(fā)，逐漸變薄，直至液膜消失，稱

32、為蒸干。對濕蒸汽繼續(xù)加熱，最后進入干蒸汽的單相傳熱區(qū)。第五節(jié)第五節(jié) 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)總傳熱系數(shù)K綜合反映傳熱設(shè)備性能，流動狀況和流體物性對傳熱過程的影響，倒數(shù)1/K稱為傳熱過程的總熱阻。冷、熱兩流體的溫度分別為T和t，給熱系數(shù)分別為a2和a1，管壁熱側(cè)表面和冷側(cè)表面的溫度分別為Tw和tw, 間壁兩側(cè)面積分別為A1和A2，流體通過間壁的熱交換經(jīng)過“對流傳導(dǎo)對流”三個串聯(lián)步驟。TwtwTt熱流體冷流體QQA1A2b總傳熱系數(shù)冷熱兩流體通過間壁進行熱交換的總熱阻等于兩個對流熱阻與一個導(dǎo)熱熱阻之和，這和串聯(lián)電路的歐姆定律是類似。TwtwTt熱流體冷流體QQA1A2b1122()()wwwmwmTtQa

33、 A TTAa A ttKA tb112211wwwwmTTTtttQba AAa A1122111mTtTtQba AAa AKA1122111mbKAa AAa A222112111mAAbKa AAa以A2傳熱面為基準的總傳熱系數(shù)22211211mdbdda daK2121lnmddddd根據(jù)列管換熱器標準，傳熱面積以換熱管外表面計算式中 為管壁的對數(shù)平均直徑當間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時，各面積相等或近似相等12111bKaa12111Kaa12111bKaa若導(dǎo)熱熱阻很小，則若 ，則 ， ，12aa211Ka2Ka若 ，則 ， ，12aa111Ka1Ka管內(nèi)流體對流傳熱控制。管

34、外流體對流傳熱控制?？倐鳠嵯禂?shù)總是更接近數(shù)值較小的給熱系數(shù)，欲提高K值，關(guān)鍵是提高較小的給熱系數(shù)。22mQKtA獲取K的其他途徑： 查取K值 在有關(guān)傳熱手冊和專著中載有某些情況下K的經(jīng)驗數(shù)值，但應(yīng)選用工藝條件接近、傳熱設(shè)備類似的較為成熟的經(jīng)驗K值作為設(shè)計依據(jù)，表7-1列出了一些條件下經(jīng)驗K值的大致范圍，供設(shè)計時參考。 實驗測定 通過實驗測定現(xiàn)有換熱器的流量和溫度，由傳熱基本方程計算K值：實驗測定可以獲得較為可靠的K值。由計算方法得到的K值往往與查取的和實測的K值相差較大，這主要是由于計算給熱系數(shù)h的關(guān)聯(lián)式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準確等原因所致，因此，使用計算的K值時應(yīng)慎重，最好與另外兩種方

35、法作對照，以確定合理的K值。列管換熱器總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗數(shù)據(jù)流體種類總傳熱系數(shù)KW/(m2K)水氣體1260水水8001800水煤油350左右水有機溶劑280850氣體氣體1235飽和水蒸氣水14004700飽和水蒸氣氣體30300飽和水蒸氣油60350飽和水蒸氣沸騰油290870污垢熱阻換熱器在運行一段時間后，流體介質(zhì)中可沉積物會在換熱表面上生成垢層，有時換熱面還會被流體腐蝕而形成垢層。垢層的生成對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，使總傳熱系數(shù)減小，傳熱速率顯著下降。若垢層厚度為s，垢層導(dǎo)熱系數(shù)為s，則垢層熱阻為Rd=s/s。因為垢層導(dǎo)熱系數(shù)很小，即使厚度不大，垢層熱阻也很大，往往成為主要熱阻，必須給予足夠

36、重視。由于垢層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)不易準確估計，工程計算上通常是選用污垢熱阻的經(jīng)驗數(shù)值。如管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的污垢熱阻分別是Rd1和Rd2，則總熱阻222212211111ddmdbddRRda dadK2211fRKK用Rf表示管壁內(nèi)外兩側(cè)污垢熱阻之和，則式中K2為清潔表面的總傳熱系數(shù)，K2是結(jié)垢表面的總傳熱系數(shù)，分別測得這兩個傳熱系數(shù)，即可確定Rf值。111121122211ddmbdddRRa daddK當間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時，各面積相等或近似相等1212111ddbRRKaa111121122211ddmbdddRRa daddK在計算強制對流、自然對流、冷凝和沸騰傳熱的給熱系數(shù)

37、以及設(shè)備的熱損失時，需要知道壁溫，此外，在選擇換熱器類型和管材時，也需要壁溫數(shù)據(jù)。1211wwTtttaa由于換熱器間壁兩側(cè)流體的溫度不同，間壁兩側(cè)表面的溫度也是不同的，但是金屬間壁的熱阻通常很小，因而忽略間壁溫度的差異。若間壁兩側(cè)流體的平均溫度分別為T和t，給熱系數(shù)分別為 a1和a2，則間壁平均溫度tw滿足下式12()()wwqa TTa ttwwtT 近似取由于壁溫tw未知，因而給熱系數(shù)a1和a2也是未知的，因此，由式求解壁溫需要試差計算。壁溫的估算方法是：先假設(shè)一壁溫，據(jù)此計算兩個給熱系數(shù)，進而由式計算壁溫，直至計算的壁溫和假設(shè)的壁溫相一致。假設(shè)壁溫時應(yīng)作粗略估計，由式知，溫差與熱阻成正

38、比，也即：壁溫接近給熱系數(shù)較大一側(cè)流體的溫度。121 122d1d21122a2111111RRAAwwwwmwwwwmTtatT TTtttQba AAa AT TTtttQbAaa若，則壁溫若有污垢熱阻，則第六節(jié)第六節(jié) 傳熱設(shè)備傳熱設(shè)備 不清潔易結(jié)垢的物料流過易于清洗的一側(cè)管內(nèi)易于清洗； 需要通過增大流速以提高給熱系數(shù)的流體應(yīng)選管程； 腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕； 壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓； 蒸汽走殼程，冷凝液易于排出； 被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱； 粘度大流量小流體選殼程，殼程Re100即可達到湍流。流體流經(jīng)的路徑選擇流體流經(jīng)的路徑選擇選用和設(shè)計中應(yīng)考

39、慮的問題選擇的原則系列標準規(guī)定采用252.5mm,192mm兩種規(guī)格的管子。鋼管長度多為6米，國家標準規(guī)定采用的管長有1.5、2、3、6米四種規(guī)格，其中以3米和6米最為普遍。換熱管的排列方式有等邊三角形和正方形兩種，等邊三角形排列比正方形排列更為緊湊, 但正方形排列的管束清洗方便。換熱管規(guī)格及排列換熱管規(guī)格及排列 確定流動路徑，根據(jù)任務(wù)計算傳熱負荷，確定流體進、出的溫度，選定換熱器形式，計算定性溫度，查取物性，計算平均溫差，根據(jù)溫度校正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)。 依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值范圍，或按生產(chǎn)實際選定總傳熱系數(shù)K估值，估算傳熱面積A估。選定換熱器的基本尺寸，如管徑、管長、管數(shù)及排列等；若選用，在標準中選擇換熱器型號。 計算管程和殼程的壓降，根據(jù)初選設(shè)備規(guī)格，計算管、殼程流體壓降，檢查結(jié)果是否滿足工藝要求，若壓降不合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或擋板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計算壓降至滿足要求。 計算總傳熱系數(shù)，核算傳熱面積，計算管、殼程的給熱系數(shù)h1和h2，確定污垢熱阻Rs1和Rs2, 計算總傳熱系數(shù)K計，并計算傳熱面積A計，比較A估和A計，若A估/A計=