第04章 熱量傳遞

1、第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞的方式熱量傳遞的方式第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導熱傳導第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱第四節(jié)第四節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱第五節(jié)第五節(jié) 換熱器換熱器 主要內(nèi)容主要內(nèi)容第四章第四章 熱量傳遞熱量傳遞第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞的方式熱量傳遞的方式一、熱傳導一、熱傳導二、對流傳熱二、對流傳熱三、輻射傳熱三、輻射傳熱 主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、傳熱在環(huán)境工程中的應用一、傳熱在環(huán)境工程中的應用傳熱：傳熱：凡有溫差存在的地方，必然有熱量的傳遞。凡有溫差存在的地方，必然有熱量的傳遞。1、環(huán)境工程中的傳熱、環(huán)境工程中的傳熱 一些單元操作過程，如污泥及有機廢水厭氧消化、熱電一些單元操作過程，如污泥及有機廢水厭氧消化

2、、熱電 廠煙氣冷卻等，需要按一定速率向設備輸入或輸出熱量。廠煙氣冷卻等，需要按一定速率向設備輸入或輸出熱量。 高溫或低溫下操作的設備，要求高溫或低溫下操作的設備，要求對管道及反應器進行保對管道及反應器進行保 溫以減少系統(tǒng)的熱量散失溫以減少系統(tǒng)的熱量散失 。 廢熱的合理利用與回收。廢熱的合理利用與回收。 2、環(huán)境工程中傳熱過程的兩種情況、環(huán)境工程中傳熱過程的兩種情況強化傳熱過程，如各種熱交換設備中的傳熱；強化傳熱過程，如各種熱交換設備中的傳熱；削弱傳熱過程，如對設備和管道的保溫，減少熱量損失。削弱傳熱過程，如對設備和管道的保溫，減少熱量損失。傳熱速率問題傳熱速率問題二、熱源和冷源二、熱源和冷源

3、2 2）飽和水蒸氣：）飽和水蒸氣：冷凝溫度和壓強有一一對應關系，調(diào)節(jié)飽和冷凝溫度和壓強有一一對應關系，調(diào)節(jié)飽和水蒸汽壓強可控制加熱溫度，使用方便，且飽和蒸汽冷凝水蒸汽壓強可控制加熱溫度，使用方便，且飽和蒸汽冷凝過程的傳熱速率快。過程的傳熱速率快。 缺點：缺點：飽和水蒸氣冷凝傳熱能達到的溫度受壓強的限制。飽和水蒸氣冷凝傳熱能達到的溫度受壓強的限制。1、熱源、熱源 1 1）電熱：）電熱：加熱能達到的溫度范圍廣，便于控制，使用方便，加熱能達到的溫度范圍廣，便于控制，使用方便，清潔，但費用較高清潔，但費用較高 。3 3）煙道氣：）煙道氣：溫度可達溫度可達700700以上，可將物料加熱到較高溫度以上，可

4、將物料加熱到較高溫度 。 缺點：缺點：傳熱速度慢，溫度不易控制。傳熱速度慢，溫度不易控制。4 4）高溫載熱體：）高溫載熱體：沸點高（飽和蒸汽壓低），化學性質(zhì)穩(wěn)定。沸點高（飽和蒸汽壓低），化學性質(zhì)穩(wěn)定。2、冷源、冷源 一般用一般用水、空氣、冷凍鹽水、水、空氣、冷凍鹽水、液氨液氨( (-33.4) )等作為冷源。等作為冷源。 三、傳熱的三種基本方式三、傳熱的三種基本方式 1、熱傳導、熱傳導特點特點：物體各部分間：物體各部分間無宏觀運動無宏觀運動 2、對流傳熱、對流傳熱特點：特點：對流只能發(fā)生對流只能發(fā)生在液體和氣體中在液體和氣體中，通常認為通常認為是是流體與固體壁面之間的熱傳遞過程。流體與固體壁面

5、之間的熱傳遞過程。 強制對流強制對流 自然對流自然對流 依靠機械依靠機械( (泵、風機、攪拌等泵、風機、攪拌等) )施加外力使流施加外力使流體發(fā)生對流而傳熱。體發(fā)生對流而傳熱。由于溫差而引起密度差，在浮力作用下，流體由于溫差而引起密度差，在浮力作用下，流體發(fā)生對流而傳熱發(fā)生對流而傳熱 物體中由于分子物體中由于分子(原子和電子原子和電子)振動、與振動、與相鄰分子發(fā)生碰撞而將熱量從高溫傳向相鄰分子發(fā)生碰撞而將熱量從高溫傳向低溫的傳遞方式。低溫的傳遞方式。流體中由于質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起流體中由于質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞。的熱量傳遞。3、輻射傳熱、輻射傳熱特點：特點：輻射傳熱不僅是能量的傳遞

6、，還伴隨著能量的輻射傳熱不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量的轉化。不需要任何介質(zhì)作媒介，轉化。不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中可以在真空中傳播傳播。 以電磁波形式發(fā)出輻射能的過程。以電磁波形式發(fā)出輻射能的過程。 載熱體用量的確定；載熱體用量的確定； 設計新的換熱器；設計新的換熱器；核算現(xiàn)有換熱器的傳熱性能；核算現(xiàn)有換熱器的傳熱性能； 強化或削弱傳熱的方法。強化或削弱傳熱的方法。 忽略過程熱損失忽略過程熱損失QQ 吸放mQKAt mQqKtA傳熱速率傳熱速率(熱流量熱流量) Q ： 單位時間內(nèi)交換的熱量單位時間內(nèi)交換的熱量(W)傳熱基本方程式傳熱基本方程式 傳熱通量傳熱通量(熱流密度熱流密度)q：

7、單位時間單位傳熱面積傳遞的單位時間單位傳熱面積傳遞的熱量熱量(W/m2)K 總傳熱系數(shù)，總傳熱系數(shù)，W/(m2K)解決這些問解決這些問題需要兩個題需要兩個基本關系式基本關系式第一節(jié)第一節(jié) 熱量傳遞的方式熱量傳遞的方式(1) 什么是熱傳導？什么是熱傳導？(2) 什么是對流傳熱？分別舉出一個強制對流傳熱和什么是對流傳熱？分別舉出一個強制對流傳熱和自然對流傳熱的實例。自然對流傳熱的實例。(3) 簡述輻射傳熱的過程及其特點。簡述輻射傳熱的過程及其特點。(4) 試分析在居室內(nèi)人體所發(fā)生的傳熱過程，設室內(nèi)試分析在居室內(nèi)人體所發(fā)生的傳熱過程，設室內(nèi)空氣處于流動狀態(tài)?？諝馓幱诹鲃訝顟B(tài)。(5) 若冬季和夏季的室

8、溫均為若冬季和夏季的室溫均為18，人對冷暖的感覺，人對冷暖的感覺是否相同？在哪種情況下覺得更暖和？為什么？是否相同？在哪種情況下覺得更暖和？為什么？思考題思考題一、傅立葉定律一、傅立葉定律二、導熱系數(shù)二、導熱系數(shù)三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導三、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導四、通過圓管壁的穩(wěn)定熱傳導主要內(nèi)容主要內(nèi)容第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導熱傳導 熱傳導在熱傳導在氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)中物質(zhì)中都可以發(fā)生，都可以發(fā)生，但傳遞的方式和機理不同。但傳遞的方式和機理不同。 氣體氣體熱量傳遞是熱量傳遞是氣體分子作不規(guī)則熱運動氣體分子作不規(guī)則熱運動時相互碰時相互碰撞的結果；撞的結果；

9、固體固體以兩種方式傳遞熱量以兩種方式傳遞熱量: 晶格振動和自由電子遷移晶格振動和自由電子遷移； 液體液體的分子結構的分子結構介于氣體和固體之間介于氣體和固體之間，分子可作幅，分子可作幅度不大的位移，熱量的傳遞既依靠分子的振動，度不大的位移，熱量的傳遞既依靠分子的振動，又依靠分子間的相互碰撞。又依靠分子間的相互碰撞。一、基本概念和傅立葉定律一、基本概念和傅立葉定律 1、溫度場和等溫面、溫度場和等溫面 (1) 溫度場：溫度場：某一時刻物體或系統(tǒng)中各點溫度的分布某一時刻物體或系統(tǒng)中各點溫度的分布 數(shù)學表達式為：數(shù)學表達式為：t = f ( x , y , z , ) 從時間上：從時間上：穩(wěn)定溫度場穩(wěn)

10、定溫度場t = f ( x , y , z ) ，溫度不隨溫度不隨t而變；而變；不穩(wěn)定溫度場不穩(wěn)定溫度場t = f ( x , y , z , )，溫度隨溫度隨t而變。而變。溫度場為位置和時間的函數(shù)，溫度場為位置和時間的函數(shù)，從位置上：從位置上：三維溫度場：三維溫度場：t = f ( x, y, z, ) 一維溫度場：一維溫度場：t = f ( x, ) t1T2 t1t2 等溫面等溫面Q（2）等溫面：）等溫面：溫度場中溫度相同的點所組成的面溫度場中溫度相同的點所組成的面穩(wěn)定、一維溫度場穩(wěn)定、一維溫度場 tf (x)2、溫度梯度：、溫度梯度：兩等溫面間的溫度差兩等溫面間的溫度差 t與其垂直距離

11、與其垂直距離 n之比，在之比，在 n趨于趨于0的極限的極限(即溫度場內(nèi)某一點等溫面法即溫度場內(nèi)某一點等溫面法線方向溫度的變化率線方向溫度的變化率) 用用gradt表示。表示。Q dA t +tt tt n n t圓柱圓柱平壁平壁圓球圓球t1T2 t1t2 等溫面等溫面Q溫度梯度與熱溫度梯度與熱流方向關系流方向關系3、傅立葉定律、傅立葉定律 溫度梯度是向量，溫度梯度是向量，沿等溫面垂直方向，指向溫沿等溫面垂直方向，指向溫度增加的方向，與傳熱反向。度增加的方向，與傳熱反向。0 tlim nntgradtn 某一微元的熱傳導速率某一微元的熱傳導速率( (單位時間內(nèi)傳導的熱量單位時間內(nèi)傳導的熱量) )

12、與該微元等溫面的溫度梯度及該微元的導熱面積與該微元等溫面的溫度梯度及該微元的導熱面積成正比。成正比。 一維穩(wěn)定溫度場一維穩(wěn)定溫度場，溫度梯度可表示為溫度梯度可表示為 ：dtgradtdx tdQdAn tdQdAn dQ 傳熱速率，傳熱速率，W或或J/s；dA 導熱面積，導熱面積，m2； t/ n 溫度梯度，溫度梯度，/m或或K/m；熱量傳遞的推動力熱量傳遞的推動力 導熱系數(shù)，導熱系數(shù)，W/(m)或或W/(mK)。負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反負號表示熱流方向與溫度梯度方向相反(即熱量沿溫度降低即熱量沿溫度降低方向傳遞方向傳遞)。傅立葉定律的表達式傅立葉定律的表達式d d QtqAn 用熱

13、通量表示：用熱通量表示：一維一維y軸方向軸方向熱通量：熱通量：d d Qd tqAd y ddppcTqcy 變換：變換：pac d()dpc Tqay 導溫系數(shù)導溫系數(shù)，或稱熱量擴散系，或稱熱量擴散系數(shù)，數(shù)，m2/s，反映溫度變化在，反映溫度變化在物體中的物體中的傳播能力傳播能力 熱量濃度，熱量濃度，J/m3令令d/ dqTy 不同物質(zhì)的不同物質(zhì)的 差異較大，要差異較大，要強化傳熱，選用強化傳熱，選用 大的大的材料；要削弱傳熱，選用材料；要削弱傳熱，選用 小的材料。小的材料。二、導熱系數(shù)二、導熱系數(shù)1、定義：、定義：導熱物質(zhì)在單位溫度梯度下的導熱物質(zhì)在單位溫度梯度下的熱通量熱通量物理意義：物

14、理意義：表示物質(zhì)導熱性強弱即導熱能力的大小表示物質(zhì)導熱性強弱即導熱能力的大小影響因素：影響因素： 是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)，與分子運是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)，與分子運動和分子間相互作用力有關，動和分子間相互作用力有關，大小取決大小取決于物質(zhì)結構及組成、溫度、壓力等因素。于物質(zhì)結構及組成、溫度、壓力等因素。 同一物質(zhì)，同一物質(zhì)， 隨不同方向而變化隨不同方向而變化各向異性各向異性 與方向無關與方向無關各向同性各向同性2、固體的導熱系數(shù)、固體的導熱系數(shù) 純金屬純金屬 ：隨溫度升高而減??；合金卻相反隨溫度升高而減?。缓辖饏s相反。 晶體晶體 ：隨溫度的升高而減小，非晶體則相反。隨溫度的升高而減小，非晶體

15、則相反。非金屬建筑材料或絕熱材料非金屬建筑材料或絕熱材料 ：隨密度增加而增大，隨密度增加而增大， 隨溫度升高而增大。隨溫度升高而增大。 在非金屬液體中，在非金屬液體中，水的導熱系數(shù)最大。水的導熱系數(shù)最大。 除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度的除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導熱系數(shù)隨溫度的 升高而略有減小。升高而略有減小。 純液體的導熱系數(shù)比溶液的導熱系數(shù)大。純液體的導熱系數(shù)比溶液的導熱系數(shù)大。3、液體的導熱系數(shù)、液體的導熱系數(shù) 氣體氣體導熱系數(shù)很小，不利于導熱，但導熱系數(shù)很小，不利于導熱，但有利于保溫有利于保溫。 氣體導熱系數(shù)氣體導熱系數(shù)隨溫度升高而加大隨溫度升高而加大 。 在相當大的壓

16、強范圍內(nèi)，氣體的導熱系數(shù)隨壓強變在相當大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導熱系數(shù)隨壓強變化極小?；瘶O小。 4、氣體的導熱系數(shù)、氣體的導熱系數(shù) 注意：注意：傳熱過程中，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能傳熱過程中，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能不同，因而導熱系數(shù)也不同，工程計算中常取不同，因而導熱系數(shù)也不同，工程計算中常取導熱系導熱系數(shù)的算術平均值。數(shù)的算術平均值。（1）水的導熱系數(shù)最大，）水的導熱系數(shù)最大，20時為時為0.6W(m K)。因。因此，此，水是工程上最常用的導熱介質(zhì)。水是工程上最常用的導熱介質(zhì)。 （3）非金屬中，石墨導熱系數(shù)最高，高于）非金屬中，石墨導熱系數(shù)最高，高于 一般金屬；一般金屬；且耐腐蝕，因此且耐腐

17、蝕，因此石墨是制作耐腐蝕換熱器的理石墨是制作耐腐蝕換熱器的理想材料。想材料。 水比空氣導熱系數(shù)大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性水比空氣導熱系數(shù)大得多，隔熱材料受潮后其隔熱性能將大幅度下降。因此，露天保溫管道注意防潮。能將大幅度下降。因此，露天保溫管道注意防潮。 （2）氣體導熱系數(shù)很小，氣體導熱系數(shù)很小，對導熱不利，但利于絕熱、對導熱不利，但利于絕熱、保溫。工業(yè)上保溫。工業(yè)上常用多孔材料作為保溫材料，常用多孔材料作為保溫材料，就是就是利用空隙中存在的氣體，使導熱系數(shù)變小。利用空隙中存在的氣體，使導熱系數(shù)變小。5、工程中常用材料的導熱系數(shù)、工程中常用材料的導熱系數(shù)1、單層平壁的熱傳導、單層平壁的熱傳

18、導 壁厚壁厚b，壁兩側溫度為壁兩側溫度為T1、T2，T1T2，且只沿且只沿x軸變化，各點溫度不隨時間而變，軸變化，各點溫度不隨時間而變，則該平壁的熱傳導為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導，熱傳則該平壁的熱傳導為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導，熱傳導速率為常數(shù)。導速率為常數(shù)。dTdQAx 10 :xTT 2:xb TT12()QA TTb 1T2T三、平壁的穩(wěn)定熱傳導三、平壁的穩(wěn)定熱傳導。傅立葉定律表達式：傅立葉定律表達式：邊界邊界條件條件210bttQdxAdt 10 :xTT 邊界邊界條件條件1()QA TTx 1QxTTA :xx TT QTqAr 溫差為傳溫差為傳熱推動力熱推動力12/TTQbA 推動力熱阻bRA 12(

19、)TTTQRR br 導熱熱阻，導熱熱阻，K/W單位傳熱面積的導熱熱阻，單位傳熱面積的導熱熱阻，m2K/W傳導距離越大，傳熱壁面和導熱系數(shù)越小，則導熱傳導距離越大，傳熱壁面和導熱系數(shù)越小，則導熱熱阻越大。熱阻越大。熱量傳遞過程，必然有推動力，也有阻力熱量傳遞過程，必然有推動力，也有阻力2、多層平壁的熱傳導、多層平壁的熱傳導12314312123123TTTTTQbbbRRRAAA+ + + + +11TQR 22TQR33TQR 121111232222343333()() () TTTQAbRTTTAbRTTTAbR 層間接觸良好，相接觸兩表面溫度相同，層間接觸良好，相接觸兩表面溫度相同，T

20、1T2T3T4 穩(wěn)態(tài)熱傳導中，通過各層的熱流量相等，故有：穩(wěn)態(tài)熱傳導中，通過各層的熱流量相等，故有：123(1) 推廣到推廣到n層平壁有：層平壁有：111111nnnniiiiiTTTTQbRA + + + 多層平壁導熱是一種串聯(lián)導熱過程，多層平壁導熱是一種串聯(lián)導熱過程，推動力為各推動力為各分過程溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為各分過程分過程溫度差之和，即總溫度差，總熱阻為各分過程熱阻之和。熱阻之和。 312122334123123:bbbTTTTTTRRRAAA 從上面的式子可以推出：從上面的式子可以推出： 在穩(wěn)定多層壁導熱過程中，在穩(wěn)定多層壁導熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫哪層熱阻大，哪層溫

21、差就大差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當總；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當總溫差一定，傳熱速率大小取決于總熱阻大小。溫差一定，傳熱速率大小取決于總熱阻大小。 (2) 層與層之間存在空氣層層與層之間存在空氣層附加熱阻附加熱阻 (接觸熱阻接觸熱阻) 1312012TTqbbr +接觸熱阻，與接觸面材接觸熱阻，與接觸面材料、粗糙度、壓緊力和料、粗糙度、壓緊力和空隙中氣壓等有關?？障吨袣鈮旱扔嘘P。采用圓柱坐標時，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導，采用圓柱坐標時，即為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導，傳熱面積傳熱面積隨半徑發(fā)生變化，隨半徑發(fā)生變化，根據(jù)傅立葉定律：根據(jù)傅立葉定律：dd(2)ddTTQArLrr 穩(wěn)態(tài)導熱

22、時徑向穩(wěn)態(tài)導熱時徑向Q為常數(shù)，為常數(shù)，2211d2drTrTrQLTr 1212212ln/TTTTQLrrR 3、圓管壁的穩(wěn)定熱傳導、圓管壁的穩(wěn)定熱傳導r12m/TTQbA mbRA21brr21m21ln/AAAAA 當當21(/)2 rr時，用算術平均值代替對數(shù)平均值。時，用算術平均值代替對數(shù)平均值。21m21ln/rrrrr mm2Ar L1212212ln/TTTTQLrrR 21ln/2rrRL 圓管壁的導熱圓管壁的導熱熱阻，熱阻，K/W bRA 平壁導平壁導熱熱阻熱熱阻對數(shù)平對數(shù)平均半徑均半徑對數(shù)平對數(shù)平均面積均面積21ln/2rrRL 22112rtrtQdrrldt 1111

23、2ln ln2rQrQl TTTTrlr 圓筒壁內(nèi)的溫度分布圓筒壁內(nèi)的溫度分布上限從上限從r=r2時，時，t=T2，改為，改為r=r時，時，t=T；積分：；積分：將將從上式可知，從上式可知，tr成對數(shù)曲線變化成對數(shù)曲線變化(假設假設 不隨不隨t變化變化) n層圓管壁的熱傳導層圓管壁的熱傳導假設層與層間接觸良好，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，假設層與層間接觸良好，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則， 111111nnnniiiiimiTTTTQbRA + + + 1 12233rqr qr q 多層圓筒壁導熱的總推動力也為總溫度差，總熱多層圓筒壁導熱的總推動力也為總溫度差，總熱阻也為各層熱阻之和，計算時，與多層平壁不

24、同的是阻也為各層熱阻之和，計算時，與多層平壁不同的是其各層熱阻所用的傳熱面積不相等，應采用各層各自其各層熱阻所用的傳熱面積不相等，應采用各層各自的平均面積。的平均面積。 由于各層圓筒的內(nèi)外表面積不同，所以在穩(wěn)定傳由于各層圓筒的內(nèi)外表面積不同，所以在穩(wěn)定傳熱時，單位時間通過各層的傳熱量熱時，單位時間通過各層的傳熱量Q雖然相同，但單雖然相同，但單位時間通過各層內(nèi)外壁單位面積的熱通量位時間通過各層內(nèi)外壁單位面積的熱通量q卻不相同，卻不相同，其相互的關系為：其相互的關系為：12212ln/TTQLrr 12212ln/QTTLrr 設保溫層內(nèi)半徑為設保溫層內(nèi)半徑為r處溫度為處溫度為T112ln /QT

25、TLr r 【例題例題4.2.3】外徑為外徑為426mm的蒸汽管道外包裝厚度為的蒸汽管道外包裝厚度為426mm的保溫材料，保溫材料的導熱系數(shù)為的保溫材料，保溫材料的導熱系數(shù)為0.615 W/(mK)。若蒸汽管道外表面溫度為。若蒸汽管道外表面溫度為177，保溫層的，保溫層的外表面溫度為外表面溫度為38，試求每米管長的熱損失和保溫層，試求每米管長的熱損失和保溫層中的溫度分布。中的溫度分布。 保溫層內(nèi)的溫度分布為曲線保溫層內(nèi)的溫度分布為曲線 (1) 簡述傅立葉定律的意義和適用條件。簡述傅立葉定律的意義和適用條件。(2) 分析導溫系數(shù)和導熱系數(shù)的涵義及影響因素。分析導溫系數(shù)和導熱系數(shù)的涵義及影響因素。

26、(3) 為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么為什么多孔材料具有保溫性能？保溫材料為什么需要防潮？需要防潮？(4) 當平壁面的導熱系數(shù)隨溫度變化時，若分別按變當平壁面的導熱系數(shù)隨溫度變化時，若分別按變量和平均導熱系數(shù)計算，導熱熱通量和平壁內(nèi)的量和平均導熱系數(shù)計算，導熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布有何差異。溫度分布有何差異。(5) 若采用兩種導熱系數(shù)不同的材料為管道保溫，試若采用兩種導熱系數(shù)不同的材料為管道保溫，試分析應如何布置效果最好。分析應如何布置效果最好。本節(jié)思考題本節(jié)思考題第三節(jié)第三節(jié) 對流傳熱對流傳熱 一、對流傳熱的機理一、對流傳熱的機理二、對流傳熱速率二、對流傳熱速率三、影響對流傳熱

27、的因素三、影響對流傳熱的因素四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式四、對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式五、保溫層的臨界直徑五、保溫層的臨界直徑六、間壁傳熱過程計算六、間壁傳熱過程計算主要內(nèi)容主要內(nèi)容 對流換熱對流換熱指流體流過與其溫度不同的固體壁面時指流體流過與其溫度不同的固體壁面時流體與壁面之間的熱量交換，流體與壁面之間的熱量交換，對流換熱過程是熱傳導對流換熱過程是熱傳導與對流聯(lián)合作用的結果。與對流聯(lián)合作用的結果。 1、對流換熱過程、對流換熱過程一、對流傳熱的機理一、對流傳熱的機理 溫度為溫度為T0的冷流體沿溫度的冷流體沿溫度Tw的熱壁面流動，由于的熱壁面流動，由于兩者之間存在溫差，壁面將向流體傳遞熱量。兩者之間存在

28、溫差，壁面將向流體傳遞熱量。2、流動邊界層的傳熱機理及溫度分布、流動邊界層的傳熱機理及溫度分布層流區(qū)層流區(qū)湍流區(qū)湍流區(qū)WT0T 流體層與層間無質(zhì)點宏觀運動，在垂直于流動方流體層與層間無質(zhì)點宏觀運動，在垂直于流動方向上，熱量通過向上，熱量通過熱傳導熱傳導傳遞。傳遞。 （1）層流邊界層）層流邊界層 與靜止流體中的熱傳導一樣嗎？與靜止流體中的熱傳導一樣嗎？在靜止流體中在靜止流體中在層流流動流體中在層流流動流體中機理相同機理相同 流體流動流體流動增大了壁面處的溫度梯度，增大了壁面處的溫度梯度，使壁面處的使壁面處的熱通量較靜止時大。熱通量較靜止時大。 實際上，實際上，流體流動使傳熱增強。流體流動使傳熱增

29、強。 （2）湍流邊界層）湍流邊界層層流底層層流底層緩沖層緩沖層湍流中心湍流中心湍流區(qū)湍流區(qū) 層流底層中熱量傳遞主要靠熱傳導，層流底層中熱量傳遞主要靠熱傳導，符合傅立葉定律，符合傅立葉定律，溫度分布幾乎為直線；溫度分布幾乎為直線；由于流體由于流體導熱系數(shù)較低導熱系數(shù)較低，使層內(nèi)導熱，使層內(nèi)導熱熱阻很大，該層中溫度差較大，溫度分布曲線的斜率大。熱阻很大，該層中溫度差較大，溫度分布曲線的斜率大。層流區(qū)層流區(qū)層流底層緩沖層湍流中心湍流區(qū) 緩沖層中質(zhì)點的脈動較弱，對流與導熱的作用大致緩沖層中質(zhì)點的脈動較弱，對流與導熱的作用大致處于同等地位，由于對流傳熱的作用，溫度梯度變小。處于同等地位，由于對流傳熱的作

30、用，溫度梯度變小。 在湍流中心，質(zhì)點強烈脈動，使主體部分的溫度在湍流中心，質(zhì)點強烈脈動，使主體部分的溫度趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進行，導熱所起的趨于均一，熱量傳遞主要依靠對流進行，導熱所起的作用很??；作用很??； 溫度梯度很小，即傳熱熱阻很小，溫度分布曲線溫度梯度很小，即傳熱熱阻很小，溫度分布曲線趨于平坦。趨于平坦。 湍流傳熱時，流體從主流到壁面的傳熱過程也為穩(wěn)湍流傳熱時，流體從主流到壁面的傳熱過程也為穩(wěn)定的串聯(lián)傳熱過程，定的串聯(lián)傳熱過程，熱阻集中在層流底層上。熱阻集中在層流底層上。 湍流傳熱速率遠大于層流。湍流傳熱速率遠大于層流。層流底層層流底層緩沖層緩沖層湍流中心湍流中心湍流區(qū)湍流區(qū)減

31、少層流底層厚度是強化傳熱的重要途徑減少層流底層厚度是強化傳熱的重要途徑 湍流流動中存在流體質(zhì)點的隨機脈動，促使流體在湍流流動中存在流體質(zhì)點的隨機脈動，促使流體在y y方向上摻混，傳熱過程被強化。方向上摻混，傳熱過程被強化。熱阻分布情況？熱阻分布情況？湍流傳熱速率的大??？湍流傳熱速率的大??？(T-TW)0.99(T0-TW)將將(T-TW)0.99(T0-TW)處處作為傳熱邊界層的界限，該界作為傳熱邊界層的界限，該界限到壁面的距離稱為邊界層的厚度。限到壁面的距離稱為邊界層的厚度。壁面附近因傳熱而使流體壁面附近因傳熱而使流體溫度發(fā)生變化的區(qū)域（即溫度發(fā)生變化的區(qū)域（即存在溫度梯度的區(qū)域存在溫度梯度

32、的區(qū)域）3、傳熱邊界層、傳熱邊界層（1）傳熱邊界層）傳熱邊界層（2）傳熱邊界層的厚度）傳熱邊界層的厚度T邊界層以外的區(qū)域認為不存在溫度梯度。邊界層以外的區(qū)域認為不存在溫度梯度。傳熱過程的阻力主要集中在傳熱邊界層內(nèi)，傳熱阻力傳熱過程的阻力主要集中在傳熱邊界層內(nèi)，傳熱阻力取決于傳熱邊界層的厚度。取決于傳熱邊界層的厚度。TmanprcPT(T-TW)0.99(T0-TW)mnpcaPr1時，TT 溫度變化主要在層流底層中，熱阻主要集中在溫度變化主要在層流底層中，熱阻主要集中在層流底層中。層流底層中。（3）流動邊界層與傳熱邊界層厚度間的關系）流動邊界層與傳熱邊界層厚度間的關系其厚度關系取決于普蘭德數(shù)其

33、厚度關系取決于普蘭德數(shù)Pr表明表明分子動量傳遞能力和分子熱量傳遞能力分子動量傳遞能力和分子熱量傳遞能力的比值。的比值。(一一)牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律 二、對流傳熱速率二、對流傳熱速率 過傳熱面的傳熱速率正比于固體壁面與周圍流體過傳熱面的傳熱速率正比于固體壁面與周圍流體的溫度差和傳熱面積的溫度差和傳熱面積 TAQdd與傳熱方向垂直的微與傳熱方向垂直的微元元傳熱面積傳熱面積，m2局部局部對流傳熱系對流傳熱系數(shù)數(shù)，或稱為膜系，或稱為膜系數(shù)，數(shù)，W/(m2K)流體與固體壁面流體與固體壁面dA之間的之間的溫差溫差，K通過傳熱面通過傳熱面dA的局部的局部對流傳對流傳熱速率熱速率，WWTTTWTTT流體被

34、冷卻時流體被冷卻時流體被加熱時流體被加熱時TAQATQ1A1為為對流傳熱熱阻。對流傳熱熱阻。傳熱過程中，溫度沿程變化，傳熱過程中，溫度沿程變化，對流系數(shù)為局部的參數(shù)對流系數(shù)為局部的參數(shù)。實際工程中，常采用平均值進行計算。實際工程中，常采用平均值進行計算。對流傳熱速率也可以用對流傳熱熱阻表示，即對流傳熱速率也可以用對流傳熱熱阻表示，即AbR導熱熱阻導熱熱阻 流體與固體壁面之間的熱量傳遞必然通過緊貼壁流體與固體壁面之間的熱量傳遞必然通過緊貼壁面速度為零的流體層，其傳熱為導熱，因此傳熱規(guī)律面速度為零的流體層，其傳熱為導熱，因此傳熱規(guī)律遵循傅立葉定律。用遵循傅立葉定律。用 表示近壁處的溫度梯度，表示近

35、壁處的溫度梯度，0yyT0ddyyTAQ牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律0yyTTTAQdd對流傳熱微分方程式對流傳熱微分方程式理論計算對流傳熱系數(shù)的基礎理論計算對流傳熱系數(shù)的基礎y（二）對流傳熱系數(shù)（二）對流傳熱系數(shù) 對一定的流體，當流體與壁面溫差對一定的流體，當流體與壁面溫差一定時，對流傳熱系數(shù)之取決于緊靠一定時，對流傳熱系數(shù)之取決于緊靠壁面流體的溫度梯度。壁面流體的溫度梯度。0yyTT 熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)溫度分布，因而影響溫熱邊界層的厚薄影響層內(nèi)溫度分布，因而影響溫度梯度。當邊界層內(nèi)、外溫差一定，熱邊界層越薄，度梯度。當邊界層內(nèi)、外溫差一定，熱邊界層越薄，溫度梯度越大，因而溫度梯度越大，因而

36、也就上升。因此也就上升。因此改善流動狀況，改善流動狀況，使層流底層厚度減小，是強化傳熱的主要途徑之一。使層流底層厚度減小，是強化傳熱的主要途徑之一。很難得出！很難得出！ 對流傳熱本身是一個非常復雜的物理問題，現(xiàn)在對流傳熱本身是一個非常復雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復雜問題轉到計算對流傳熱系數(shù)上用牛頓冷卻定律把復雜問題轉到計算對流傳熱系數(shù)上面。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導它的面。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導它的計算式，只能通過實驗得到其經(jīng)驗關聯(lián)式。計算式，只能通過實驗得到其經(jīng)驗關聯(lián)式。（1）量綱分析）量綱分析 （2）利用動量傳遞與熱量傳遞的類似性）利用動量傳遞與熱量傳遞

37、的類似性 求解對流傳熱系數(shù)的途徑求解對流傳熱系數(shù)的途徑 對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗式三、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式的建立三、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關聯(lián)式的建立 （一）對流傳熱系數(shù)的影響因素（一）對流傳熱系數(shù)的影響因素1、流體的種類和相變化的情況、流體的種類和相變化的情況 2、流體的物性、流體的物性 1）導熱系數(shù)：）導熱系數(shù)：層流內(nèi)層的溫度梯度一定時，層流內(nèi)層的溫度梯度一定時，流體流體的導熱系數(shù)愈大，對流傳熱系數(shù)也愈大。的導熱系數(shù)愈大，對流傳熱系數(shù)也愈大。 2）粘度：）粘度：流體的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。流體的粘度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。 3）比熱和密度）比熱和密度cp：單位體積流體所具有

38、的熱容量。單位體積流體所具有的熱容量。cp愈大愈大，流體攜帶熱量能力愈強，流體攜帶熱量能力愈強，對流傳熱的強度愈強。對流傳熱的強度愈強。4）體積膨脹系數(shù)）體積膨脹系數(shù) 體積膨脹系數(shù)體積膨脹系數(shù)值愈大值愈大，密度差愈大，密度差愈大，有利于自有利于自然對流。對強制對流也有一定的影響然對流。對強制對流也有一定的影響。3、流體的溫度、流體的溫度4、流體流動狀態(tài)：、流體流動狀態(tài)：湍流對流傳熱系數(shù)遠比滯流時的大。5、流體流動的原因、流體流動的原因 強制對流：強制對流：外力的作用外力的作用 自然對流：自然對流：流體內(nèi)部存在溫度差，使各部分的流體流體內(nèi)部存在溫度差，使各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點位移。單

39、位體密度不同，引起流體質(zhì)點位移。單位體積的流體所受的浮力為：積的流體所受的浮力為： 10000 1tggg t + + 6、傳熱面的性狀、大小和位置、傳熱面的性狀、大小和位置 （二）量綱分析法（二）量綱分析法 , , , , , , pfu LcgTg m m 列出影響列出影響 的物理量：的物理量：特征流速特征流速u、特征尺寸、特征尺寸l、流體黏度、流體黏度、導熱系數(shù)、導熱系數(shù)、密度密度、比熱容、比熱容cp以及浮力以及浮力gT并用一般函數(shù)關系表示：并用一般函數(shù)關系表示：基本量綱基本量綱4個：長度個：長度L，時間，時間t，質(zhì)量，質(zhì)量M，溫度，溫度T變量總數(shù)：共變量總數(shù)：共8個個 定理：無量綱數(shù)群

40、數(shù)定理：無量綱數(shù)群數(shù)844 量綱分析結果如下：量綱分析結果如下：322() () ()pafhcLLuLgTkm mmmmm Re Pr GrakgNuk 準數(shù)的符號和意義準數(shù)的符號和意義準數(shù)名稱準數(shù)名稱符號符號準數(shù)式準數(shù)式意義意義努塞爾特準數(shù)努塞爾特準數(shù)（Nusselt）Nul表示對流傳熱的系數(shù)表示對流傳熱的系數(shù) 雷諾準數(shù)雷諾準數(shù)（Reynolds）Remlu確定流動狀態(tài)的準數(shù)確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)普蘭特準數(shù)（Prandtl）Prmpc表示物性影響的準數(shù)表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)（Grashof）Gr223mtlg表示自然對流影響的準數(shù)表示自然對流影響的準數(shù)應用準數(shù)

41、關聯(lián)式應注意的問題應用準數(shù)關聯(lián)式應注意的問題1）定性溫度：各準數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定）定性溫度：各準數(shù)中的物理性質(zhì)按什么溫度確定 2）定性尺寸：定性尺寸：Nu，Re數(shù)中數(shù)中L應如何選定。應如何選定。3）應用范圍：關聯(lián)式中）應用范圍：關聯(lián)式中Re,Pr等準數(shù)的數(shù)值范圍。等準數(shù)的數(shù)值范圍。 四、無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式四、無相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式 （一）流體在管內(nèi)的強制對流（一）流體在管內(nèi)的強制對流 1流體在圓形直管內(nèi)呈強烈湍流狀態(tài)流體在圓形直管內(nèi)呈強烈湍流狀態(tài)a) 低粘度（大約低于低粘度（大約低于2倍常溫水的粘度）流體倍常溫水的粘度）流體fNuPrRe023. 08 . 0

42、fpiicuddmm8 . 0023. 0注意事項：注意事項：（1）定性溫度取流體進出溫度的算術平均值）定性溫度取流體進出溫度的算術平均值tm；（2）特征尺寸為管內(nèi)徑）特征尺寸為管內(nèi)徑di；（3）流體被加熱時，）流體被加熱時，f0.4，流體被冷卻時，流體被冷卻時，f0.3；（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。 應用范圍：應用范圍：Re 104，0.7Pr50b) 高粘度的液體高粘度的液體 0.140.80.230.027uerwuNRPm m 為考慮熱流體方向的校正項。 應用范圍：應用范圍： 50,167007 . 0,1000ReirdLP定 性 尺 寸定 性 尺 寸：

43、取為管內(nèi)徑取為管內(nèi)徑di。定性溫度：定性溫度： 除除w取壁溫以外，其余均取液體進、出口取壁溫以外，其余均取液體進、出口溫度的算術平均值。溫度的算術平均值。 在實際中，由于壁溫難以測得，工程上近似處理為：在實際中，由于壁溫難以測得，工程上近似處理為：對于液體，加熱時：對于液體，加熱時： 05. 1)(14. 0wmm冷卻時：冷卻時：95. 0)(14. 0wmm 2、流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài)、流體在圓形直管內(nèi)呈層流狀態(tài) （1）Gr25000時，自然對流的影響不能忽略時，時，自然對流的影響不能忽略時，按上式計算出按上式計算出后再乘以校正因子后再乘以校正因子 3、流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流態(tài)、流體在

44、圓形直管內(nèi)呈過渡流態(tài) 51.86101efR 4、流體在彎管內(nèi)作強制對流、流體在彎管內(nèi)作強制對流 11.77/idR + + 對于對于Re = 230010000時的過渡流范圍，時的過渡流范圍， 先按湍流先按湍流的公式計算的公式計算，然后再乘以校正系數(shù)然后再乘以校正系數(shù) f。R彎管的曲率半徑由于離心力的作用，擾動加劇，使傳熱系數(shù)增加由于離心力的作用，擾動加劇，使傳熱系數(shù)增加5、流體在非圓形管中作強制對流、流體在非圓形管中作強制對流 0.5310.81320.02eredRPdd 應用范圍：應用范圍：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸：定性尺寸： 當量直徑當量直徑d

45、e定性溫度：定性溫度： 流體進出口溫度的算術平均值。流體進出口溫度的算術平均值。 對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計算，前面有關對于非圓形管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的計算，前面有關的經(jīng)驗式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當量直徑的經(jīng)驗式都適用，只是要將圓管內(nèi)徑改為當量直徑de。套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的套管環(huán)隙中的對流傳熱，用水和空氣做實驗，所得的關聯(lián)式為：關聯(lián)式為： （二）（二）大空間的自然對流傳熱大空間的自然對流傳熱 nurrNC GP 所謂大空間自然對流傳熱是指冷表面或熱表面所謂大空間自然對流傳熱是指冷表面或熱表面(傳傳熱面熱面)放置在大空間內(nèi)，并且四周沒有其它阻礙自然對放置在大空間內(nèi)

46、，并且四周沒有其它阻礙自然對流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設流的物體存在，如沉浸式換熱器的傳熱過程、換熱設備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱。 對流傳熱系數(shù)僅與反映自然對流的對流傳熱系數(shù)僅與反映自然對流的Gr和反映物性和反映物性的的Pr有關，依經(jīng)驗式計算：有關，依經(jīng)驗式計算： 通過實驗側得的通過實驗側得的c,n的值在表的值在表4-3-2中。中。（1）特性尺寸對水平管取外徑）特性尺寸對水平管取外徑do，垂直管或板取管，垂直管或板取管長和板高長和板高H。（2）定性溫度取膜溫（）定性溫度取膜溫（tm+tw）/2。（三）提高對流傳熱系數(shù)的途徑（三）提高對流

47、傳熱系數(shù)的途徑 1）流體作湍流流動時的傳熱系數(shù)遠大于層流時的）流體作湍流流動時的傳熱系數(shù)遠大于層流時的傳熱系數(shù)，傳熱系數(shù)，并且并且Re，應力求使流體在換熱器內(nèi)應力求使流體在換熱器內(nèi)達到湍流流動。達到湍流流動。 2）在流體阻力允許的情況下，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。 3）流體在換熱器管間流過時，）流體在換熱器管間流過時，設置折流板提高流設置折流板提高流速和縮小管子的當量直徑，對加大對流傳熱系數(shù)均有速和縮小管子的當量直徑，對加大對流傳熱系數(shù)均有較顯著的作用。較顯著的作用。 4) 不論管內(nèi)還是管外，

48、提高流不論管內(nèi)還是管外，提高流u都能增大對流傳熱都能增大對流傳熱系數(shù)，但是增大系數(shù)，但是增大u，流動阻力一般按流速的平方增加，流動阻力一般按流速的平方增加，應應根據(jù)具體情況選擇最佳的流速。根據(jù)具體情況選擇最佳的流速。 5）除增加流速外，）除增加流速外，可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用可在管內(nèi)裝置如麻花鐵或選用螺紋管的方法，螺紋管的方法，增加流體的湍動程度，增加流體的湍動程度，對流傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)增大，但此時能耗增加。增大，但此時能耗增加。 1 1、冷凝傳熱、冷凝傳熱 蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源。蒸汽在飽和溫度蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源。蒸汽在飽和溫度下冷凝時，放出汽化潛熱。下冷凝時，放出汽化潛熱。

49、蒸汽具有一定的壓力，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系。飽和蒸汽的壓力和溫度具有一定的關系。四、四、有相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式有相變時對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關聯(lián)式 (1)膜狀冷凝：膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，冷凝液體能潤濕壁面，在壁面上鋪展成膜。在壁面上鋪展成膜。 特點：特點：蒸汽放出的潛熱必須穿過液蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面，液膜層為壁面與膜才能傳遞到壁面，液膜層為壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。因冷凝在整蒸汽間傳熱的主要熱阻。因冷凝在整個壁面上發(fā)生，若凝液籍重力沿壁下個壁面上發(fā)生，若凝液籍重力沿壁下流，則液膜越往下越厚，給熱系數(shù)隨流，則液膜越往下越厚，給熱

50、系數(shù)隨之越小，如果壁面足夠高，壁下部液之越小，如果壁面足夠高，壁下部液膜中會出現(xiàn)凝液的湍流流動，使給熱膜中會出現(xiàn)凝液的湍流流動，使給熱系數(shù)復又增加。系數(shù)復又增加。(2)(2)滴狀冷凝：滴狀冷凝：凝液不能完全潤濕壁面，凝液不能完全潤濕壁面，在壁面在壁面 上形成小液滴，且不斷成長變上形成小液滴，且不斷成長變 大，在下滾過程中合并成更大的液滴，大，在下滾過程中合并成更大的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。使壁重新暴露在蒸汽中。 特點：特點：滴狀冷凝時沒有完整液膜的阻滴狀冷凝時沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的的 5 5-10 -10 倍甚至更高。倍甚至更

51、高。 實現(xiàn)滴狀冷凝的方法：實現(xiàn)滴狀冷凝的方法：在壁面上涂一在壁面上涂一層油類物質(zhì)；在蒸汽中混入油類或脂類層油類物質(zhì)；在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì)；對管表面進行改性處理。物質(zhì)；對管表面進行改性處理。3 3、蒸汽在豎直板或豎直管上的膜狀冷凝、蒸汽在豎直板或豎直管上的膜狀冷凝 從頂向底流動時，液膜從頂向底流動時，液膜，；當高度；當高度L一定時，一定時，流動從層流過渡到湍流時，流動從層流過渡到湍流時，Re ，層流底層，層流底層，。S- S-液膜的橫截面積（液膜的橫截面積（mm2 2）；）；q qmm冷凝液的質(zhì)量流量（冷凝液的質(zhì)量流量（kg/skg/s）；）；b b潤濕周邊長（潤濕周邊長（mm）；）；bS

52、de444RemeqSd uMbS mmmmmmM-單位時間單位潤濕周邊長上流過的冷凝液量，單位時間單位潤濕周邊長上流過的冷凝液量，稱為冷凝負荷，稱為冷凝負荷，kg/（ms）Re2000，膜內(nèi)為滯流，則，膜內(nèi)為滯流，則 、 、m m 分別為凝液的導熱系數(shù)，密度和粘度；分別為凝液的導熱系數(shù)，密度和粘度； r 冷凝潛熱，冷凝潛熱，kJ/kg； T 蒸汽飽和溫度蒸汽飽和溫度 ts 與壁面與壁面 tw 之差，之差，。Re2000，膜層為湍流，則膜層為湍流，則 特征尺寸：特征尺寸：L取垂直取垂直管或板的高度管或板的高度。定性溫度：蒸汽冷凝定性溫度：蒸汽冷凝潛熱潛熱 r 取飽和溫度取飽和溫度 ts 下的值

53、，其余下的值，其余物性參數(shù)取液膜物性參數(shù)取液膜平均溫度平均溫度 (ts+tw)/2 下的值。下的值。12341.13grL T m m 12330.068grL T m m 4、蒸汽在水平單管及水平管束外冷凝、蒸汽在水平單管及水平管束外冷凝 蒸汽在水平單管外冷凝時，凝液受重蒸汽在水平單管外冷凝時，凝液受重力作用沿管周向下流動并脫離管壁。力作用沿管周向下流動并脫離管壁。單管平均給熱系數(shù)可用下式計算：單管平均給熱系數(shù)可用下式計算： 蒸汽在水平管束外冷凝的傳熱系數(shù)：蒸汽在水平管束外冷凝的傳熱系數(shù)： 2300.725rgdT m m 14232300.725rgn dT m m n水平管束在垂直列上的

54、管子數(shù)；水平管束在垂直列上的管子數(shù)；d0 管外徑；管外徑； 5、影響冷凝傳熱的因素、影響冷凝傳熱的因素 純飽和蒸汽冷凝時，熱阻主要集中在冷凝液膜內(nèi)，純飽和蒸汽冷凝時，熱阻主要集中在冷凝液膜內(nèi)，液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關鍵。所液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關鍵。所以，影響液膜狀況的所有因素都將影響到冷凝傳熱。以，影響液膜狀況的所有因素都將影響到冷凝傳熱。（1）流體物性的影響）流體物性的影響 冷凝液冷凝液mm，則液膜厚度，則液膜厚度；冷凝液；冷凝液。 冷凝潛熱冷凝潛熱r ，同樣熱負荷，同樣熱負荷Q下冷凝液量小，則液膜厚下冷凝液量小，則液膜厚度越小度越小。 在所有物質(zhì)中水蒸汽的

55、冷凝在所有物質(zhì)中水蒸汽的冷凝 傳熱系數(shù)最大，一般為傳熱系數(shù)最大，一般為104 W/(m2.K)左右，而某些有機物蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)可左右，而某些有機物蒸汽的冷凝傳熱系數(shù)可低至低至103W/(m2.K)以下。以下。 （2）溫度差影響）溫度差影響 當液膜作層流流動時，當液膜作層流流動時， T=TSTW， T ，則蒸汽，則蒸汽冷凝速率加冷凝速率加 大，液膜增厚大，液膜增厚，。 （3）不凝氣體的影響）不凝氣體的影響 在實際工業(yè)冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量不凝在實際工業(yè)冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量不凝性氣體，如空氣。當蒸汽冷凝時，不凝氣體會在液膜表性氣體，如空氣。當蒸汽冷凝時，不凝氣體會在液膜表面濃

56、集形成氣膜。面濃集形成氣膜。 這樣冷凝蒸汽到達液膜表面冷凝前，必須先以擴散這樣冷凝蒸汽到達液膜表面冷凝前，必須先以擴散的方式通過這層氣膜。這相當于額外附加了一熱阻，由的方式通過這層氣膜。這相當于額外附加了一熱阻，由于氣體導熱系數(shù)于氣體導熱系數(shù) 小，使蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)大大小，使蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)大大下降。當蒸汽中含空氣量達下降。當蒸汽中含空氣量達1%時，時， 下降下降60%左右。左右。 在冷凝器的設計中，在高處安裝氣體排放口；操作在冷凝器的設計中，在高處安裝氣體排放口；操作時，定期排放不凝氣體，減少不凝氣體對時，定期排放不凝氣體，減少不凝氣體對 的影響。的影響。 （4）蒸汽流速與流向的

57、影響）蒸汽流速與流向的影響 蒸汽流速對蒸汽流速對 有較大的影響，蒸汽有較大的影響，蒸汽u10m/s時，還要考慮蒸時，還要考慮蒸汽與液膜之間的摩擦作用力。汽與液膜之間的摩擦作用力。 蒸汽與液膜流向相同時，會加速液膜流動，使液蒸汽與液膜流向相同時，會加速液膜流動，使液膜變薄膜變薄,；蒸汽與液膜流向相反時，會阻礙液膜；蒸汽與液膜流向相反時，會阻礙液膜流動，使液膜變厚流動，使液膜變厚,；但；但u時，會吹散液膜，時，會吹散液膜，。一般冷凝器設計時，蒸汽入口在其上部，此時蒸一般冷凝器設計時，蒸汽入口在其上部，此時蒸汽與液膜流向相同，有利于汽與液膜流向相同，有利于。 (5) 蒸汽過熱的影響蒸汽過熱的影響 蒸

58、汽溫度高于操作壓強下飽和溫度時稱為過熱蒸汽蒸汽溫度高于操作壓強下飽和溫度時稱為過熱蒸汽 過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸過熱蒸汽與比其飽和溫度高的壁面接觸(t (tWWtts s) )，壁面無，壁面無冷凝現(xiàn)象，此時為無相變的對流傳熱過程。過熱蒸汽與冷凝現(xiàn)象，此時為無相變的對流傳熱過程。過熱蒸汽與比其飽和溫度低的壁面接觸比其飽和溫度低的壁面接觸(t (tWWtts s) )，由兩個串聯(lián)的傳熱過，由兩個串聯(lián)的傳熱過程組成：冷卻和冷凝。整個過程是過熱蒸汽首先在氣相程組成：冷卻和冷凝。整個過程是過熱蒸汽首先在氣相下冷卻到飽和溫度，然后在液膜表面繼續(xù)冷凝，冷凝的下冷卻到飽和溫度，然后在液膜表面繼續(xù)冷凝

59、，冷凝的推動力仍為推動力仍為 T T=t=ts st tWW。 一般過熱蒸汽冷凝過程可按飽和蒸汽冷凝來處理，所一般過熱蒸汽冷凝過程可按飽和蒸汽冷凝來處理，所以前面的公式仍適用。但此時應把顯熱和潛熱都考慮進以前面的公式仍適用。但此時應把顯熱和潛熱都考慮進來。來。rttcrsvp+)(（6 6）冷凝面的高度及布置方式）冷凝面的高度及布置方式 例如管束，冷凝液面從上面各排流動下面各排，使例如管束，冷凝液面從上面各排流動下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的液膜逐漸增厚，因此下面管子的要比上排的為低。要比上排的為低。 冷凝面的表面情況對冷凝面的表面情況對影響也很大，若壁面粗糙不影響也很大，若壁面粗糙

60、不平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，平或有氧化層，使膜層加厚，增加膜層阻力，下降。下降。（7）強化傳熱措施）強化傳熱措施 對于純蒸汽冷凝，恒壓下對于純蒸汽冷凝，恒壓下ts為一定值。即在氣相為一定值。即在氣相主體內(nèi)無溫差也無熱阻，主體內(nèi)無溫差也無熱阻， 的大小主要取決于液膜的的大小主要取決于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流體一定的情況下，厚度及冷凝液的物性。所以，在流體一定的情況下，一切能使液膜變薄的措施將強化冷凝傳熱過程。一切能使液膜變薄的措施將強化冷凝傳熱過程。 減小液膜厚度最直接的方法是從冷凝壁面的高度減小液膜厚度最直接的方法是從冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上開縱向