化工原理第四章課件

1、化工原理 第四章 傳 熱第二節(jié)熱傳導(dǎo)第一節(jié)概述第三節(jié)對流傳熱第四節(jié)輻射傳熱第五節(jié)傳熱過程的計算第六節(jié)換熱器 知識目標(biāo)掌握熱傳導(dǎo)的基本規(guī)律，平壁和圓筒壁的熱傳導(dǎo)計算；對流傳熱的基本原理，對流傳熱的速率方程及流體在圓形直管內(nèi)湍流時的對流傳熱系數(shù)計算；傳熱速率方程、熱量衡算方程、總傳熱系數(shù)及平均溫度差的計算。理解傳熱的三種方式及特點；傳熱推動力及熱阻的概念；影響管內(nèi)和管外對流傳熱的因素及各準(zhǔn)數(shù)的意義；列管式換熱器的結(jié)構(gòu)、特點及強化傳熱過程的途徑。了解有相變的對流傳熱；熱輻射的基本概念、定理及簡單計算；列管換熱器的設(shè)計和選用。第四章 傳 熱 能力目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，能運用傳熱的基本理論、基本方法，對傳

2、熱過程進行設(shè)計型計算和操作型計算，會分析影響傳熱過程的各因素，對傳熱過程進行調(diào)節(jié)。第四章 傳 熱 第一節(jié) 概 述 傳熱在化工過程中的應(yīng)用一、傳熱是研究熱體和冷體之間熱量傳遞速率的科學(xué)。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差的地方，就必然發(fā)生著熱量傳遞。傳熱在化工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用主要有以下方面：（1）物料的加熱、冷卻、冷凝或汽化，使物料達到指定的溫度和相態(tài)，以滿足過程處理、加工、貯存等的要求。（2）在化學(xué)反應(yīng)過程中，需要向系統(tǒng)輸入或輸出能量，以維持一定的反應(yīng)溫度，使反應(yīng)過程能正常進行。 第一節(jié) 概 述（3）化工生產(chǎn)中熱能的合理利用和廢熱的回收。（4）化工設(shè)備和管道的保溫，減少熱量（或冷量）的損失?；?/p>

3、工生產(chǎn)過程中對傳熱的要求可分為兩種情況：一種是強化傳熱過程，如上述的前三種情況，要求傳熱速率快，傳熱效果良好；另一種是削弱傳熱過程，如設(shè)備和管道的保溫，要求傳熱速率慢，以減小熱損失。因此，通過對傳熱基本理論和對傳熱過程與設(shè)備的研究，對于強化或削弱化工過程傳熱，開發(fā)新型的傳熱元件有著十分重要的意義。 第一節(jié) 概 述 傳熱的基本方式二、根據(jù)傳熱機理的不同，熱量傳遞有三種基本方式，即熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。 第一節(jié) 概 述（一）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱。物質(zhì)各部分之間不發(fā)生質(zhì)點的相對位移，靠物質(zhì)的分子、原子或電子的振動或運動，使熱量在物體內(nèi)從高溫處向低溫處傳遞，或?qū)崃總鬟f到與之直接接觸的低溫物體的傳熱

4、過程稱為熱傳導(dǎo)。可見熱傳導(dǎo)存在于靜止物體內(nèi)部或垂直于傳熱方向作層流流動的流體中。氣體、液體和固體的熱傳導(dǎo)機理各不相同。在氣體中，熱傳導(dǎo)是由分子不規(guī)則的熱運動引起的；在大部分液體和不良導(dǎo)體的固體中，熱傳導(dǎo)是由分子的動量傳遞所致；在金屬固體中，熱傳導(dǎo)的起因是自由電子的運動。因此，良好的導(dǎo)電體也是良好導(dǎo)熱體。 第一節(jié) 概 述（二）對流傳熱對流傳熱是指流體質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。它僅發(fā)生在液體和氣體中。對流傳熱可分為強制對流傳熱和自然對流傳熱。前者是由于泵、風(fēng)機或其他外力作用而引起的流體流動所產(chǎn)生的傳熱過程；后者是由于流體各部分溫度的不均而形成了密度的差異，使質(zhì)點重降輕浮而進行的傳熱過程

5、。在流體中發(fā)生強制對流傳熱的同時，往往伴隨著自然對流傳熱。工程上通常把流體與固體壁面間傳熱或固體壁面與流體間的傳熱稱為對流傳熱。 第一節(jié) 概 述（三）熱輻射（輻射傳熱）物體由于熱的原因產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞稱為熱輻射。任何物體只要在絕對零度以上都會產(chǎn)生輻射能，以電磁波的形式在空間傳送，當(dāng)遇到另一個能吸收輻射能的物體時即被其部分地或全部地吸收而變?yōu)闊崮?。因此輻射傳熱不僅是能量的傳遞，還同時伴有能量形式的轉(zhuǎn)換。熱輻射不需任何介質(zhì)做媒介，即可在真空中傳播，這是熱輻射與其他傳熱方式不同之處。 第一節(jié) 概 述 實際上，上述三種傳熱方式往往不是單獨存在，而是兩種或三種傳熱方式的組合。例如，化工廠普遍應(yīng)用

6、的間壁式換熱器，熱流體將熱量傳給壁面或熱量通過管壁傳給冷流體的過程，主要是以對流傳熱和熱傳導(dǎo)相結(jié)合的方式進行的。 第一節(jié) 概 述 間壁式換熱器三、工業(yè)上的傳熱過程，按其工作原理和設(shè)備類型可分為三種類型，即直接接觸式傳熱、蓄熱式傳熱和間壁式傳熱，化工生產(chǎn)中最常見的是間壁式的熱交換。間壁式傳熱是冷、熱兩種流體被固體壁面所隔開，它們分別在壁面兩側(cè)流動，熱流體將熱量傳到固體壁面，通過壁面將熱量傳給冷流體。典型的間壁式換熱器主要有套管式和列管式兩種類型。 第一節(jié) 概 述（一）套管式換熱器如圖4-1所示，套管式換熱器是由兩個直徑不同的直管同心套在一起而構(gòu)成的。進行換熱的冷、熱兩種流體分別在管內(nèi)和環(huán)隙間流動

7、，通過內(nèi)管管壁進行熱量交換。因此，內(nèi)管壁表面積為傳熱面積。圖4-1 套管換熱器 第一節(jié) 概 述如圖4-2所示，列管式換熱器主要由殼體、管束、管板和封頭等部件構(gòu)成。操作時一種流體從換熱器的一端接管進入封頭，流經(jīng)各管束后匯集到另一端封頭，并從該封頭接管流出，該流體稱為管程流體，另一種流體由殼體接管流入，在殼體與管束間的空隙流過，殼體內(nèi)裝有數(shù)塊折流擋板，使流體在外殼內(nèi)沿擋板作折流流動，而從另一端的殼體接管流出換熱器，該流體稱為殼程（或殼方）流體。由于在換熱器中管程流體在管束內(nèi)只流過一次，故稱為單程列管式換熱器。（二）列管式換熱器 第一節(jié) 概 述 圖4-2 單程列管式換熱器1.殼體 2.管束 3.接管

8、 4.封頭 5.管板 6.擋板 第一節(jié) 概 述為提高管程流體的流速以強化管程流體的傳熱，可采用多程列管式換熱器。圖4-3所示為雙程列管式換熱器，器內(nèi)隔板4將分配室等分為二，管程流體只能先流過一半管束，待流到另一分配室后再折回流過另一半管束，然后從接管流出換熱器。由于管程流體在管束內(nèi)折流一次，故稱為雙程列管式換熱器。若管程流體在管束內(nèi)來回流過多次，則稱為多程（如四程、六程）列管式換熱器。同理，殼內(nèi)流體也可以折流流動，稱為多殼程（二程、四程）列管換熱器。 第一節(jié) 概 述 圖4-3 雙程列管式換熱器1.殼體 2.管束 3.擋板 4.隔板 第一節(jié) 概 述由于兩流體間的傳熱是通過管壁進行的，故列管式換熱

9、器的傳熱面積是管束管壁的全部表面積，在換熱器中兩流體間傳遞熱量的快慢可用傳熱速率或熱通量來表示，傳熱速率是指單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，用Q表示，其單位為W。它表征了換熱器的生產(chǎn)能力。熱通量是指單位傳熱面積、單位時間傳遞的熱量，用q表示，其單位為W/m2。當(dāng)傳熱速率一定時，熱通量越大，所需傳熱面積越小，因此，熱通量是反映傳熱強度的指標(biāo)。 第一節(jié) 概 述 穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱四、在傳熱系統(tǒng)中，各點溫度分布僅隨位置而變，不隨時間而變的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。穩(wěn)態(tài)傳熱的特點是通過傳熱面積的傳熱速率為常量。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。在傳熱系統(tǒng)中，各點的溫度分布隨時間和位置而變的傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)傳

10、熱。間歇操作的傳熱過程為非穩(wěn)態(tài)傳熱?；どa(chǎn)中多是穩(wěn)態(tài)傳熱過程。因此本章重點討論穩(wěn)態(tài)傳熱。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 傅立葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)一、（一）傅立葉定律 傅立葉定律是熱傳導(dǎo)的基本定律，表示熱傳導(dǎo)速率與溫度梯度以及垂直于熱流方向的表面積成正比。對于穩(wěn)態(tài)的一維傳熱過程，其數(shù)學(xué)表達式為 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 在傳熱系統(tǒng)中，同一時刻下相同溫度的點所組成的面稱為等溫面。其特點是溫度不同的等溫面不相交；同一等溫面上無熱量傳遞。由圖4-4可知不同溫度的等溫面之間存在著溫度差，溫度隨距離的變化率以等溫面的法線方向上為最大，將等溫面法線方向上的溫度的變化率稱為溫度梯度，記為grad t，數(shù)學(xué)表達式為圖4-4 溫度梯度與傅

11、立葉定律 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正方向。 式（4-1）中的負號表示熱流方向總是和溫度梯度方向相反，即熱量從高溫向低溫傳遞。 傅立葉定律也可表示為 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)（二）導(dǎo)熱系數(shù)式（4-1）可改寫為 上式表明，導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，越大，導(dǎo)熱愈快。因此，導(dǎo)熱系數(shù)是反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力大小的參數(shù)，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響是：金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低；非金屬固體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大；液體中水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，除了水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高略有減小。氣體的導(dǎo)熱

12、系數(shù)隨溫度的升高而增大，在相當(dāng)大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強變化甚微，可以忽略不計。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)應(yīng)予指出，在熱傳導(dǎo)過程中，導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度而變化，在工程計算中，常取導(dǎo)熱系數(shù)的平均值，把導(dǎo)熱系數(shù)當(dāng)常數(shù)處理。另外，混合物的導(dǎo)熱系數(shù)要小于單一組分的導(dǎo)熱系數(shù)，如合金的導(dǎo)熱系數(shù)一般要比純金屬的低，溶液的導(dǎo)熱系數(shù)小于此組成中的純液體的導(dǎo)熱系數(shù)。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)傳熱的基本方式有哪幾種？各有什么特點？物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與哪些因素有關(guān)？思考題4-1 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)二、（一）單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 圖4-5為一單層平壁，壁厚為b，壁的面積為A，假設(shè)A/b很大，則壁邊緣處的散熱可以忽略，壁內(nèi)溫度

13、只沿垂直于壁面的x方向而變化，等溫面是垂直于x軸的平面，且壁面兩側(cè)的溫度t1和t2不隨時間而變化，故該平壁的熱傳導(dǎo)是穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)。因熱傳導(dǎo)速率Q和傳熱面積S都為常量，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)取平均值時，則由傅立葉定律得 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)圖4-5 單層平壁的熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)由式（ 4-7 ）可以看出，傳熱速率為導(dǎo)熱的推動力與導(dǎo)熱熱阻的比值，熱傳導(dǎo)的距離越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，則導(dǎo)熱熱阻越大。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)【例4-1】 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)（二）多層平壁的熱傳導(dǎo)工業(yè)鍋爐的爐壁是由耐火磚、保溫磚、普通磚等構(gòu)成的分層平壁。如圖4-6所示，設(shè)平壁面積均為S，各層壁厚分別為b1、

14、b2和b3，導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、2和3。假設(shè)層與層間接觸良好，即相接觸的兩表面的溫度相同。各接觸面的溫度為t1、t2、t3和t4，且t1t2t3t4。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)圖4-6 三層平壁的熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)多層平壁的熱傳導(dǎo)是一種串聯(lián)的傳熱過程。由式（4-12）可以看出，串聯(lián)傳熱過程的總推動力（總溫度差）是各分過程溫度差之和；總熱阻為各分過程熱阻之和。 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 通過圓筒壁的熱傳導(dǎo)三、 化工生產(chǎn)中常遇到圓筒壁（如圓筒形容器、設(shè)備和管道）的熱傳導(dǎo)。單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)如圖4-7所示。圖4-7 單層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 設(shè)圓筒壁的內(nèi)外半徑分別為r1和r2，長度為L，內(nèi)、

15、外壁表面溫度分別保持恒定溫度t1和t2，且t1t2。若L足夠長，則沿軸向散熱可忽略不計，溫度僅沿半徑方向變化。此種熱傳導(dǎo)的不同處在于，圓筒壁的傳熱面積不是常量，隨半徑而變。若在圓筒半徑為r處沿半徑方向取微分厚度dr的薄壁圓筒，則傳熱面積可視為常量，且等于2rL；同時通過該薄層的溫度變化為dt，通過該薄圓筒的熱傳導(dǎo)速率可以寫為 第二節(jié) 熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)多層圓筒壁（以三層為例）的熱傳導(dǎo)，如圖4-8所示。假設(shè)各層間接觸良好，各層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、2和3，厚度分別為b1=r2-r1，b2=r3-r2，b3=r4-r3。根據(jù)串聯(lián)傳熱的原則，可寫出三層圓筒壁的熱傳導(dǎo)速率方程式為 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)圖4

16、-8 多層圓筒壁的熱傳導(dǎo) 第二節(jié) 熱傳導(dǎo)應(yīng)注意，對圓筒壁的熱傳導(dǎo)，通過各層的熱傳導(dǎo)速率都是相同的，但是熱通量卻都不相等。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 對流傳熱的分析一、 工業(yè)上遇到的對流傳熱，一般是間壁式換熱器中兩側(cè)流體與壁面間的熱交換，即熱流體將熱量傳給固體壁面或固體壁面將熱量傳給冷流體的過程。由于對流傳熱主要是依靠流體質(zhì)點的移動和混合來完成的。因此，對流傳熱與流體的狀態(tài)及流動狀況密切相關(guān)。 圖4-9為冷熱兩種流體間壁換熱示意圖，當(dāng)流體沿壁面成湍流流動時，鄰近壁面處總有一層層流層存在，在層流層內(nèi)，各層流體平行流動，在垂直于流動方向上，熱量傳遞主要依靠熱傳導(dǎo)進行。 第三節(jié) 對 流 傳 熱圖4-9

17、對流傳熱的溫度分布情況 第三節(jié) 對 流 傳 熱在湍流主體中，由于流體質(zhì)點的劇烈運動，可以認(rèn)為無傳熱阻力，在垂直于流動方向上任一截面上各點的溫度相等，傳熱推動力為零，即溫度梯度為零。傳熱的熱阻主要集中在靠近壁面有溫度梯度的流體層內(nèi)，將靠近壁面存在有溫度梯度的流體層的厚度稱為傳熱邊界層。由以上分析可知，在湍流傳熱時，熱阻主要集中在傳熱邊界層內(nèi)，因此，減薄傳熱邊界層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 對流傳熱速率方程二、 由上分析可知，對流傳熱與流體的流動狀態(tài)和流體的性質(zhì)有關(guān)，其傳熱過程復(fù)雜，影響因素較多，無法用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)求解對流傳熱系數(shù)。工程上把對流體傳熱看成是通過一個厚度為

18、t的傳熱膜的熱傳導(dǎo)過程。應(yīng)用熱傳導(dǎo)速率方程可得 第三節(jié) 對 流 傳 熱式中 Q通過傳熱面積S的對流傳熱速率，W； S總傳熱面積，m2； 平均對流傳熱系數(shù)，W/(m2)； t流體與壁面間溫度差的平均值，； t傳熱邊界層的厚度，m； 加熱或冷卻流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 應(yīng)注意，對流傳熱系數(shù)是與傳熱面積和溫度差相對應(yīng)的。例如，若熱流體在換熱器的管內(nèi)流動，冷流體在換熱器的管外流動，則熱流體與壁面的對流傳熱可用下式描述： Q=iSi（T-Tw）m （4-23）壁面與冷流體的對流傳熱可用下式描述： Q=oSo（tw-t）m （4-24） 第三節(jié) 對 流 傳 熱牛頓冷卻定律以很簡

19、單的形式描述了復(fù)雜的對流傳熱過程的速率關(guān)系，將所有影響對流傳熱熱阻的因素都歸入到對流傳熱系數(shù)之中。所以如何確定在各種條件下的對流傳熱系數(shù)，成為解決對流傳熱問題的關(guān)鍵。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式的建立三、（一）影響對流傳熱系數(shù)的因素實驗表明，影響對流傳熱系數(shù)的因素有以下幾種：（1）流體的種類和相變化的情況。液體、氣體和蒸氣的對流傳熱系數(shù)都不相同；流體在傳熱時有無相變化，對流傳熱系數(shù)也有很大的差別，若流體發(fā)生相變，其對流傳熱系數(shù)要比無相變時大得多。（2）流體的物理性質(zhì)。對值影響較大的流體的物理性質(zhì)有導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度等，其中黏度愈大，對流傳熱系數(shù)愈低。流體的導(dǎo)熱系數(shù)、比

20、熱容和密度增大，對流傳熱系數(shù)增大。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（3）流體的流動狀況。當(dāng)流體呈層流時，流體沿壁面分層流動，傳熱主要依靠熱傳導(dǎo)來進行。當(dāng)流體呈湍流時，由于只在壁面附近存在以熱傳導(dǎo)方式進行傳熱的傳熱邊界層，而在湍流主體的流體溫度分布均勻，傳熱阻力全部集中在傳熱邊界層內(nèi)。因此，湍流時的對流傳熱系數(shù)遠比層流時大，且隨Re的增大而增大。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（4）流體流動的原因。根據(jù)流體流動的原因，對流傳熱分為自然對流和強制對流。自然對流是由于流體內(nèi)部存在溫度差而引起密度不同，密度大的往下沉，密度小的向上升，由于流速較小，對流傳熱系數(shù)不大。強制對流是由于外界機械能的輸入，如泵、攪拌器等迫使流

21、體流動，由于流速較大，對流傳熱系數(shù)較大。通常，強制對流傳熱系數(shù)要比自然對流傳熱系數(shù)大幾倍至幾十倍。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（5）傳熱面的形狀、位置和大小。傳熱面的形狀（如管、板、環(huán)隙、翅片等）、傳熱面方位和布置（水平或垂直旋轉(zhuǎn)、管束的排列方式）及管道尺寸（如管徑、管長、板高和進口效應(yīng)）等都直接影響對流傳熱系數(shù)。通常傳熱面的形狀特征用一個對值影響較大的特征尺寸來表示。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（二）對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗公式的建立由上分析可知，影響的因素很多，要建立一個通式來求各種對流傳熱情況下的是不可能的。工程上常采用因次分析方法，將眾多的影響因素（物理量）組合成若干無因次數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)），然后再用實驗確

22、定這些準(zhǔn)數(shù)間的關(guān)系，即可得到不同對流傳熱情況下求算的關(guān)聯(lián)式。無因次分析得到的準(zhǔn)數(shù)見表4-1。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 第三節(jié) 對 流 傳 熱表中各準(zhǔn)數(shù)中物理量的意義如下：對流傳熱系數(shù)，W/(m2)；u流速，m/s；流體的密度，kg/m3； l傳熱面的特性尺寸，可以是管徑（內(nèi)徑、外徑或平均直徑）或平板長度等，m；流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)；流體的黏度，Pas；cp流體的定壓比熱容， J/（kg)；t流體與壁面間的溫度差， ；流體的體積膨脹系數(shù)，1/或1/K；g重力加速度，m/s2。 第三節(jié) 對 流 傳 熱對于各種不同情況下的對流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系需由實驗確定，所得到的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種半經(jīng)驗的公式

23、。在使用由實驗得到的關(guān)聯(lián)式時，應(yīng)注意以下幾點。（1）應(yīng)用范圍。關(guān)聯(lián)式中Re、Pr等的數(shù)值范圍是由實驗確定的，使用時不能超過規(guī)定的范圍。（2）特征尺寸。參與對流傳熱過程的傳熱面幾何尺寸往往不止一個，在建立特征數(shù)關(guān)聯(lián)式時，通常選用對流體的流動和傳熱有決定性影響的尺寸作為Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸l。一般對圓管內(nèi)對流傳熱時選用管內(nèi)徑，非圓形管內(nèi)對流傳熱時選用當(dāng)量直徑。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（3）定性溫度。流體在對流傳熱過程中，從進口到出口溫度是變化的。準(zhǔn)數(shù)中用到的物性參數(shù)（，cp，）也隨之而變化。確定準(zhǔn)數(shù)中流體物性參數(shù)的溫度和為定性溫度。不同的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式有不同的確定方法，一般有以下三種方法： 第

24、三節(jié) 對 流 傳 熱 流體無相變時的對流傳熱四、無相變的對流傳熱是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的。式（4-25）中包括強制對流和自然對流，在強制對流時Gr可忽略不計，而自然對流時Re可忽略不計，所以式（4-25）可進一步簡化為 強制對流Nu=f（Re,Pr） （4-26） 自然對流Nu=f（Pr，Gr） （4-27） 下面按照強制對流和自然對流兩大類，介紹工程上常用的流體無相變時對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（一）流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流的對流傳熱系數(shù) 第三節(jié) 對 流 傳 熱某流體在圓管內(nèi)呈湍流流動時，若管徑減小至原管徑的1/2，而流量保持不變，忽略出口溫度變化對物性的影響，問管內(nèi)對流

25、傳熱系數(shù)如何變化？思考題4-2 第三節(jié) 對 流 傳 熱（2）對于高黏度流體，可采用以下關(guān)聯(lián)式：定性溫度：除黏度w取壁溫外，均取流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。 應(yīng)用范圍和特征尺寸與式（4-28）的相同。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 應(yīng)予指出，式（4-28）中Pr的方次n采用不同的數(shù)值以及式（4-29）中（/w）0.14項都是為了校正熱流方向的影響。液體被加熱時，層流內(nèi)層的溫度比液體的平均溫度高，由于液體的黏度隨溫度升高而降低，所以層流內(nèi)層中液體的黏度降低，流速增大，層流內(nèi)層的厚度減薄，致使對流傳熱系數(shù)增大。液體被冷卻時，情況恰相反，但是式中Pr值是根據(jù)流體進、出口平均溫度計算得到的，只要流體進、出口

26、溫度在加熱和冷卻時都相同，則Pr值也相同。 第三節(jié) 對 流 傳 熱由于壁溫往往是未知的，式（4-29）中的校正項（/w）0.14可取近似值。液體被加熱，?。?w）0.141.05；液體被冷卻，?。?w）0.140.95，對氣體，不論是被加熱還是被冷卻，均?。?w）0.141.0。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（二）流體在圓形直管內(nèi)作強制層流的對流傳熱系數(shù) 流體在管內(nèi)作強制層流時，情況比較復(fù)雜，往往伴有自然對流。當(dāng)管徑較小，流體與壁面間溫度差不大，一般是Gr25000時，自然對流的影響可忽略，這種情況下對流傳熱系數(shù)可用下述關(guān)聯(lián)式計算，即 第三節(jié) 對 流 傳 熱（三）流體在圓形直管內(nèi)作過渡流的對流傳熱系

27、數(shù)當(dāng)Re取值范圍為230010000時，對流傳熱系數(shù)可先用式（4-28）計算，然后將算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)。校正系數(shù)為為應(yīng)指出，通常在換熱器的設(shè)計中，為了提高總傳熱系數(shù)，流體多呈湍流流動。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（四）流體在管外強制對流傳熱的對流傳熱系數(shù) 第三節(jié) 對 流 傳 熱流體在管外垂直流過時，分為垂直流過單根和垂直流過管束兩種情況。由于工業(yè)上所用換熱器中多為流體垂直流過管束，故只介紹這種情況的計算方法。管束的排列又分為直排和錯排兩種，如圖4-10所示。對第一排管子，不論直排還是錯排，流體流動情況相同。但從第二排開始，流體在錯排管束間通過時受到阻攔，使湍動增強，故錯排式管束的對流傳熱系數(shù)大

28、于直排式。 第三節(jié) 對 流 傳 熱圖4-10 管束的排列 第三節(jié) 對 流 傳 熱 流體在管束外垂直流過時的對流傳熱系數(shù)可用下式計算，即 Nu=CRenPr0.4 (4-33) 式中，C、n由實驗確定，其值見表4-2。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 適用范圍：5000Re70000，x1/do為1.255，x2/do為1.255。流速u取流動方向上最窄通道處的流速。特性尺寸：管外徑do。 定性溫度：流體進、出口溫度的算術(shù)平均值。由于用式（4-33）求出各排對流傳熱系數(shù)不同，故管束的平均對流傳熱系數(shù)可按下式計算，即 第三節(jié) 對 流 傳 熱蒸氣冷凝方式1. 蒸氣冷凝時的對流傳熱系數(shù)五、（一）蒸氣冷凝時的對

29、流傳熱系數(shù) 當(dāng)飽和蒸氣與溫度低于飽和溫度的壁面相接觸時，蒸氣在壁面上冷凝成液體放出潛熱，蒸氣冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 若冷凝液能潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整液膜，稱為膜狀冷凝。如圖4-11中(a)和(b)所示。在壁面上形成液膜后，蒸氣冷凝時放出的潛熱，必須通過液膜后才能傳給冷壁面。由于蒸氣冷凝為有相變過程，熱阻很小，因此冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動，壁面較高或水平放置的管徑較粗，則液膜厚度愈大，整個壁面的平均對流傳熱系數(shù)也就愈小。 第三節(jié) 對 流 傳 熱圖4-11 蒸氣冷凝方式 第三節(jié) 對 流 傳 熱若冷凝液不能

30、潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，液滴長大到一定程度后受重力作用沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝，如圖4-11（c）所示。在滴狀冷凝時，大部分壁面直接暴露在蒸氣中，蒸氣直接與金屬壁面接觸，沒有液膜熱阻，因此滴狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的可高幾倍至幾十倍。由于滴狀冷凝難以持久維持，工業(yè)上遇到的冷凝大都為膜狀冷凝。因此冷凝器的設(shè)計總是按膜狀冷凝來處理。下面僅介紹膜狀冷凝傳熱系數(shù)的計算方法。 第三節(jié) 對 流 傳 熱膜狀冷凝的傳熱系數(shù)2.（）蒸氣在垂直管外（或垂直板上）的冷凝。如圖4-11（a）所示，冷凝液在重力作用下沿壁面由上而下流動，由于沿程不斷有新冷凝液形成，液膜的厚度逐

31、漸增加。在壁面上部液膜因流量小，流速低，為層流流動，由頂端向下，因液膜變厚，對流傳熱系數(shù)減小。當(dāng)壁的高度足夠高，且冷凝液量較大時，則壁的下部液膜會出現(xiàn)湍流流動，對流傳熱系數(shù)反而增大。從層流到湍流的轉(zhuǎn)變Re準(zhǔn)數(shù)的臨界值為2100。對冷凝過程，Re準(zhǔn)數(shù)被定義為 第三節(jié) 對 流 傳 熱 第三節(jié) 對 流 傳 熱影響冷凝傳熱的因素3.飽和蒸氣冷凝時，熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)，因此液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵，凡有利于減薄液膜厚度的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)。（）液膜兩側(cè)的溫度差t。當(dāng)液膜呈層流時，若t加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜厚度增厚，冷凝傳熱系數(shù)減小。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（）流體的

32、物理性質(zhì)。由膜狀冷凝的傳熱系數(shù)計算式可知，冷凝液的密度越大，黏度越小，液膜的厚度越小，冷凝傳熱系數(shù)越大。導(dǎo)熱系數(shù)及汽化潛熱也影響值。（）蒸氣中不凝氣體的含量。若蒸氣中含有空氣及其他不凝性氣體，則壁面被氣體膜所覆蓋，蒸氣冷凝時，必須經(jīng)過氣膜將熱量傳給壁面，由于氣膜的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此形成的一個附加熱阻很大的層，使急劇下降。在靜止蒸氣中，不凝性氣體含量只有1%，對流傳熱系數(shù)會下降60%。因此在設(shè)計和操作中，都必需考慮排除不凝氣體。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（）蒸氣的流速和流向。蒸氣運動時和液膜間產(chǎn)生摩檫力，若蒸氣和液膜同向流動，則摩檫力將使液膜流動加速，厚度變薄，使增大；若兩者逆向流動，則減小。但是

33、如果這種力超過液膜重力，液膜會被蒸氣吹離壁面，此時隨著蒸氣流速的增加，急劇增大。（）冷凝壁面布置。對于水平放置的管束，冷凝液從上部各排管子流下，使下部管排液膜變厚，則變小。垂直方向上管排數(shù)愈多，下降也愈嚴(yán)重。因此應(yīng)采取減小垂直方向上管排數(shù)目或者將管束由直列改為錯列等措施。此外，若冷凝壁面粗糙不平或有氧化層，則會使液膜加厚，因而降低。 第三節(jié) 對 流 傳 熱液體與高溫壁面接觸被加熱汽化，并產(chǎn)生氣泡的過程，稱為液體的沸騰。工業(yè)鍋爐、蒸發(fā)器、再沸器都是將液體加熱至沸騰而生產(chǎn)蒸氣的過程。工業(yè)上液體沸騰的方法有兩種：一種是將加熱壁面浸沒在液體中，液體在壁面處受熱沸騰，稱為大容積沸騰；另一種是液體在管內(nèi)流

34、動時受熱沸騰，稱為管內(nèi)沸騰。后者機理更復(fù)雜，下面主要討論大容積沸騰（又稱池內(nèi)沸騰）。（二）液體的沸騰 第三節(jié) 對 流 傳 熱液體沸騰曲線1. 實驗表明，大容器內(nèi)液體沸騰時，隨著傳熱面與液體溫度差t（即tw-ts）的不同而出現(xiàn)不同類型的沸騰狀態(tài)。下面以常壓下水在大容器中沸騰傳熱為例，討論溫度差t對傳熱系數(shù)的影響。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（）當(dāng)溫度差t較?。╰5 ）時，加熱表面上的液體輕微過熱，使液體內(nèi)部產(chǎn)生自然對流，沒有氣泡從液體中逸出液面，而僅在液體表面上發(fā)生蒸發(fā)，此階段的較低，如圖4-12中AB段所示，通常將此階段稱為自然對流區(qū)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱圖4-12 水的沸騰曲線 第三節(jié) 對

35、流 傳 熱（）當(dāng)t逐漸增大（t為525）時，在加熱表面粗糙不平的地方產(chǎn)生大量的氣泡，且不斷地離開壁面上升至蒸氣空間。氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升使液體受到強烈的擾動，因此急劇增大，如圖4-12中BC段所示，此階段稱為泡核沸騰區(qū)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（）當(dāng)t再增大（t25 ）時，加熱面上的氣泡大量增多，氣泡產(chǎn)生的速度大于它脫離壁面的速度，氣泡在脫離表面之前相互連接。在表面上形成一層蒸氣膜，使加熱面與液體隔開。由于蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)低，氣膜的附加熱阻使急劇下降。當(dāng)氣膜開始形成時是不穩(wěn)定的，大氣泡可能脫離表面，故此階段為不穩(wěn)定的膜狀沸騰或部分泡核沸騰，如圖4-12中CD段所示。當(dāng)達到D點時，加熱面全部被氣

36、膜所覆蓋，開始形成穩(wěn)定的氣膜，以后隨t的增加，又上升，這是由于壁溫升高，輻射傳熱影響所致，如圖4-12中DE段所示。實際上，一般將CDE段稱為膜狀沸騰區(qū)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱 由泡核沸騰向膜狀沸騰過渡的轉(zhuǎn)折點C稱為臨界點。由于泡核沸騰的傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，工業(yè)生產(chǎn)中總是設(shè)法控制在泡核沸騰下操作，因此確定不同液體沸騰時臨界點下的有關(guān)參數(shù)具有實際意義。由于沸騰傳熱機理復(fù)雜，影響因素多，因此的計算也較復(fù)雜。工程計算上多采用一些相似條件下的實驗數(shù)據(jù)，而不一定要進行詳細的計算。例如，水沸騰時， 值一般為17009200 W/(m2)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱影響沸騰傳熱的因素2.（）液體的性質(zhì)。

37、液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度和表面張力等都對沸騰傳熱有重要的影響。一般情況下，隨、的增加而加大，隨和的增加而減小。（）溫度差t。前面已指出，溫度差（tw-ts）是控制沸騰傳熱過程的重要因素。操作溫差應(yīng)控制在核狀沸騰區(qū)。 第三節(jié) 對 流 傳 熱（）操作壓強。提高沸騰壓強即相當(dāng)于提高液體飽和溫度，使液體的表面張力和黏度均減小，有利于氣泡的生成和脫離，強化了沸騰傳熱。在相同的t下，操作壓強愈高，則和q就愈大。（）加熱表面狀況。一般新的或清潔的加熱面的值較大。當(dāng)表面沾上油脂后，會使急劇下降。表面愈粗糙，氣泡核心愈多，愈有利于沸騰傳熱。此外，加熱面的布置情況，對沸騰傳熱也有明顯的影響。 第三節(jié) 對 流 傳

38、 熱 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的選用六、對流傳熱是一個復(fù)雜的傳熱過程，但通過簡化處理，可以得到形式簡單的對流傳熱速率方程。如何求得對流傳熱系數(shù)是解決對流傳熱問題的關(guān)鍵，本節(jié)介紹了不同情況下對流傳熱系數(shù)的計算方法，公式較多，但大體上可分為兩類：一類是用因次分析法確定準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系，通過實驗確定關(guān)系式中的系數(shù)和指數(shù)，屬于半經(jīng)驗公式；另一類是純經(jīng)驗公式。在選用時應(yīng)注意以下幾點： 第三節(jié) 對 流 傳 熱（1）要根據(jù)處理的對象和所要解決的傳熱問題，選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)式；（2）要注意所選用關(guān)聯(lián)式的適用范圍、特性尺寸和定性溫度的要求；（3）要注意正確使用各物理量的單位，對于純經(jīng)驗公式，必須使用公式所需要的單位；（4） 重視數(shù)

39、量級的概念，注意不同狀態(tài)下對流傳熱系數(shù)的差異。 第三節(jié) 對 流 傳 熱一般來說，有相變的對流傳熱系數(shù)要遠大于無相變的對流傳熱系數(shù)，液體的對流系數(shù)要大于氣體的對流傳熱系數(shù)，滴狀冷凝的對流傳熱系數(shù)大于膜狀冷凝的對流傳熱系數(shù)。值的范圍見表4-3。 第三節(jié) 對 流 傳 熱氣體與固體壁面之間、液體與固體壁面之間、有相變流體與固體壁面之間的對流傳熱系數(shù)的數(shù)量級分別為多大？思考題4-3 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 基本概念一、（一）熱輻射 物體因熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程稱為熱輻射，熱輻射的波長范圍可從零到無限大，但熱效應(yīng)顯著的波長范圍為0.420m，其中可見光的波長范圍為0.40.8m，紅外光的

40、波長范圍0.820m?？梢姡椛鋫鳠嶂饕l(fā)生在近紅外區(qū)。 熱輻射和光輻射的本質(zhì)完全相同，兩者的區(qū)別僅在于波長范圍不同。它們都服從反射和折射定律，能在均一介質(zhì)中作直線傳播。在真空和大多數(shù)的氣體（惰性氣體和對稱雙原子氣體）中，熱射線可完全透過，但是對大多數(shù)的固體和液體，熱射線則不能透過。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱（二）黑體、鏡體、透熱體 如圖4-13所示，當(dāng)投射在某一物體表面上的總輻射能為Q時，若有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透過物體。根據(jù)能量守恒定律，可得 第四節(jié) 輻 射 傳 熱若A=1，則表示該物體能全部吸收投射其上的輻射能。這種物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。但應(yīng)指出

41、，黑體是一理想化的觀念，實際上完全的黑體并不存在，僅供在熱輻射計算中作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，如無光澤的黑煤A0.97。若R=1，則表示該物體能全部反射投射其上的輻射能，這種物體稱為鏡體或絕對白體，如磨光的銅鏡R0.97。若D=1，則表示該物體能透過全部輻射能，這種物體稱為透熱體，如單原子和對稱雙原子的氣體可視為透熱體。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱物體的吸收率、反射率和透過率的大小取決于物體的性質(zhì)、表面狀況及輻射能的波長等。一般固體和液體都是不透熱體，即D=0，A+R=1。物體向外發(fā)射輻射能的同時，也不斷地吸收周圍其他物體發(fā)射的輻射能，并將吸收的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。其凈結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量。若兩

42、個換熱物體的溫度相等，則物體間凈輻射傳熱量等于零。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 物體的輻射能力二、 物體的輻射能力是指物體在一定的溫度下單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E表示，單位為W/m2。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱（一）黑體的輻射能力 斯蒂芬-波爾茨曼定律 理論上可證明，黑體的輻射能力與其表面絕對溫度的四次方成正比，即 Eb=oT4(4-41)式中 Eb黑體輻射能力，W/m2；T黑體表面的熱力學(xué)溫度，K；o 黑體的輻射常數(shù)，其值為5.6710-8W/（m2K4）。 式（4-41）即為斯蒂芬-波爾茨曼定律。為了工程計算上的方便，通常將式（4-41）寫成如下形式：式中 Co黑體的輻

43、射系數(shù)，其值為5.67 W/（m2K4）。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱（一）實際物體的輻射能力 在同一溫度下，實際物體的輻射能力均小于黑體的輻射能力。不同物體的輻射能力也有很大的差別。通常以黑體的輻射能力為基準(zhǔn)，引入黑度的概念。 在同一溫度下，實際物體的輻射能力與黑體的輻射能力之比，定義為物體的黑度，用表示，即 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 只要已知物體的黑度，便可由上式求得該物體的輻射能力。 物體的黑度表明實際物體接近于黑體的程度。黑度值取決于物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況（如表面粗糙度及氧化程度），一般由實驗測得。常見的工業(yè)材料的黑度列于表4-4中。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 基爾霍夫定律三、理論證明，任

44、何實際物體的輻射能力與其吸收率的關(guān)系滿足下式：式（4-45）為基爾霍夫定律的數(shù)學(xué)表達式。該式表明任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，即僅和物體的溫度有關(guān)。實際物體的吸收率均小于1，故在任一溫度下，黑體的輻射能力最大。而且物體的吸收率愈大，其輻射能力也愈大。 比較式（4-43）和式（4-45），可以看出A=，即在同一溫度下，物體的吸收率在數(shù)值上等于該物體的黑度，因此，實際物體吸收率均可用其黑度的數(shù)值。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱設(shè)備保溫層外常包有一層薄金屬皮，為減少熱輻射損失，此層金屬皮的黑度值是大了好還是小了好？其黑度值與材料的顏色、光潔度的關(guān)系又是如何？思考題4-4 第

45、四節(jié) 輻 射 傳 熱 兩固體間的輻射傳熱四、 工業(yè)上常遇到兩固體間的相互輻射傳熱。一般用下式表示高溫物體對低溫物體的輻射傳熱速率：式中 Q1-2凈輻射傳熱速率，W；C1-2總輻射系數(shù)，W/（m2K4）；S輻射面積，m2；T1，T2分別為高溫和低溫表面溫度，K；角系數(shù)，無因次。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱總輻射系數(shù)C1-2值取決于壁面的性質(zhì)（值）和兩個壁面的幾何因素（形狀、大小和位置等），幾種典型輻射情況下C1-2計算式列于表4-5中。角系數(shù)表示從表面1發(fā)射的總熱輻射能中，到達表面2上的分?jǐn)?shù)，其值與兩物體表面形狀、尺寸、距離等有關(guān)。若兩平行面面積很大且距離很近時，取=1；若兩平行面面積大小有限，每個

46、壁面所發(fā)射的輻射能只有部分投射到對方壁面上時，可根據(jù)壁面形狀與兩壁面間距離的比值，從圖4-14查得。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 圖4-14 平行面間輻射傳熱角系數(shù)圖1.圓盤形 2.正方形 3.長方形（邊長之比為21） 4.長方形（狹長） 第四節(jié) 輻 射 傳 熱 設(shè)備熱損失的計算五、當(dāng)設(shè)備的外壁面溫度高于環(huán)境溫度時，熱能將有壁面向環(huán)境散失，這部分散失的熱量稱為熱損失。在化工生產(chǎn)中，許多設(shè)備的外壁溫度常高于環(huán)境溫度，此時熱量將以對流和輻射兩種方式自壁面向環(huán)境傳遞而引起熱損失?？捎孟率接嬎?，即 Q=TSw（tw-t）（4-47）式中 T對流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2)。對于

47、有保溫層的設(shè)備，其外壁與周圍環(huán)境的聯(lián)合傳熱系數(shù)T可用如下公式估算。 第四節(jié) 輻 射 傳 熱空氣自然對流（tw150 ）1.平壁保溫層 T=9.8+0.07（tw-t） （4-48）管或圓筒壁保溫層 T=9.4+0.052（tw-t） （4-49） 第四節(jié) 輻 射 傳 熱空氣沿粗糙壁面強制對流2.空氣流速u5 m/s時 T=7.8u0.78 (4-51) 第五節(jié) 傳熱過程的計算 工程上傳熱過程的計算主要有兩類：一類是設(shè)計型計算，即根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的要求，確定換熱器的傳熱面積及其他有關(guān)尺寸，以設(shè)計和選擇換熱器；另一類是校核計算，即判斷一個換熱器能否滿足生產(chǎn)要求或預(yù)測生產(chǎn)中某些參數(shù)（如流體流量和溫度）的

48、變化對換熱器傳熱能力的影響等。兩種計算都是以換熱器的熱量衡算和總傳熱速率方程為計算的基礎(chǔ)。 第五節(jié) 傳熱過程的計算 熱負荷計算一、 熱負荷是指工藝上要求的由于溫度或相的變化而吸收或放出的熱量。 如圖4-15所示，冷、熱兩種流體在間壁式換熱器中進行熱量交換。假設(shè)換熱器保溫良好，熱損失可忽略，則根據(jù)能量守恒定律在單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量，即 Q=qmh（Hh1-Hh2）=qmc（Hc2-Hc1） (4-52)式中 Q換熱器的熱負荷，kJ/h或kW； qm流體的質(zhì)量流量，kg/h； H單位質(zhì)量流體的焓，kJ/kg。 第五節(jié) 傳熱過程的計算圖4-15 熱量衡算圖 第五節(jié) 傳熱過程

49、的計算 若換熱器中兩流體無相變化，且流體的比熱取為平均溫度下的比熱時，用比熱法得到的熱負荷計算公式為 Q=qmhcph（T1-T2）=qmccpc（t2-t1） (4-53)式中 cp流體的平均定壓比熱，kJ/(kg)；T熱流體的溫度， ；tKG0.5mm冷流體的溫度， 。若換熱器中熱流體有相變化，如飽和蒸氣冷凝，而冷流體無相變化時，則熱負荷可用下式計算，即 Q=qmhr=qmccpc（t2-t1） (4-54)式中 r 飽和蒸氣的汽化潛熱，kJ/kg。 第五節(jié) 傳熱過程的計算式（4-54）的應(yīng)用條件是冷凝液在飽和溫度下離開換熱器。 必須注意，熱負荷是由生產(chǎn)任務(wù)決定的，是對換熱器換熱能力的要求

50、，與換熱器自身的傳熱性能無關(guān)，而傳熱速率是本身在一定的操作條件下的換熱能力，是換熱器本身的特性。但在換熱過程中，工藝上要求的熱負荷又是在換熱器中完成的，換熱器的傳熱速率值必須等于或略大于熱負荷值，而在實際設(shè)計換熱器時，通常將傳熱速率與熱負荷在數(shù)值上視為相等，所以通過熱負荷計算可確定換熱器所應(yīng)具有的傳熱速率。再據(jù)此對換熱器進行設(shè)計型計算和操作型計算。 第五節(jié) 傳熱過程的計算何謂熱負荷與傳熱速率？熱量衡算式與速率方程式的差別是什么？思考題4-5 第五節(jié) 傳熱過程的計算 總傳熱速率方程二、 前述的熱傳導(dǎo)、對流傳熱、熱輻射三種傳熱方式，一般對流的溫度低于400 （673 K）時，可忽略輻射傳熱時的影響

51、，所以在熱交換計算中，所涉及的傳熱方式主要是熱傳導(dǎo)和對流傳熱。如圖4-15的列管式換熱器中，假定熱流體在管內(nèi)流動，從進口溫度T1降至出口溫度T2。冷流體在殼程流動，從進口溫度t1升高到出口溫度t2，熱量由熱流體通過壁面?zhèn)鹘o了冷流體?？倐鳠徇^程由三個連續(xù)過程組成： 第五節(jié) 傳熱過程的計算（1）熱流體在流動狀態(tài)下以對流傳熱的方式將熱量傳給列管管壁的內(nèi)側(cè)；（2）熱量從列管的內(nèi)壁面以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到列管外壁面；（3）熱量在外壁面和冷流體之間進行對流傳熱，將熱量傳給冷流體。傳熱過程中的總推動力是冷熱流體間的平均溫度差，熱量傳遞的列管壁面稱為列管換熱器的傳熱面。 第五節(jié) 傳熱過程的計算理論和實驗可以證明

52、，單位時間內(nèi)通過換熱器傳熱面上傳遞的熱量Q (即傳熱速率)與傳熱面積以及冷、熱流體間的平均溫度差tm成正比，用數(shù)學(xué)式表示為 第五節(jié) 傳熱過程的計算 式（4-55）稱為總傳熱速率方程或傳熱基本方程，它是換熱器傳熱計算的重要根據(jù)，無論是核算換熱器的生產(chǎn)能力或是根據(jù)傳熱任務(wù)設(shè)計和選用換熱器，都要用到傳熱基本方程。其中總傳熱系數(shù)K、傳熱平均溫度差tm和傳熱面積A是傳熱過程中的三要素。式中1/KA稱為傳熱總熱阻，表示傳熱速率等于傳熱推動力與傳熱總熱阻之比。 第五節(jié) 傳熱過程的計算 總傳熱系數(shù)三、由總傳熱速率方程可以看出，總傳熱系數(shù)K在數(shù)值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率。總傳熱系數(shù)是表示傳熱設(shè)

53、備性能的重要參數(shù)，也是對傳熱設(shè)備進行計算和評價的依據(jù)。影響K值的因素很多，主要取決于流體的物性、操作條件和換熱器的類型。K值的獲得方法主要通過以下三種途徑: 第五節(jié) 傳熱過程的計算（一）取經(jīng)驗數(shù)值在進行換熱器的傳熱計算時，往往參照工藝條件相仿，設(shè)備類似而有比較成熟的經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為設(shè)計的依據(jù)。表4-6列出了列管換熱器總傳熱系數(shù)經(jīng)驗值的大致范圍。有關(guān)手冊中列有不同情況下K經(jīng)驗值，可供設(shè)計計算時參考。 第五節(jié) 傳熱過程的計算 第五節(jié) 傳熱過程的計算（二）實驗測定K值當(dāng)缺乏經(jīng)驗數(shù)據(jù)和可靠的計算式時，可對換熱器進行實驗測定。即通過測定冷、熱流體的流量，進、出口溫度和傳熱面積，運用熱量衡算和傳熱速率方程，計

54、算出總傳熱系數(shù)K值。測得的K值可作為其他工藝條件相近，處理物料類似，使用同類型換熱器時的參考數(shù)據(jù)，也可用來鑒別現(xiàn)場傳熱過程的好壞，以求對換熱器進行改進和強化。 第五節(jié) 傳熱過程的計算有一套管換熱器，用飽和水蒸氣加熱管內(nèi)的空氣，如要測總傳熱系數(shù)K，需要測定哪些參數(shù)？若要測得飽和水蒸氣一側(cè)的對流傳熱系數(shù)，還需要補測哪些參數(shù)？思考題4-6 第五節(jié) 傳熱過程的計算總傳熱系數(shù)K值計算公式推導(dǎo)1.（三）總傳熱系數(shù)K值的計算 以冷、熱兩種流體在列管換熱器內(nèi)間壁換熱為例，推導(dǎo)總傳熱系數(shù)K值的計算式。如圖4-16所示，設(shè)熱流體在管內(nèi)流動，T1=T2=T(如蒸氣冷凝)，冷流體在管外流動且t1=t2=t（如液體沸騰

55、），即兩流體為間壁恒溫傳熱。熱流體一側(cè)的壁面溫度為Tw，冷流體一側(cè)的壁面溫度為tw，Ai、Ao和Am分別為內(nèi)、外側(cè)和管壁的平均傳熱面積，i、o分別為管內(nèi)、外流體的對流傳熱系數(shù)，為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，b為壁厚。 第五節(jié) 傳熱過程的計算圖4-16 流體與壁間的對流傳熱 第五節(jié) 傳熱過程的計算 如前所述，換熱器間壁兩側(cè)流體間的傳熱包括以下過程： （1）熱流體與管內(nèi)壁間的對流傳熱 第五節(jié) 傳熱過程的計算 第五節(jié) 傳熱過程的計算污垢熱阻的影響2.換熱器在經(jīng)過一段時間運行之后，傳熱壁面往往積存一層污垢，對傳熱形成了附加熱阻，稱為污垢熱阻。在計算總傳熱系數(shù)K值時，一般不能忽略污垢熱阻。污垢熱阻的大小與流體的性質(zhì)

56、、流速、溫度、設(shè)備結(jié)構(gòu)及運動時間等因素有關(guān)。由于污垢層的厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以準(zhǔn)確地測定，通常只能根據(jù)污垢熱阻的經(jīng)驗值進行計算。某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗值可查相關(guān)參考書。 第五節(jié) 傳熱過程的計算 第五節(jié) 傳熱過程的計算關(guān)于K值的幾點討論3.（1）由上述K值的計算式可知，總熱阻等于各分熱阻之和，所以總傳熱系數(shù)K值必定小于管壁兩側(cè)任何一個對流傳熱系數(shù)，即Ki，Ko。 （2）當(dāng)管壁及污垢熱阻可忽略時，對薄管壁而言，式(4-59)可簡化為（3）在總傳熱速率方程式中，應(yīng)注意總傳熱系數(shù)和傳熱面積的對應(yīng)關(guān)系，選擇的面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值不同。習(xí)慣上換熱器以管外面積Ao表示，因此以管外表面積為基準(zhǔn)Ko的

57、應(yīng)用較多。 第五節(jié) 傳熱過程的計算有一間壁式換熱器，管內(nèi)空氣被加熱，管間為飽和水蒸氣，總傳熱系數(shù)K接近于哪一側(cè)的對流傳熱系數(shù)？壁溫接近于哪一側(cè)流體的溫度？思考題4-7 第五節(jié) 傳熱過程的計算 傳熱平均溫度差四、根據(jù)換熱器中兩流體溫度差變化情況，可分為恒溫傳熱和變溫傳熱，而變溫傳熱又可分為一側(cè)流體變溫和兩側(cè)流體變溫兩種情況。 第五節(jié) 傳熱過程的計算（一）恒溫傳熱時的平均溫度差 換熱器間壁兩側(cè)流體均有相變化，如蒸發(fā)器中，飽和蒸氣冷凝和液體沸騰間的傳熱就是恒溫傳熱。此時，冷、熱流體的溫度均不沿換熱器的管長變化，兩者間溫度差在換熱器的不同截面上都相等，即 tm=T-t （4-62）式中 T熱流體的溫度

58、， ； t冷流體的溫度，。 第五節(jié) 傳熱過程的計算（二）變溫傳熱時的平均溫度差 若間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體溫度沿著傳熱壁面在不斷變化，稱為變溫傳熱。下面討論幾種常見的情況。 第五節(jié) 傳熱過程的計算并流和逆流時的平均溫度差1. 圖4-17是單側(cè)流體溫度變化的情況。例如，用飽和蒸氣加熱冷流體，蒸氣冷凝溫度不變，而冷流體的溫度不斷上升，如圖4-17（a）所示；又如用不發(fā)生相變化的熱流體去加熱另一在較低溫度t下沸騰的液體，后者的溫度始終保持在沸點不變，如圖4-17（b）所示。 第五節(jié) 傳熱過程的計算圖4-17 一側(cè)流體變溫時的溫度變化 第五節(jié) 傳熱過程的計算圖4-18 兩側(cè)流體變溫下的溫度差變化圖4-18

59、是兩側(cè)流體溫度均在變化時的情況。其中圖4-18（a）是逆流，即冷、熱流體在傳熱面兩側(cè)流向相反；圖4-18（b）是并流，即冷、熱流體在傳熱面兩側(cè)流向相同。 第五節(jié) 傳熱過程的計算假定熱交換是穩(wěn)定傳熱過程，qmh、qmc均為常數(shù)，沿傳熱面cph、cpc和K也按常數(shù)處理，換熱器的熱損失可以忽略?？衫碚撏茖?dǎo)平均溫度差tm的計算公式為 第五節(jié) 傳熱過程的計算因此，就增加傳熱過程推動力而言，逆流操作優(yōu)于并流操作，可以減少傳熱面積。逆流操作的另一優(yōu)點是可以節(jié)約冷卻劑或加熱劑的用量。因為并流時，t2總是低于T2；而逆流時，t2卻可能高于T2（參見圖4-18）。這樣，對于同樣的傳熱量，逆流冷卻時，冷卻介質(zhì)的溫升

60、可比并流時大，冷卻劑的用量就可少些。同理，逆流加熱時，加熱劑的用量也可少于并流。當(dāng)然，在這種情況下，平均溫差和傳熱面積都將變化，逆流的平均溫差就不一定比并流大。 第五節(jié) 傳熱過程的計算有一管式換熱器，管程走液體，殼程走蒸氣，由于液體入口溫度下降，在液體流量不變的情況下，仍要達到原來的出口溫度，可采取什么措施？思考題4-8 第五節(jié) 傳熱過程的計算錯流和折流時的平均溫度差2.化工生產(chǎn)過程中，為了提高流體的湍動程度，增大K值，很多情況下采用比較復(fù)雜的多程流動，如折流或錯流。圖4-19（a）所示為參與換熱的兩流體在傳熱面兩邊的流動方向相互垂直，稱為錯流。圖4-19（b）所示為其中一邊流體反復(fù)地作折流，