化工基礎(chǔ)傳熱

1、化工基礎(chǔ)傳熱第1頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 傳熱 過(guò)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(guò)程，通常來(lái)說(shuō)有溫度差的存在就有熱的傳遞，也就是說(shuō)溫差的存在是實(shí)現(xiàn)傳熱的前提條件或者說(shuō)是推動(dòng)力，在化工中很多過(guò)程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的目的不外乎是以下三種：1.加熱或冷卻2.換熱3.保溫可見，傳熱過(guò)程是普遍存在的。第一節(jié)：概述第2頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二傳熱的三種基本方式根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射。 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

2、低溫部分傳遞，直到各個(gè)部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象可以用傅立葉(Fourier)定律來(lái)描述。第3頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 對(duì)流傳熱熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在于氣體或液體中，在固體中不存在這種傳熱方式。因?yàn)橹挥辛黧w的質(zhì)點(diǎn)才能發(fā)生相對(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

3、稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。對(duì)流傳熱通常用牛頓冷卻定律來(lái)描述，牛頓冷卻公式表明，單位面積上的對(duì)流傳熱速率與溫差成正比關(guān)系。 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。第4頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二傳熱方式機(jī) 理先決條件具體條件特 點(diǎn)熱傳導(dǎo)微觀粒子的動(dòng)量交換T0接觸物質(zhì)內(nèi)傳熱無(wú)宏觀位移熱對(duì)流冷熱質(zhì)團(tuán)的混合T0混合傳導(dǎo)/對(duì)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(shí)才明顯(ET4)第5頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二三種類型換熱器

4、(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。浴室中水池的水，就是將水蒸汽直接通入冷水中，使冷水加熱，此即直接混合式。(2) 蓄熱式先將熱流體的熱量?jī)?chǔ)存在熱載體上，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?fàn)t中煤氣燃燒系統(tǒng)就是采用蓄熱式換熱。第6頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二(3)間壁式熱流體通過(guò)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。如圖所示。第7頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二夾套式換熱器 熱流體 T1T2t2t1冷

5、流體 套管式換熱器（1內(nèi)管 2外管）第8頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二單程列管式換熱器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9頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二熱傳導(dǎo) 溫度場(chǎng)（1）溫度場(chǎng)某一瞬間，空間（或物體）所有各點(diǎn)溫度分布 定常態(tài)溫度場(chǎng)： 一維定常態(tài)溫度場(chǎng)：（2）等溫面同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中相同溫度各點(diǎn)所組成的曲 面。溫度不同的等溫面彼此不能相交。溫度場(chǎng) 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)物體的溫度分布隨時(shí)間變化 物體中各點(diǎn)溫度與時(shí)間無(wú)關(guān)第10頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，1

6、7點(diǎn)11分，星期二溫度梯度同一等溫面上各點(diǎn)的溫度相同，故沿著等溫面移動(dòng)，溫度無(wú)變化，即無(wú)熱量傳遞；若沿著與等溫面相交的任何方向移動(dòng)，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。一維溫度梯度：gret t+ttt-t第11頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二熱傳導(dǎo)與傅立葉定律 熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律。它是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性定律。實(shí)踐證明，單位時(shí)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 Q傳熱速率，； A導(dǎo)熱面積，；導(dǎo)熱系數(shù)； 溫度梯度。第12頁(yè)，共110頁(yè)，2022年

7、，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二導(dǎo)熱系數(shù)1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)。34計(jì)算公式：多數(shù)物質(zhì) ：溫度系數(shù)第13頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二tt1t2Qx0 xdxb單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)設(shè)(1) 材質(zhì)均勻?yàn)槌?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) t1 t2由傅立葉定律：分離變量后積分: 第14頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)設(shè)（1）材質(zhì)均勻

8、，1234為常數(shù) （2）一維定態(tài)導(dǎo)熱 （3）Q與A均為常量 （4）t1 t2 t3 t4應(yīng)用合比公式 tt1t2t3t4b1b2b3xQ第15頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二工業(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(duì)于三層熱阻的串聯(lián)導(dǎo)熱，穩(wěn)態(tài)下，有第16頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二圓筒壁的穩(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) 溫度沿r而變?cè)O(shè)內(nèi)壁半徑為r1，溫度為t1 外壁半徑為r2，溫

9、度為t2在半徑r處取dr薄層，若圓筒長(zhǎng)L則傳熱面積 A=2rL由傅立葉方程 第17頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二改寫為類似單層平壁的計(jì)算公式：導(dǎo)熱速率第18頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二多層圓筒壁定態(tài)熱傳導(dǎo) tr1r2r3r4t1t2t3t4x同理，對(duì)第二層，可以得到： 利用數(shù)學(xué)中的合比定律得： 推廣到n層圓筒的傳熱速率公式為： 注意的是，通過(guò)各層園筒壁的傳熱速率QW是相同的，但熱通量Q/AW/m2 是不相同的。 第19頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二對(duì)流傳熱一、對(duì)流傳熱過(guò)程分析二、牛頓冷卻定律三、對(duì)流傳熱

10、系數(shù)及其影響因素四、對(duì)流傳熱系數(shù)的因次分析第20頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二由于對(duì)流傳熱的多樣性，有必要將問(wèn)題分類加以研究。第21頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二對(duì)流傳熱的機(jī)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過(guò)程分析 （1）層流邊界層（層流內(nèi)層）內(nèi)：熱傳導(dǎo)，熱阻大；（2）過(guò)渡區(qū)： 熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱共同起作用；（3）湍流區(qū)： 充滿漩渦，混合很好，對(duì)流為主，熱阻小。 第22頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二熱邊界層概念 假設(shè)（1）在壁面附近存在一傳熱邊界層（又稱有效膜），熱

11、量傳遞以傳導(dǎo)傳熱方式進(jìn)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，混合很好，溫度梯度已消失。 牛頓冷卻公式（對(duì)流傳熱速率方程）因此，將對(duì)流傳熱計(jì)算改變?yōu)闊醾鲗?dǎo)計(jì)算按平壁導(dǎo)熱處理，由于式中的傳熱邊界層是難以測(cè)定的，所以仍無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。則： 比例系數(shù)（亦稱給熱系數(shù)） ，對(duì)流給熱強(qiáng)度的標(biāo)志 。 即為牛頓冷卻定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。就是：固體對(duì)流體的給熱傳熱速率Q，與壁面積A成正比，與壁面和流體間的溫度差t成正比。 第23頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二在強(qiáng)制對(duì)流傳熱問(wèn)題中，對(duì)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(dòng)狀況影響, k

12、, 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。 在自然對(duì)流傳熱中，流體流動(dòng)是由浮升力引起的，故將u代以浮升力從而得到自然對(duì)流傳熱中給熱系數(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)。 第24頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素主要影響因素 （1）流體種類及其物性 （2）流體流動(dòng)起因：強(qiáng)制對(duì)流 自然對(duì)流 （3）流體流動(dòng)狀態(tài)： 可見：湍流過(guò)渡流層流（4）有無(wú)相態(tài)變化： 有相態(tài)變化無(wú)相態(tài)變化（5）傳熱表面形狀，相對(duì)位置與尺寸 第25頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，

13、17點(diǎn)11分，星期二對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析 列出主要影響因素：寫成冪函數(shù)形式：量綱形式： 應(yīng)用量綱一致性原理 對(duì)于質(zhì)量 M：1=c+d+e對(duì)于長(zhǎng)度 L：0=a+b-c+d-3e+2f+h對(duì)于時(shí)間 T：-3=-a-c-3d-2f-2h對(duì)于溫度：-1=-d-f 令a,f,h為已知，解得：d=1-f c=-a+f-2he=a+2g b=a+3g-1 第26頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二代入得： 寫成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式: 努賽爾準(zhǔn)數(shù)，表示給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù):雷諾準(zhǔn)數(shù)，表示流動(dòng)狀態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響:普朗特準(zhǔn)數(shù)，表示流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響:格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)，表示自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響:

14、 應(yīng)用公式注意事項(xiàng)：準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式僅是一種經(jīng)驗(yàn)式，不能超出各系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的范圍。借助實(shí)驗(yàn)研究方法求取以上各類別中的具體準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 第27頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二在學(xué)習(xí)為數(shù)繁多的關(guān)聯(lián)式時(shí)，應(yīng)注意以下三個(gè)方面的問(wèn)題。 應(yīng)用范圍 只能在實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)應(yīng)用，外推是不可靠的。定性溫度 取流體進(jìn)，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 傳熱面的幾何因素有時(shí)是很復(fù)雜的，一般選取對(duì)傳熱起決定作 用的幾何因素作為特征尺寸；管內(nèi)流動(dòng)取管內(nèi)徑作為特征尺寸；管外的流動(dòng)取管外徑作為特征尺寸，等等。

15、管內(nèi)對(duì)流傳熱還與流體的入口效應(yīng)有關(guān)，在流動(dòng)邊界層與傳熱邊界層尚未充分發(fā)展的所謂“進(jìn)口段”，給熱系數(shù)還要受到速度分布和溫度分布的影響，進(jìn)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)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式第28頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二式中n值與熱流方向有關(guān)，當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4，當(dāng)流體被冷卻時(shí)，n=0.3。應(yīng)用范圍：Re10000；0.7Pr120； 定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：取為管內(nèi)徑d1。 流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)1 流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流圓形直管強(qiáng)制湍流的給熱系數(shù)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)，對(duì)于低粘度流體，則有A 管內(nèi)

16、流動(dòng) 第29頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二n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(duì)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(shí)的邊界層較厚的緣故。 對(duì)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?yàn)椋寒?dāng)液體被加熱時(shí)，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(shí)際厚度比用液體主體溫度計(jì)算的厚度要薄，給熱系數(shù)較大。第30頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20

17、日，17點(diǎn)11分，星期二液體被加熱 1.05，液體被冷卻 0.95。圓形直管內(nèi)高粘度液體無(wú)相變傳熱，給熱系數(shù)應(yīng)用范圍：Re10000；0.7Pr16700；定性溫度：w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d。對(duì)于l/d60的短管，管入口效應(yīng)校正系數(shù) 第31頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 流體流過(guò)彎曲管道或螺旋管時(shí)，會(huì)引起二次環(huán)流而強(qiáng)化傳熱，給熱系數(shù)應(yīng)乘以一個(gè)大于1的修正系數(shù)：3 流體在非圓形管中流動(dòng)d為管內(nèi)徑，R為彎管曲率半徑。 2 流體在彎管作強(qiáng)制對(duì)流 特征尺寸應(yīng)用當(dāng)量直徑de。第32頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，

18、17點(diǎn)11分，星期二應(yīng)用范圍：Re2300；Pr0.6。定性溫度：w取壁溫，其余取進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：管內(nèi)徑d1。4 流體在圓形管內(nèi)強(qiáng)制滯流5 流體在圓形管內(nèi) 過(guò)渡流在Re=230010000的過(guò)渡區(qū)，作為粗略計(jì)算，可按湍流傳熱的公式計(jì)算h值，然后乘以修正系數(shù)f：第33頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二換熱器殼程都是橫掠管束流動(dòng)，換熱管排列分為直列和錯(cuò)列兩種，流體沖刷直列和錯(cuò)列管束的情景是不同的。錯(cuò)列時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng)，比直列時(shí)在管間走廊通道的流動(dòng)擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，故錯(cuò)列比直列傳熱要快，但錯(cuò)列的流動(dòng)阻力較大，清洗不如直列容易。影響管

19、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) 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。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。B 流體在管外作強(qiáng)制對(duì)流1 流體在管束外橫掠流動(dòng)第34頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二錯(cuò)列 直列第35頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二各排的給熱系數(shù)不同，應(yīng)按下式求其平均值。 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(guò)折流擋板時(shí)，則變?yōu)轫樦茏拥姆较蛄鲃?dòng)。由于流速和流向的不斷變化，Re100即達(dá)到湍流。換熱器內(nèi)裝有圓缺型擋板時(shí)，殼程給熱系

20、數(shù)： (1)Re=312104時(shí)(2)Re=21031106時(shí)2 流體在換熱器殼程的傳熱第36頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 C 自然對(duì)流傳熱系數(shù)所謂大容積自然對(duì)流，如：無(wú)攪拌時(shí)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(duì)流傳熱第37頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二（1）蒸汽冷凝的方式 膜狀冷凝：冷凝液體能潤(rùn)濕壁面，它就在壁面上鋪展成膜，膜狀冷凝時(shí)蒸汽放出的潛熱必須穿過(guò)液膜才能傳遞到壁面上去，此時(shí)液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。若凝液籍重力沿壁下流，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(rùn)濕壁面，在

21、壁面上形成一個(gè)個(gè)小液滴，且不斷成長(zhǎng)變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾下，在下滾過(guò)程中，一方面會(huì)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。 流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽泠凝的對(duì)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(shí)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(shí)，放出冷凝潛熱，供冷流體加熱。 第38頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的方法：一是在壁

22、面上涂一層油類物質(zhì)，二是在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì)。對(duì)紫銅管進(jìn)行表面改性處理，能在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的滴狀冷凝，但在工業(yè)換熱器上應(yīng)用，尚待時(shí)日。（2）蒸汽在水平管外冷凝 可采用下式計(jì)算： r 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)定性溫度取膜溫第39頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二特征尺寸：l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、冷凝液的導(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)蒸汽在垂直管外或垂直板側(cè)的冷凝當(dāng)Re1800時(shí)，膜內(nèi)為滯流若Re1500時(shí)，

23、膜層為湍流第40頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二垂直管外和板側(cè)膜層雷諾數(shù)的表達(dá)式W凝液質(zhì)量流量，kg/s；b浸潤(rùn)周邊長(zhǎng)度，m；M冷凝負(fù)荷，M=W/b；A膜層流通截面積，m2；de液膜當(dāng)量直徑，m。冷凝系統(tǒng)的Re數(shù)表達(dá)式：第41頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二蒸汽流速和流向 蒸汽流動(dòng)會(huì)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(huì)加速液膜的流動(dòng)，使液膜減薄，傳熱加快。不凝性氣體 蒸汽中含有不凝性氣體時(shí)，即使含量極微，也會(huì)對(duì)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(huì)在液膜外側(cè)聚積而形成一

24、層氣膜，冷凝器操作中及時(shí)排除不凝性氣體至關(guān)重要。過(guò)熱蒸汽 溫度高于其飽和溫度的蒸汽稱為過(guò)熱蒸汽，實(shí)驗(yàn)表明，在大氣壓力下，過(guò)熱30的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數(shù)高1%，而過(guò)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(guò)熱的影響，仍按飽和蒸汽進(jìn)行計(jì)算。（4）影響冷凝傳熱的其它因素第42頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二液體的沸騰傳熱 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，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(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)是由自然對(duì)流和汽泡的擾動(dòng)所引起的。

25、 強(qiáng)制對(duì)流沸騰是指液體在管內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中受熱而沸騰的現(xiàn)象，此時(shí)，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動(dòng)，形成汽液兩相流動(dòng)，沿途吸熱，直至全部汽化。液體的沸騰曲線液體主體達(dá)到飽和溫度ts，加熱壁面的溫度tw，隨壁面過(guò)熱度t=tw-ts的增加，沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律。下圖表示水在一個(gè)大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度q與壁面過(guò)熱度t的變化關(guān)系，稱為沸騰曲線。 第43頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二自然對(duì)流核狀沸騰膜狀沸騰ABCDt/K常壓下水沸騰時(shí)與t的關(guān)系第44頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二自然對(duì)流沸騰區(qū)：過(guò)熱度t較小，加熱壁面處的液體輕

26、微過(guò)熱，產(chǎn)生的汽泡在升浮過(guò)程往往尚未達(dá)到自由液面就放熱終結(jié)而消失。其給熱系數(shù)和熱流密度q比無(wú)相變自然對(duì)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(shí)，促進(jìn)近壁液體的摻混和擾動(dòng)，故給熱系數(shù)和熱流密度q都迅速增加，如圖中BC所示。 過(guò)渡沸騰區(qū)：當(dāng)t增大至過(guò)C點(diǎn)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)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(shí)，由于膜內(nèi)輻射傳熱的逐漸增強(qiáng)，給熱系數(shù)和熱流密度q又隨t的增

27、加而升高。燒毀點(diǎn)：由圖可知，點(diǎn)C和E的熱流密度相等。當(dāng)熱流密度增至qc后，為進(jìn)一步提高傳熱速率，t必須增至tE以上，這時(shí)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(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，亦稱為燒毀點(diǎn)。第45頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二圖中示出垂直管內(nèi)液體沸騰過(guò)程中出現(xiàn)的流動(dòng)型態(tài)和傳熱類型，液體進(jìn)入管內(nèi)至開始產(chǎn)生汽泡的這一段為單相液體的無(wú)相變加熱過(guò)程，液體開始產(chǎn)生汽泡時(shí)，液體主體尚未達(dá)到飽和溫度，處于過(guò)冷狀態(tài)，稱為過(guò)冷沸騰。繼續(xù)加熱而至飽和溫度時(shí)，即進(jìn)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(jìn)一步增加，大汽塊進(jìn)一步合并，在管中心形成汽芯，

28、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，稱為蒸干。對(duì)濕蒸汽繼續(xù)加熱，最后進(jìn)入干蒸汽的單相傳熱區(qū)。第46頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二汽泡的生成依賴于兩個(gè)條件：一是液體必須過(guò)熱；二是加熱壁面上應(yīng)存在有汽化核心。傳熱表面的汽化核心與該表面的粗糙程度，氧化情況以及材質(zhì)等諸多因素有關(guān)，這是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，有些情況至今尚不清楚，目前比較一致的看法是：粗糙表面上微細(xì)的凹縫或裂穴最可能成為汽化核心，在凹穴中吸附了微量的氣體或蒸汽，這里就成為孕育新生汽泡的胚胎。 沸騰傳熱過(guò)程的機(jī)理 影響沸騰傳熱的因素： a 流體物性：Cp， 表面張力 b 溫度差：在核心沸騰時(shí)

29、c 操作壓力：影響液體的飽和溫度，使得表面張力下降，氣泡 易生成與脫離壁面 d 加熱面狀態(tài)：粗糙程度，有無(wú)油污 第47頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二輻射傳熱一、基本概念不直接接觸的兩物體可以不依賴其間的任何介質(zhì)而傳遞輻射熱，通常把物體發(fā)射輻射能以及輻射能的傳播稱為輻射，如果發(fā)射的輻射能是與物體的溫度有關(guān)的熱能轉(zhuǎn)換，則稱為熱輻射。熱射線在物理本質(zhì)上與光射線一樣服從反射和折射定律。當(dāng)物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時(shí)，一部分被物體吸收(QA),一部分被反射回去(QR), 一部分透過(guò)物體(QD), 其中被吸收的這部分可以轉(zhuǎn)化為熱能。Q=QA+QR+QDA + R

30、+ D = 1QQDQAQR第48頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二黑體：當(dāng)A=1, R=D=0時(shí)，表明輻射能全部被吸收。自然界中并不存在絕對(duì)黑體，黑墨表面， A=0.960.98，定義黑體的目的是為了在計(jì)算中確定一個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)。透熱體：當(dāng)D=1, A=R=0時(shí)，表明輻射能全部透過(guò)物體。例如對(duì)稱雙原子氣體O2、N2、H2等都是透熱體?；殷w：工業(yè)上常見固體材料被稱作“灰體”，所謂灰體是指它只能部分地吸收發(fā)射來(lái)的熱射線，其余則反射回去，即A+R=1。固體材料的吸收率和反射率的大小取決于物體的性質(zhì)，溫度和表面狀況。鏡體：當(dāng)R=1, A=D=0時(shí)，表明輻射能全部被反射。自然界

31、中也不存在絕對(duì)鏡體，例如表面拋光的銅，其反射率R=0.97。黑體 白體 透明體 不透明體 灰體第49頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二假想物體定義ARD較接近的實(shí)物黑體能全部吸收輻射能的物體100表面粗糙紅磚白/鏡體能全部反射輻射能的物體010表面磨光的銅透熱體能透過(guò)全部輻射能的物體001單原子/對(duì)稱雙原子氣體灰體能以相同的吸收率且部分地吸收0所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體1- 0一般固、液體第50頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二斯蒂芬波爾茨曼定律黑體的輻射能力與絕對(duì)溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式。E物體的輻射能力，單位時(shí)

32、間內(nèi)物體單位面積發(fā)射總輻射能，因次為W/m2。C0黑體輻射系數(shù)，C0=5.669 W/(m2K4)。黑體輻射能力E0與絕對(duì)溫度T關(guān)系為：第51頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二實(shí)際物體的輻射能力可表示為灰體的輻射系數(shù)即物體的黑度。將黑體作為輻射計(jì)算的比較標(biāo)準(zhǔn)。黑度：灰體輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比，以表示：黑體的輻射能力最大，物體吸收率越大，輻射能力越強(qiáng)。第52頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二上式即為克?；舴蚨??？讼；舴蚨稍O(shè)有兩塊相距很近平行平板。若板1為灰體，其輻射能力、吸收率和溫度分別為E1、A1和T1，板2為黑體，其輻射能力

33、，吸收率和溫度分別為E0,A0和T0，且T1T0，板1發(fā)射的能量為E1，獲得的能量為A1E0，其差額即凈的輻射傳熱量Q=E1-A1E0當(dāng)兩個(gè)物體的溫度相等時(shí)，輻射傳熱達(dá)到平衡狀態(tài)，即Q=0，也即E1=A1E0或E1/A1=E0，則得12E1（1 A1）E0E0A1 E0第53頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二比較得A =，即同一溫度下，物體的黑度在數(shù)值上等于它的吸收率。上式為灰體輻射能力的計(jì)算公式，為求灰體的輻射能力，需知灰體的黑度。黑度值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其值與材料的性質(zhì)，溫度和表面狀況有關(guān)，常用材料的黑度列于表中。第54頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17

34、點(diǎn)11分，星期二材料溫度紅磚200.93耐火磚0.80.9鋼板(氧化的)2006000.8鋼板(拋光的)94011000.550.61鋁(氧化的)2006000.110.19鋁(拋光的)2255750.0390.057銅(氧化的)2006000.570.87銅(拋光的)0.03鑄鐵(氧化的)2006000.640.78鑄鐵(拋光的)3309100.60.7某些工業(yè)材料的黑度第55頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二兩固體間的輻射傳熱若兩物體的溫度各為T1和T2，且T1T2，則物體1發(fā)射E1至物體2時(shí)，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物體部分吸收和部分反

35、射，如此無(wú)窮往返直至E1被全吸收為止，從物體2發(fā)射的輻射能E2，也要經(jīng)歷反復(fù)吸收和反射的過(guò)程。發(fā)射或反射的能量不一定能全部投射到對(duì)方物體上，因此，在計(jì)算兩固體間輻射傳熱時(shí)，必須考慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小，以及兩者之間的距離和位置。較高溫度的物體1傳給較低溫度的物體2的輻射熱量：C1-2總輻射系數(shù)，它與兩個(gè)灰體的黑度和相對(duì)位置有關(guān);Aw輻射面積，m2;角系數(shù)，表示物體1發(fā)射能量被物體2截獲的百分率。下表給出了幾種簡(jiǎn)單情況下輻射面積，角系數(shù)和總輻射系數(shù)的確定方法。第56頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二第57頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二許多化工設(shè)備的外壁溫度高于周圍環(huán)境大氣的溫度，這些設(shè)備的表面以對(duì)流和輻射兩種形式向環(huán)境大氣散失熱量，因此，設(shè)備的熱損失應(yīng)為對(duì)流傳熱量和輻射傳熱量之和，由于對(duì)流而損失的熱量為設(shè)備的熱損失由于輻射而損失的熱量：對(duì)流和輻射的聯(lián)合傳熱第58頁(yè)，共110頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)11分，星期二 式中 ：稱為對(duì)流輻射聯(lián)合給熱系數(shù)。為減少熱損失，常在設(shè)備表面上敷設(shè)一層或若干層保溫層，保溫層的存在，加大了設(shè)備的導(dǎo)熱熱阻，使保溫層外表面的溫度tw大為降低，從而削弱熱損失。聯(lián)合給熱系數(shù)用下列近似關(guān)系式計(jì)算。在平壁保溫層外：在管道或圓筒壁保溫層外：因設(shè)備被環(huán)境大氣所包圍，=1，于是