傳熱原理2022優(yōu)秀文檔

一.概述1.傳熱學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史18世紀(jì)30年代首先從英國(guó)開(kāi)始的工業(yè)革命促進(jìn)了生產(chǎn)力的空前發(fā)展。生產(chǎn)力的發(fā)展為自然科學(xué)的發(fā)展成長(zhǎng)開(kāi)辟了廣闊的道路。傳熱學(xué)這一門(mén)學(xué)科就是在這種大背景下發(fā)展起來(lái)的。導(dǎo)熱和對(duì)流兩種基本熱量傳遞方式早為人們所認(rèn)識(shí)，第三種熱輻射方式是在1803年發(fā)現(xiàn)了紅外線后才確認(rèn)的。三種方式基本理論的確立經(jīng)歷了各自獨(dú)立的歷程。傅里葉(J.B.J.Fourier)(1768-1830)--導(dǎo)熱理論的奠基人,法國(guó)人；雷諾(O.Reynolds)--流動(dòng)理論的先驅(qū),英國(guó)人；努塞爾(W.Nusselt)(1882-1957)--對(duì)流理論的杰出先驅(qū),德國(guó)傳熱學(xué)家；普朗特（）(1875-1953)--邊界層概念的提出者,德國(guó)物理學(xué)家;玻耳茲曼(L.Boltzmann)(1844-1906)—熱輻射理論的先驅(qū),奧地利物理學(xué)家;計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展,用數(shù)值方法對(duì)傳熱問(wèn)題的分析研究取得了重大進(jìn)展,在20世紀(jì)70年代已經(jīng)形成一個(gè)新興分支--數(shù)值傳熱學(xué);顯示出它的巨大活力。當(dāng)今，傳熱學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門(mén)理論體系初具和發(fā)展充滿(mǎn)活力的基礎(chǔ)學(xué)科.能源技術(shù),環(huán)境技術(shù),材料科學(xué),微電子技術(shù),空間技術(shù)等新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,向傳熱學(xué)提出了新的課題和挑戰(zhàn)。

2.研究傳熱過(guò)程的目的和任務(wù)

研究傳熱過(guò)程的目的是應(yīng)用傳熱學(xué)規(guī)律，解決工程上實(shí)際問(wèn)題。如在某種場(chǎng)合要求盡快把熱量傳遞出去，使物體冷卻下來(lái)，也就是如何增強(qiáng)傳熱過(guò)程，如壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器，空分設(shè)備各種換熱器等；在另一種場(chǎng)合又要求防止和減少熱散失，把熱量保存起來(lái)，也就是如何削弱傳熱過(guò)程，如冷箱保溫，暖水瓶等。這是熱量傳遞的兩個(gè)方面，是我們經(jīng)常要碰到的問(wèn)題，應(yīng)用傳熱學(xué)原理去給予解決和分析。隨著世界性的能源危機(jī)波及到了裝備制造業(yè)及石油化工這些耗材及能耗的大戶(hù)，以及國(guó)家節(jié)能減排長(zhǎng)期國(guó)策的確立，作為能量回收裝備—熱交換設(shè)備，提高傳熱效能及降低能耗的研究已被提高到了很重要的地位。這些研究歸納為以下幾個(gè)方面：1）傳熱與流動(dòng)研究：旨在提髙傳熱及壓降計(jì)算的準(zhǔn)確性以及尋求提髙傳熱效率，降低壓降的途徑。2）換熱設(shè)備大型化、新型熱交換設(shè)備的開(kāi)發(fā)及降低能耗、節(jié)水的研究。

3.熱量傳遞

凡是不同物體之間或同一物體不同部分存在溫度差（即t1-t2＞0），就一定有熱量傳遞，而熱量傳遞總是自動(dòng)地由高溫物體傳向低溫物體?！胺灿袦囟炔畲嬖冢陀袩崃總鬟f”。溫度場(chǎng)：象重力場(chǎng)，速度場(chǎng)一樣，物體中存在著溫度場(chǎng)，他是各時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱(chēng)，有兩大類(lèi)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化，如變工況，熱機(jī)在啟動(dòng)或者停車(chē)時(shí)。4.換熱器分類(lèi)換熱器分類(lèi)加熱,蒸發(fā)按使用目的按結(jié)構(gòu)按材料金屬冷卻,冷凝非金屬間壁式混合式樣蓄熱式按工作原理管殼式板式左圖為間壁式換熱器熱量傳遞示意圖

右圖為蓄熱式換熱器熱量傳遞示意混合式換熱器熱量傳遞示意圖二.傳熱基本原理1.熱量傳遞三種基本方式熱量傳遞的過(guò)程往往是熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式的組合。最常見(jiàn)的是冷流體和熱流體被壁面隔開(kāi)，熱量從熱流體穿過(guò)壁面?zhèn)鬟f給冷流體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為熱量傳遞。例如各種管式和板翅式換熱器。⑴.熱傳導(dǎo)和熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱和導(dǎo)熱系數(shù)）熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子和原子的微觀運(yùn)動(dòng)所引起的一種熱量傳遞方式。如:固體內(nèi)部熱量從溫度較高的部分傳遞到溫度較低部分,以及溫度較高的固體把熱量傳遞給與之相接觸的溫度較低的另一固體,都是導(dǎo)熱現(xiàn)象。從微觀角度看，氣體，液體，導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理有所不同。金屬是自由電子運(yùn)動(dòng)；非金屬和液體是原子或分子平衡位置振動(dòng)；氣體是分子不規(guī)則碰撞。所以，熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中都能發(fā)生。 溫度場(chǎng)：象重力場(chǎng)，速度場(chǎng)一樣，物體中存在著溫度場(chǎng)，他是各時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱(chēng)，有兩大類(lèi)：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化，如變工況，熱機(jī)在啟動(dòng)或者停車(chē)時(shí)。

★穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱—幾種典型幾何形狀的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱☆平壁熱傳導(dǎo)計(jì)算為：W

從式可以看出,溫差Δt愈大，傳導(dǎo)的熱量也愈大。δ/λ愈大，熱流密度就愈小，它表明了阻礙熱傳導(dǎo)阻力的大小。用熱阻（δ/λ）概念分析判斷傳熱過(guò)程的強(qiáng)弱極為有用。為了增強(qiáng)熱傳導(dǎo)，就應(yīng)該使熱阻減小，這時(shí)可選用薄壁和熱導(dǎo)率大的材料。相反，要求保溫的場(chǎng)合，為削弱傳熱，就要增大熱阻，選用厚壁和熱導(dǎo)率小的材料。λ——熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)

W/m·℃）,是表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，取決于物質(zhì)的種類(lèi)和熱力狀態(tài)（T,P）.W/m·℃

q熱流密度-在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)每平方米表面積所傳導(dǎo)的熱量。

☆無(wú)限長(zhǎng)圓筒壁的熱傳導(dǎo)計(jì)算為W；

從式可以看出,溫差Δt愈大，傳導(dǎo)的熱量也愈大。通過(guò)圓筒壁導(dǎo)熱時(shí)，不同半徑處的熱流密度與半徑成反比，但是通過(guò)整個(gè)圓筒壁面的熱流量為常數(shù)，不隨半徑而異。

☆球殼的熱傳導(dǎo)計(jì)算為

熱導(dǎo)率λ（導(dǎo)熱系數(shù)）

一般地說(shuō)，熱導(dǎo)率的數(shù)值以金屬最大，液體次之，氣體最小。常用材料的熱導(dǎo)率見(jiàn)下表。絕熱材料（隔熱材料，保溫材料）熱導(dǎo)率較小的固體材料有良好的絕熱效果，GB4272-92中規(guī)定平均溫度不高于350℃時(shí)熱導(dǎo)率小于0.12W/m·℃的材料稱(chēng)為絕熱材料。一般絕熱材料含有水分時(shí)，熱導(dǎo)率會(huì)顯著增大，所以空分設(shè)備冷箱中絕熱材料應(yīng)保持干燥。常用絕熱材料有珠光砂（膨脹珍珠巖）、碳酸鎂、玻璃棉等。材料名稱(chēng)熱導(dǎo)率λ[W/（m·℃）]材料名稱(chēng)熱導(dǎo)率λ[W/（m·℃）]銅383礦渣棉0.04～0.046鋁204玻璃棉0.037鋼約47珠光砂0.035不銹鋼29碳酸鎂0.026～0.038木材0.12水約0.58紅磚0.23～0.58空氣0.023

★非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱特點(diǎn)與基本概念

※物體的溫度隨時(shí)間而變化的導(dǎo)熱過(guò)程稱(chēng)為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，其過(guò)程伴隨著加熱或冷卻的過(guò)程；

※由于物體各處本身溫度的變化要積聚或消耗熱量，在垂直于熱量傳遞方向上，每一截面上熱流量處處不相等；

※分為周期性和非周期性?xún)煞N類(lèi)型：周期性的-物體各點(diǎn)溫度及熱流密度隨時(shí)間周期性變化；

※求解的實(shí)質(zhì)是在特定的邊界條件和初始條件下獲得導(dǎo)熱體的瞬時(shí)溫度分布和在一定時(shí)間間隔內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量；☆熱擴(kuò)散率：α=λ/ρcm2/s它表示物體傳遞溫度變化的能力?！钗鼰嵯禂?shù)（λρc）0.5在半無(wú)限大物體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱☆時(shí)間常數(shù)：τ=ρcV/(hA),反映測(cè)溫元件精度很重要的指標(biāo)之一，它表征導(dǎo)熱體溫度隨流體溫度變化的快慢。不僅取決于幾何參數(shù)（V/A）和物性參數(shù)（ρc），還取決于換熱條件（h），而h是過(guò)程量，因而在不同的條件下時(shí)間常數(shù)是變化的，不是常數(shù)。

☆一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的三種情形

按Bi（）數(shù)大小的不同，一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱存在下圖所示的三種情形：

§.1/h《δ/λBi→∞表面對(duì)流換熱熱阻1/h幾乎可以忽略不計(jì)，因而過(guò)程一開(kāi)始平板的表面溫度就被冷卻到

t∞

,隨著時(shí)間推移，平板內(nèi)部各點(diǎn)的溫度逐漸下降而趨近于t∞§.δ/λ《1/hBi→0平板內(nèi)部熱阻δ/λ幾乎可以忽略不計(jì)，因而任一時(shí)刻平板內(nèi)部各點(diǎn)的溫度逐漸下降而趨近于t∞，采用集總參數(shù)法，溫度僅為時(shí)間的函數(shù)，與空間坐標(biāo)無(wú)關(guān)；§.δ/λ≈1/hBi為有限大小平板內(nèi)部不同時(shí)刻的溫度介于上述兩種極端情況之間。⑵．對(duì)流放熱和對(duì)流放熱系數(shù)對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，從而流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而對(duì)流必然伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。工程上，特別感興趣的是流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)的熱量傳遞過(guò)程，稱(chēng)之為對(duì)流放熱。對(duì)流放熱只可能發(fā)生在氣體和液體中。對(duì)流放熱計(jì)算式為

W用熱流密度來(lái)表示對(duì)流放熱W/m2為對(duì)流放熱系數(shù)（W/m2·℃），它表示放熱過(guò)程強(qiáng)弱，它與流體物性、流動(dòng)狀態(tài)、換熱面積和傳熱表面幾何形狀等有關(guān)。工業(yè)上使用的換熱器中流體的放熱，絕大部分屬于受迫對(duì)流放熱。（1）對(duì)流放熱形式如下表所列:對(duì)流換熱自然對(duì)流無(wú)相變圓管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流其它形狀截面管道內(nèi)沸騰換熱冷凝換熱有相變內(nèi)部流動(dòng)外部流動(dòng)混合對(duì)流外掠平板外掠單根圓管外掠圓管管束射流沖擊換熱外掠其它形狀截面柱體大空間有限空間管內(nèi)冷凝管外冷凝管內(nèi)沸騰大空間沸騰對(duì)流換熱的分類(lèi)樹(shù)（3）應(yīng)盡可能提高較小一個(gè)放熱系數(shù)或增大放熱系數(shù)小的一側(cè)的換熱面積，以減小熱阻。對(duì)傳熱方程分析可見(jiàn)，K值表示傳熱強(qiáng)化標(biāo)志，強(qiáng)化傳熱可節(jié)省材料消耗和增大熱流量，提高生產(chǎn)率。最常見(jiàn)的是冷流體和熱流體被壁面隔開(kāi)，熱量從熱流體穿過(guò)壁面?zhèn)鬟f給冷流體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為熱量傳遞。液氧（管內(nèi)）從式可以看出,溫差Δt愈大，傳導(dǎo)的熱量也愈大?！胺灿袦囟炔畲嬖?，就有熱量傳遞”。強(qiáng)制對(duì)流還是自然對(duì)流小型空分設(shè)備冷凝蒸發(fā)器一般多采用此結(jié)構(gòu)型式，傳熱系數(shù)較小，約在500~550W/m2·℃范圍內(nèi)，傳熱溫差在2~2.N層通道傳熱面積多股流換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算是把多股流轉(zhuǎn)化成兩股進(jìn)行設(shè)計(jì)。熱導(dǎo)率較小的固體材料有良好的絕熱效果，GB4272-92中規(guī)定平均溫度不高于350℃時(shí)熱導(dǎo)率小于0.紊流時(shí)流體速度的分布與拋物線相似，但曲線頂部較平坦，其平均速度為中心速度的左右。只有改變分熱阻中較大項(xiàng)，才能收到效果，達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的。冷凝放熱與液膜厚薄有關(guān)，液膜厚度與其流向和流動(dòng)形態(tài)有關(guān)。對(duì)流放熱系數(shù)比較各種類(lèi)型的對(duì)流放熱，大致可以得出以下結(jié)論：液體的對(duì)流放熱系數(shù)比氣體高；同一種流體，受迫對(duì)流放熱比自然對(duì)流強(qiáng)烈。有相變的對(duì)流放熱系數(shù)比無(wú)相變的對(duì)流放熱系數(shù)大。對(duì)流放熱系數(shù)通常根據(jù)實(shí)驗(yàn),比擬，分析，數(shù)值法確定，大致范圍見(jiàn)下表。放熱性質(zhì)放熱系數(shù)α[W/（m2·℃）]放熱性質(zhì)放熱系數(shù)α[W/（m2·℃）]

水蒸氣冷凝4600～17400水的沸騰600～52300氮的冷凝2000～2300

油的加熱或冷卻60～1750氧的沸騰1400～2100

空氣的加熱或冷卻10～115

水的加熱或冷卻600～930⑶．輻射當(dāng)一物體的熱能先轉(zhuǎn)化為輻射能，以電磁波形式傳播給另一物體，另一物體吸收了部分輻射能，并轉(zhuǎn)化熱能，兩個(gè)溫度不等的物體以這種方式的熱量傳遞過(guò)程稱(chēng)輻射。當(dāng)物體與周?chē)h(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射換熱量等于零，但這是動(dòng)態(tài)平衡，輻射和吸收過(guò)程仞在不停地進(jìn)行。電磁波的傳播不需要中間介質(zhì)，因而輻射換熱是真空中唯一的熱傳遞方式。區(qū)別于前兩者的另一特點(diǎn)是輻射還伴隨著能量的轉(zhuǎn)換。發(fā)射時(shí)熱能轉(zhuǎn)換成輻射能，吸收時(shí)再?gòu)妮椛淠苻D(zhuǎn)換成熱能。輻射換熱的計(jì)算式為Wε系統(tǒng)黑度；C0

黑體輻射系數(shù)。具體計(jì)算參見(jiàn)機(jī)械工程手冊(cè)熱工篇?？辗衷O(shè)備中流體與設(shè)備壁面的溫度均較低，溫差很小，輻射不是主要的傳熱方式，一般不加考慮。只有在低溫液體貯運(yùn)設(shè)備（貯槽，輸液管等）才必須加以詳細(xì)計(jì)算。⑷．多種傳熱方式組合熱量傳遞以熱傳導(dǎo)、對(duì)流放熱、輻射三種方式進(jìn)行。在工程上，熱量傳遞通常不是以單一形式存在，而往往是二種或三種方式的組合?，F(xiàn)以空分設(shè)備為例來(lái)說(shuō)明。主換熱器空氣對(duì)流壁面1熱傳導(dǎo)壁面2對(duì)流氧氣（或氮?dú)猓├淠舭l(fā)器氣氮冷凝壁面1熱傳導(dǎo)壁面2沸騰液氧貯槽外界大氣自然對(duì)流外殼外壁熱傳導(dǎo)外殼內(nèi)壁輻射內(nèi)膽外壁熱傳導(dǎo)內(nèi)膽內(nèi)壁自然對(duì)流液氧（或液氮）2.傳熱方程和傳熱系數(shù)

⑴.傳熱方程間壁式換熱器傳熱過(guò)程是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：熱流體(溫度tf1)把熱量傳給壁面1（溫度tw1）的對(duì)流放熱過(guò)程；熱量由壁面1傳遞給壁面2（溫度tw2）的熱傳導(dǎo)過(guò)程；由壁面2把熱量傳遞給冷流體（溫度tf2）的對(duì)流放熱過(guò)程。其對(duì)應(yīng)熱流密度分別表示為：在穩(wěn)定傳熱情況下，三個(gè)環(huán)節(jié)熱流量相等，即,于是

得傳熱系數(shù)K為對(duì)金屬換熱器來(lái)說(shuō)，金屬的熱導(dǎo)率較大又壁薄，熱阻很小，可忽略不計(jì)，所以式可簡(jiǎn)化為由式得所以傳熱方程為

※由于物體各處本身溫度的變化要積聚或消耗熱量，在垂直于熱量傳遞方向上，每一截面上熱流量處處不相等；冷凝蒸發(fā)器翅片效率根據(jù)長(zhǎng)桿導(dǎo)熱機(jī)理表達(dá)為綜上所述，液氧在管內(nèi)沸騰放熱的流體動(dòng)力學(xué)特征，是在沸騰壁面上形成一層迅速流動(dòng)的以高強(qiáng)度進(jìn)行放熱的薄膜液層，使之有較大的放熱系數(shù)?！顣r(shí)間常數(shù)：τ=ρcV/(hA),反映測(cè)溫元件精度很重要的指標(biāo)之一，它表征導(dǎo)熱體溫度隨流體溫度變化的快慢。輻射換熱的計(jì)算式為W通常是根據(jù)理論計(jì)算和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較，選取合適的傳熱系數(shù)K。2）換熱設(shè)備大型化、新型熱交換設(shè)備的開(kāi)發(fā)及降低能耗、節(jié)水的研究。式中分別是沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)?！胺灿袦囟炔畲嬖?，就有熱量傳遞”。熱傳導(dǎo)和熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱和導(dǎo)熱系數(shù)）其對(duì)應(yīng)熱流密度分別表示為：Re≥10000紊流比較各種類(lèi)型的對(duì)流放熱，大致可以得出以下結(jié)論：一般絕熱材料含有水分時(shí)，熱導(dǎo)率會(huì)顯著增大，所以空分設(shè)備冷箱中絕熱材料應(yīng)保持干燥。⑵.傳熱系數(shù)影響傳熱系數(shù)的因素很多，正確的確定傳熱系數(shù)是換熱器設(shè)計(jì)關(guān)鍵。通常是根據(jù)理論計(jì)算和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析比較，選取合適的傳熱系數(shù)K。

型

式

熱流體冷流體K[W/（m2·℃）]

蓄冷器卵石空氣氧、氮10鋁帶30盤(pán)管式蓄冷器內(nèi)空氣氧、氮30熱交換器空氣氧、氮100～160輔助冷凝器氣氮冷凝液氧蒸發(fā)350

列管式氣氣35～80氣液60～300冷凝蒸發(fā)器長(zhǎng)管式氣氮（管間）

液氧（管內(nèi)）約650短管式氣氮（管內(nèi)）

液氧（管間）約500板翅式氣氮液氧約650板翅式切換換熱器空氣氧、氮、污氮、環(huán)流60～80過(guò)冷器液空氮110液氮氮80液氧氧60液化器液空氧、氮約100⑶．強(qiáng)化傳熱途徑對(duì)傳熱方程分析可見(jiàn)，K值表示傳熱強(qiáng)化標(biāo)志，強(qiáng)化傳熱可節(jié)省材料消耗和增大熱流量，提高生產(chǎn)率。從公式可知，增大傳熱系數(shù)必須減小熱阻。傳熱熱阻是三項(xiàng)分熱阻之和，分熱阻中數(shù)值較大者，對(duì)總熱阻影響較大。只有改變分熱阻中較大項(xiàng)，才能收到效果，達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的。（1）為了減小金屬壁導(dǎo)熱熱阻δ/λ,可采用薄壁和熱導(dǎo)率較大的材料。（2）為了減少兩側(cè)流體的對(duì)流放熱熱阻和，可采用提高流速，增加對(duì)流體的擾動(dòng)來(lái)提高放熱系數(shù)。（3）應(yīng)盡可能提高較小一個(gè)放熱系數(shù)或增大放熱系數(shù)小的一側(cè)的換熱面積，以減小熱阻。（4）當(dāng)兩側(cè)流體放熱系數(shù)相近時(shí)，必須同時(shí)提高兩側(cè)流體的放熱系數(shù)。

3.流體流向與傳熱溫差（1）流體流向

換熱器傳熱溫差與流體的溫度變化規(guī)律及相對(duì)流向有關(guān)，如右圖所示。 可以看出，順流時(shí)冷流體的出口溫度低于熱流體的出口溫度，而逆流時(shí)，冷流體的出口溫度可以高于熱流體的出口溫度。所以，逆流布置時(shí)，冷、熱流體間有最大平均溫差，換熱量最大，錯(cuò)流次之，順流時(shí)溫差最小。⑵計(jì)算流體平均溫差的三種方法算術(shù)平均溫差

對(duì)數(shù)平均溫差

，

流體兩端溫差中較大者和較小者。積分平均溫差在壓力較高，氣體溫度在液化點(diǎn)附近，比熱變化劇烈，此時(shí)流體平均溫差按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算，誤差較大，應(yīng)采用積分平均溫差求得流體傳熱溫差,計(jì)算方法如下：作放熱曲線圖把曲線分成數(shù)個(gè)區(qū)間，使每個(gè)區(qū)間內(nèi)曲線近似看作直線分別計(jì)算每個(gè)區(qū)間的對(duì)數(shù)平均溫差加權(quán)計(jì)算

MTD

如果按一整段直接計(jì)算平均溫差，得到：如果按二段計(jì)算平均溫差，得到：流體為錯(cuò)流時(shí)，可在逆流對(duì)數(shù)平均溫差基礎(chǔ)上給予修正?？蓮臋C(jī)械工程手冊(cè)熱工篇查得三.流體流動(dòng)與對(duì)流放熱1流體流動(dòng)狀態(tài)

層流流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體的平均速度不大，各流體微團(tuán)彼此平行地分層流動(dòng)，互不干擾與混雜。層流時(shí)，流體速度沿管道直徑呈拋物線分布，管中心速度最大，沿曲線漸近管壁側(cè)速度漸小，以至于零，其平均速度為中心速度一半。紊流隨著流體平均速度增加到足夠大時(shí)，各流體微團(tuán)發(fā)生強(qiáng)烈的混合和摻雜，不僅有沿著主流方向運(yùn)動(dòng)，而且還有垂直于主流方向的運(yùn)動(dòng)。紊流時(shí)流體速度的分布與拋物線相似，但曲線頂部較平坦，其平均速度為中心速度的左右。紊流時(shí)由于流體粘性力存在，在緊貼壁面一層流體，仍保持粘性流動(dòng)，此層流為紊流流動(dòng)時(shí)的層流底層（又稱(chēng)邊界層）。層流底層的厚度隨平均速度增加而減薄。

圖3-4管內(nèi)流動(dòng)截面上速度分布a)層流b)紊流δ—層流底層厚度流體沿邊界流動(dòng)都有層流和紊流二種流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，它可用一個(gè)無(wú)因次相似準(zhǔn)則群作判據(jù)，稱(chēng)雷諾數(shù)，用Re表示。式中ρ流體密度kg/m3μ動(dòng)力粘度Pa·SW平均流速m/sν運(yùn)動(dòng)粘度過(guò)m2/sU流道的浸潤(rùn)周邊mf流道的流通截面積m2de當(dāng)量直徑m

（）以臨界雷諾數(shù)作判據(jù)，有以下規(guī)律：

Re＜2300層流

Re≥10000紊流

2300＜Re＜10000過(guò)渡流（又稱(chēng)不穩(wěn)定流）

2影響對(duì)流放熱因素流體對(duì)流放熱影響因素有:強(qiáng)制對(duì)流還是自然對(duì)流流體有無(wú)相變層流與紊流流體與壁面的相對(duì)位置流體物性3對(duì)流放熱準(zhǔn)則方程式空分設(shè)備流體流態(tài)具有以下特點(diǎn)：（1）流體流態(tài)是穩(wěn)定流（2）小溫差（3）離熱力學(xué)臨界狀態(tài)比較遠(yuǎn)

所以，空分設(shè)備用管殼式換熱器，采用以下傳熱方程表達(dá)式。管內(nèi)受迫對(duì)流放熱準(zhǔn)則方程流體橫掠管束放熱準(zhǔn)則方程放熱系數(shù)為

對(duì)盤(pán)管式換熱器，流體在彎曲管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于離心力作用，增強(qiáng)了流體擾動(dòng)，使管內(nèi)放熱系數(shù)增大式中修正系數(shù)，4.換熱器流動(dòng)阻力由于流體粘性，流體流動(dòng)時(shí)必須克服流體與壁面粘性力的作用，所產(chǎn)生壓力差，稱(chēng)壓力損失。壓力損失由消耗動(dòng)力的壓縮機(jī)或泵的壓力予以補(bǔ)償。壓力損失的大小是設(shè)計(jì)和衡量換熱器主要指標(biāo)之一。壓力損失大小與流動(dòng)狀態(tài)、管徑、流路長(zhǎng)短有關(guān)。壓力損失增加將導(dǎo)致上、下塔壓力增高，最終使能耗增加。壓力損失有兩種，即沿程壓力損失和局部壓力損失。

沿程阻力

局部阻力式中分別是沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)。四.冷凝與蒸發(fā)1.冷凝蒸發(fā)器的型式

空分設(shè)備上冷凝蒸發(fā)器是產(chǎn)生相變的熱交換設(shè)備。它借助于從上塔下流的液氧蒸發(fā)來(lái)冷凝由下塔上升的氣氮，產(chǎn)生氣氧和液氮。除部分作產(chǎn)品外，主要保證上、下塔精餾過(guò)程的正常進(jìn)行。冷凝蒸發(fā)器（又稱(chēng)主冷凝器）有列管式、盤(pán)管式和板翅式三種結(jié)構(gòu)形式。列管式又有短管式和長(zhǎng)管式兩種類(lèi)型。短管式冷凝蒸發(fā)器，管長(zhǎng)一般在米以下，它液氧在管間沸騰，氣氮在管內(nèi)冷凝，設(shè)置在上、下塔之間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)在500~550W/m2·℃左右，適用于中小型空分設(shè)備；而長(zhǎng)管式冷凝蒸發(fā)器，管長(zhǎng)高達(dá)成米，因而不便于設(shè)置在上、下塔中間，一般都做成單獨(dú)設(shè)備用管道和上、下塔連接，傳熱系數(shù)在600~650W/m2·℃左右，它通常用于大型空分設(shè)備。

盤(pán)管式冷凝蒸發(fā)器是日本日立公司專(zhuān)利，在我國(guó)引進(jìn)的150m3/h，3200m3/h和6500m3/h空分設(shè)備上都有應(yīng)用。由于它結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管內(nèi)液氧形成了兩相流動(dòng)，有較大放熱系數(shù)，但這種結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜。板翅式冷凝蒸發(fā)器既類(lèi)似于長(zhǎng)管式冷凝蒸發(fā)器的液氧在管內(nèi)蒸發(fā)，有較大的傳熱系數(shù)。又似短管式冷凝蒸發(fā)器它可置于上、下塔中間有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。由于板翅式換熱器制造技術(shù)已很成熟，所以它已被廣泛用于大、中、小型空分設(shè)備的主凝蒸發(fā)器，成為主冷凝器最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。

2.液氧在管內(nèi)沸騰特征液氧在豎直管內(nèi)沸騰情況，如下頁(yè)圖所示。板翅式冷凝蒸發(fā)器液氧蒸發(fā)類(lèi)似于管內(nèi)沸騰。根據(jù)傳熱情況不同，整個(gè)過(guò)程分預(yù)熱區(qū)、沸騰區(qū)和飽和蒸汽區(qū)三個(gè)區(qū)域。細(xì)分可分為六個(gè)區(qū)段。預(yù)熱區(qū)1，液氧被加熱到飽和溫度。始沸段2，液氧在飽和溫度下管壁處生成小汽泡上升，開(kāi)始沸騰。氣化段3，管內(nèi)充滿(mǎn)汽泡并形成均勻的汽液混合物，小汽泡在上升過(guò)程中不斷被液氧補(bǔ)充，并吸收熱量而長(zhǎng)大?；钊?，小汽泡匯合成大汽泡，大汽泡上升運(yùn)動(dòng)類(lèi)似活塞在汽缸中的運(yùn)動(dòng)。膜狀流動(dòng)段5，由汽液兩相形成的“大活塞”，以很高速度把液氧擠在管壁上，使之形成薄膜狀流動(dòng)。薄膜狀流動(dòng)大大提高了沸騰放熱系數(shù)，因而放熱系數(shù)為整個(gè)豎管最大區(qū)段。飽和蒸汽區(qū)6，液膜被蒸發(fā)成干蒸汽，管內(nèi)也全部成為氣體，故放熱系數(shù)大大降低，也是整個(gè)豎管放熱系數(shù)最小區(qū)段。

圖3-5液氧在豎管內(nèi)沸騰示意圖綜上所述，液氧在管內(nèi)沸騰放熱的流體動(dòng)力學(xué)特征，是在沸騰壁面上形成一層迅速流動(dòng)的以高強(qiáng)度進(jìn)行放熱的薄膜液層，使之有較大的放熱系數(shù)。在設(shè)計(jì)和操作中，應(yīng)使預(yù)熱區(qū)和飽和蒸汽區(qū)減小，使活塞段和膜狀流動(dòng)段大些，從而使平均放熱系數(shù)增大。沸騰放熱試驗(yàn)表明：1）一定，熱流密度q增大，亦隨之增大。2）q一定，增大，增大。3）q、一定，當(dāng)視觀液面過(guò)低（h＜，上部飽和蒸汽區(qū)過(guò)長(zhǎng)，壁面沒(méi)有被液氧沖刷和復(fù)蓋，傳熱不好；而且液面太低，易造成乙炔和碳?xì)浠衔锞植繚饪s和析出，很不安全。當(dāng)視觀液面過(guò)高（h＞）,預(yù)熱區(qū)增長(zhǎng)，沸騰區(qū)縮短，使氧氣帶液，沸騰放熱減弱；而且液面過(guò)高，靜液柱增大，液氧沸騰溫度升高，導(dǎo)致傳熱溫差減小或下塔壓力升高，能耗增加。一般取，對(duì)運(yùn)行有利。3.氣氮平壁冷凝氣氮在管外冷凝，形成液膜下流，液膜自上而下不斷加厚，整個(gè)壁面被液膜完整復(fù)蓋，液膜是冷凝放熱必須克服熱阻。膜狀冷凝過(guò)程如圖3-6所示。冷凝放熱特征是：氣氮冷凝放出熱量，必須穿過(guò)液膜才能傳到壁面使液氧蒸發(fā)冷凝放熱與液膜厚薄有關(guān)，液膜厚度與其流向和流動(dòng)形態(tài)有關(guān)。壁面頂部液膜薄呈層流，下部液膜平厚紊亂。在冷凝氣氮中，有氖氦等不凝性氣體存在，在壁面上形成不凝性氣膜，使熱阻增加，放熱系數(shù)減小。冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差很小，由于，主要熱阻在沸騰側(cè)，同時(shí)應(yīng)及時(shí)排放凝液和氖氦等不凝性氣體。應(yīng)指出的是：當(dāng)氣體流動(dòng)與下流液膜同向時(shí)，使液膜易于下流，有利于放熱；當(dāng)氣流與下流液膜逆向時(shí)，有礙于液膜下流，使液膜增厚，不利于放熱。

圖3-6膜狀冷凝過(guò)程

紊

流

液

膜氣相V1過(guò)渡層層流液膜4.管外液氧蒸發(fā)與管內(nèi)氣氮冷凝

管外液氧蒸發(fā)，由于管外空間較大，而且相互連通，氣泡只能沿管壁上升，很難形成放熱強(qiáng)度高的活塞狀沸騰，難于把液氧擠在管壁上形成膜狀流動(dòng)，所以管外沸騰放熱系數(shù)比管內(nèi)沸騰時(shí)小，也不如管內(nèi)沸騰強(qiáng)烈。管內(nèi)氣氮冷凝，氣液兩相呈逆向流動(dòng)，氣流阻止凝液下流，使液膜加厚，熱阻增大，放熱系數(shù)減小。小型空分設(shè)備冷凝蒸發(fā)器一般多采用此結(jié)構(gòu)型式，傳熱系數(shù)較小，約在500~550W/m2·℃范圍內(nèi)，傳熱溫差在2~2.5℃之間。

五.板翅式換熱器傳熱過(guò)程分析

板翅式換熱器屬間壁式換熱器，主要特點(diǎn)是具有擴(kuò)展的二次表面，所以傳熱過(guò)程不僅在一次表面而且同時(shí)在二次表面進(jìn)行，翅片傳熱機(jī)理見(jiàn)下圖。通過(guò)一次表面熱流量以

表示 二次表面的傳熱過(guò)程是沿翅片高度方向進(jìn)行的，一方面沿翅片通過(guò)熱傳導(dǎo)不斷導(dǎo)入熱量，另一方面通過(guò)翅片表面和流體對(duì)流放熱，把熱量傳給流體。由于翅片高度大大超過(guò)翅片厚度，所以翅片導(dǎo)熱類(lèi)似于長(zhǎng)桿導(dǎo)熱。（培訓(xùn)教材。）

通過(guò)二次表面熱流量以

表示

由于兩次表面?zhèn)鳠釡夭睿╰m-tf）小于一次表面?zhèn)鳠釡夭睿╰w-tf），在傳熱上為便于處理，把二次表面?zhèn)鳠釡夭羁醋骱鸵淮伪砻鎮(zhèn)鳠釡夭钕嗟?，都為（tw-tf），但二次表面?zhèn)鳠崦娣e應(yīng)打一折扣，以翅片效率ηf表示

翅片效率物理意義是二次表面實(shí)際傳熱溫差和一次表面?zhèn)鳠釡夭畹谋戎党崞矢鶕?jù)長(zhǎng)桿導(dǎo)熱機(jī)理表達(dá)為

m-翅片參數(shù)

1/m

l-翅片定性參數(shù)（二次表面熱傳導(dǎo)最大距離）m·單迭布置（冷、熱間隔）

=H/2；復(fù)迭布置（冷︰熱=2︰1）

=Hα-流體放熱系數(shù)

λ-翅片材料導(dǎo)熱系數(shù)

t-翅片厚度,m板翅式換熱器傳熱過(guò)程是一次表面和二次表面同時(shí)進(jìn)行的，總傳熱量是兩者之和。

以總傳熱面積F0=F1+F2和綜合表面效率板翅式換熱器放熱方程熱流體

冷流體板翅式換熱器放熱方程與一般換熱器方程差別，僅僅在于考慮了表面效率1.傳熱方程

⑴.傳熱方程式板翅式換熱器的熱量傳遞與管殼式換熱器一樣，也是多種傳熱方式的組合。如熱流體

對(duì)流

壁面（熱側(cè)）傳導(dǎo)

壁面（冷側(cè)）對(duì)流