傳熱過(guò)程基礎(chǔ)

第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)

thebasisofheattransferprocess5.1傳熱過(guò)程導(dǎo)論5.3熱傳導(dǎo)5.4對(duì)流傳熱5.5輻射傳熱2023/2/41第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1傳熱過(guò)程導(dǎo)論物體或者系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移的過(guò)程，稱(chēng)為熱量的傳遞，簡(jiǎn)稱(chēng)傳熱。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發(fā)地從高溫處傳到低溫處Theheatflowisalwaysinthedirectionofthetemperaturedecrease，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種物理現(xiàn)象。2023/2/42第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱是重要的化工單元操作之一，其應(yīng)用主要包括以下幾方面：1.加熱或冷卻流體，符合化學(xué)反應(yīng)或單元操作的需要2.對(duì)設(shè)備或管道進(jìn)行保溫、隔熱，以減少熱量(或冷量)損失。

3.合理使用熱源，進(jìn)行熱量的綜合回收利用。

2023/2/43第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.2傳熱的基本方式根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，傳熱分為三種基本方式：5.1.2.1.熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)Conduction定義：熱量從物質(zhì)中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物質(zhì)傳遞到與之相鄰的低溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象。特點(diǎn)：由于物質(zhì)微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無(wú)物質(zhì)的宏觀位移。存在于固體、靜止流體及滯流流體中。發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。2023/2/44第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)從微觀角度看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的機(jī)理各不相同。氣體：是氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果。氣體分子的動(dòng)能與其溫度有關(guān)，高溫區(qū)的分子運(yùn)動(dòng)速度比低溫區(qū)的大。熱量水平較高的分子與熱量水平較低的分子相互碰撞的結(jié)果，熱量就由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。導(dǎo)電固體：有許多的自由分子在晶格之間運(yùn)動(dòng)，正如這些自由電子能傳導(dǎo)電能一樣，它們也能將熱量從高溫處傳遞到低溫區(qū)。2023/2/45第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)(即原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng))來(lái)實(shí)現(xiàn)的。物體中溫度較高部分的分子，因振動(dòng)而與相鄰的分子相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。一般，通過(guò)晶格振動(dòng)傳遞的熱量比依靠自由電子遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導(dǎo)電體也是良好導(dǎo)熱體的原因。2023/2/46第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)液體：一種觀點(diǎn)認(rèn)為它定性地和氣體類(lèi)似，即依靠分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，只是液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對(duì)碰撞過(guò)程的影響比氣體大得多，因而更復(fù)雜。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為其導(dǎo)熱機(jī)理類(lèi)似于非導(dǎo)電固體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振動(dòng)，只是振動(dòng)的平衡位置間歇地發(fā)生移動(dòng)。總的來(lái)說(shuō)，關(guān)于導(dǎo)熱過(guò)程的微觀機(jī)理，目前仍不很清楚。本章只討論導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。2023/2/47第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.2.2.熱對(duì)流(對(duì)流)Convection定義：由于流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程特點(diǎn)：熱對(duì)流只發(fā)生在流體中。流體各部分間產(chǎn)生相對(duì)位移

2023/2/48第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)產(chǎn)生對(duì)流的原因:由于流體內(nèi)部溫度不同形成密度的差異，在浮力的作用下產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移，使輕者上浮，重者下沉，稱(chēng)為自然對(duì)流naturalconvection

；由于泵、風(fēng)機(jī)或攪拌等外力作用而引起的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流forceconvection

。

流動(dòng)的原因不同，熱對(duì)流的規(guī)律也不同。在強(qiáng)制對(duì)流的同時(shí)常常伴隨有自然對(duì)流。2023/2/49第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)化工生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對(duì)流方式，而是流體流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程，即熱由流體傳遞到固體表面(或反之)的過(guò)程，通常將它稱(chēng)為對(duì)流傳熱(也稱(chēng)給熱)。其特點(diǎn)是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對(duì)流方式傳熱?？梢?jiàn)，對(duì)流傳熱與流體流動(dòng)狀況密切相關(guān)。2023/2/410第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.2.3.熱輻射Radiation定義：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時(shí)又不斷地吸收來(lái)自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，稱(chēng)為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。特點(diǎn)：可在真空中傳播能量傳遞同時(shí)伴隨有能量的轉(zhuǎn)換2023/2/411第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)任何物體只要在絕對(duì)零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時(shí)，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。實(shí)際進(jìn)行的傳熱過(guò)程，往往不是上述三種基本方式單獨(dú)出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以其中一種或兩種方式為主。2023/2/412第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.3典型的傳熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)兩流體換熱過(guò)程的設(shè)備稱(chēng)為換熱器化工生產(chǎn)中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交換是指熱流體經(jīng)固體壁面(間壁)將熱量傳給冷流體的過(guò)程。熱流方向間壁熱流體冷流體對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷、熱流體被間壁隔開(kāi)，它們分別在壁面兩側(cè)流動(dòng)。此壁面即構(gòu)成間壁式換熱器。熱由熱流體以對(duì)流方式傳遞到壁面一側(cè)，通過(guò)間壁的導(dǎo)熱，在由壁面另一側(cè)以對(duì)流形式傳遞到冷流體。2023/2/413第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)現(xiàn)討論典型的間壁式換熱器結(jié)構(gòu)及其操作原理1.套管式換熱器由直徑不同的兩根圓管組成的同心套管。一種流體在內(nèi)管中流動(dòng)，另一種流體在套管的環(huán)隙中流動(dòng)，兩流體是通過(guò)內(nèi)管壁面進(jìn)行換熱。每一段套管稱(chēng)一程。程與程之間一般是上下排列，固定在管架上。若所需傳熱面積較大，則可用數(shù)排并列，各排均與總管連接而并聯(lián)使用。優(yōu)點(diǎn)：采用標(biāo)準(zhǔn)管子與管件。構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，排數(shù)和程數(shù)伸縮性大，可距需要增減。適當(dāng)?shù)剡x擇內(nèi)、外管的直徑，可使兩種流體都達(dá)到較高流速，從而提高傳熱系數(shù)；兩流體可始終以逆流方向流動(dòng)，平均溫度差最大。缺點(diǎn)：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。傳熱面積：S=πdL2023/2/414第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.列管式換熱器

組成：殼體、管束、管板和封頭等部分。流體流經(jīng)管束的過(guò)程，稱(chēng)為流經(jīng)管程，將該流體稱(chēng)為管程(管方)流體；流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過(guò)程，稱(chēng)為流經(jīng)殼程，將該流體稱(chēng)為殼程(殼方)流體。2023/2/415第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)若流體只在管程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單管程；只在殼程內(nèi)流過(guò)一次的，稱(chēng)為單殼程。若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時(shí)，有時(shí)流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對(duì)流傳熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內(nèi)來(lái)回流過(guò)多次后排出，稱(chēng)為多(管)程列管式換熱器，如圖示。程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)，但同時(shí)也使流動(dòng)阻力增大，平均溫度差降低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過(guò)多，一般為雙程、四程、六程。傳熱面積：S=nπdL2023/2/416第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.4傳熱速率與熱通量衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。傳熱速率Rateofheattransfer

Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量，W熱通量Heatflux

Q/S：每單位面積的傳熱速率，W/m2〖說(shuō)明〗傳熱速率和熱通量是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。q↑，換熱器性能愈好由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對(duì)應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相同。計(jì)算時(shí)應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。對(duì)不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱(chēng)略有差異。傳熱方式傳熱速率Q熱通量Q/S導(dǎo)熱導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱熱通量對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱速率對(duì)流傳熱熱通量輻射傳熱輻射傳熱速率輻射傳熱熱通量2023/2/417第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.1.5穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時(shí)間變化的傳熱方式。顯著特點(diǎn)是傳熱速率Q為常量。連續(xù)傳熱過(guò)程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度既隨位置變化又隨時(shí)間變化的傳熱方式。顯著特點(diǎn)是傳熱速率Q為變量。間歇傳熱過(guò)程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。2023/2/418第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3熱傳導(dǎo)5.3.1熱傳導(dǎo)的基本概念5.3.1.1溫度場(chǎng)

一物體或系統(tǒng)內(nèi)部，只要各點(diǎn)存在溫度差，熱就可以從高溫點(diǎn)向低溫點(diǎn)傳導(dǎo)，即產(chǎn)生熱流。因此物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布情況決定著由熱傳導(dǎo)方式引起的傳熱速率(導(dǎo)熱速率)溫度場(chǎng)：在任一瞬間，物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。因此：t=f(x,y,z,θ)

2023/2/419第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)t=f(x,y,z,θ)

〖說(shuō)明〗若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。t=f(x,y,z,θ)

若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。t=f(x,y,z)若物體內(nèi)的溫度僅沿一個(gè)坐標(biāo)方向發(fā)生變化，且不隨時(shí)間變化，此溫度場(chǎng)為一維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)t=f(x)2023/2/420第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.1.2等溫面在同一時(shí)刻，具有相同溫度的各點(diǎn)組成的面稱(chēng)為等溫面。因?yàn)樵诳臻g同一點(diǎn)不可能同時(shí)有兩個(gè)不同的溫度，所以溫度不同的等溫面不會(huì)相交。2023/2/421第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.1.3溫度梯度從任一點(diǎn)起沿等溫面移動(dòng)，溫度無(wú)變化，故無(wú)熱量傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動(dòng)，溫度發(fā)生變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向最大。溫度梯度：相鄰兩等溫面間溫差△t與其距離△n之比的極限：t+Δttt-ΔtgradtQΔn2023/2/422第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗溫度梯度為向量，其正方向?yàn)闇囟仍黾拥姆较?，與傳熱方向相反。穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為：

2023/2/423第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.2熱傳導(dǎo)基本定律-傅立葉定律Fourierlaw

物體或系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱速率的產(chǎn)生，是由于存在溫度梯度的結(jié)果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負(fù)的溫度梯度方向一致，后者稱(chēng)為溫度降度。傅立葉定律是用以確定在物體各點(diǎn)存在溫度差時(shí)，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的導(dǎo)熱速率大小的定律。定義：通過(guò)等溫面導(dǎo)熱速率，與其等溫面的面積及溫度梯度成正比：2023/2/424第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.3導(dǎo)熱系數(shù)將傅立葉定律整理，得導(dǎo)熱系數(shù)定義式：物理意義：導(dǎo)熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。因此，導(dǎo)熱系數(shù)表征物體導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物性常數(shù)之一。其大小取決于物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、溫度和壓強(qiáng)等。2023/2/425第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.3導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)大小由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。kvaryoverawiderange.Theyarehighestformetalsandlowestforgases.

2023/2/426第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.3.1固體的導(dǎo)熱系數(shù)金屬：35～420W/(m·℃)，非金屬：0.2～3.0W/(m·℃)〖說(shuō)明〗固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。kofmetalsaregenerallynearlyconstantordecreaseslightlyasthetemperatureisincreased.Theconductivityofalloysislessthanthatofpuremetals.純金屬：t↑，k↓金屬：純度↑，k↑非金屬：ρ，t↑，k↑對(duì)大多數(shù)固體，k值與溫度大致成線(xiàn)性關(guān)系：式中：k、k0－固體在溫度為t℃、0℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)

β－溫度系數(shù)。大多數(shù)金屬：β<0大多數(shù)非金屬：β>02023/2/427第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)在熱傳導(dǎo)計(jì)算中，用物體的平均導(dǎo)熱系數(shù)代替各點(diǎn)處的導(dǎo)熱系數(shù)，以簡(jiǎn)化計(jì)算，引起的誤差很小。方法：5.3.3.2液體的導(dǎo)熱系數(shù)液體導(dǎo)熱系數(shù)：0.07～0.7W/(m·℃)

t↑，k↓(水、甘油除外)金屬液體：其k比一般液體高，其中純Na最高非金屬液體：純液體的k比其溶液的大在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，溶液的導(dǎo)熱系數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)公式估算（見(jiàn)書(shū)）。Formostliquidkislowerthanthatforsolids,withtypicalvaluesofabout0.17,andkdecreasesby3to4percentfora10oCriseintemperature.2023/2/428第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.3.3氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)：0.006～0.67W/(m·℃)溫度的影響：t↑，k↑P的影響一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，k隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略過(guò)高(>2×105kPa)、過(guò)低(<3kPa)時(shí)，P↑，k↑氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小，對(duì)導(dǎo)熱不利，但有利于保溫、絕熱常壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)的估算式：2023/2/429第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.4平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)steady-stateconduction

throughflatwall5.3.4.1單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

前提條件：平壁內(nèi)材料均勻，導(dǎo)熱系數(shù)k取平均值為常數(shù)；平壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的x方向變化，等溫面均為垂直于x軸的平面平壁兩側(cè)溫度分別為t1、t2，且不隨時(shí)間而變化，過(guò)程為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱速率Q為常量。S>>b,故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，S為常量。SQbt1t22023/2/430第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)傅立葉定律可簡(jiǎn)化為：積分限：x=0~b，t=t1~t2積分txb0t1t22023/2/431第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗推動(dòng)力為Δt，阻力為R(R′)

WhereR=b/Skisthermalresistancebetweenpoints1and2.導(dǎo)熱速率與溫度差、傳熱面積、導(dǎo)熱系數(shù)成正比，而與平壁厚度成反比。k↓，R↑；Q＝常數(shù)時(shí)，Δt∝Rk＝常數(shù)：t=f(x)為直線(xiàn)；k=k0(1+βt)：t=f(x)為曲線(xiàn)熱阻概念的應(yīng)用：計(jì)算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布從溫度分布判斷各部分熱阻的大小2023/2/432第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)例某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度t1為1650℃，外表面溫度t2為300℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)k=0.815+0.00076t(t的單位為℃，k的單位為W/(m·℃))。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量和變量處理時(shí)，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。解：(1)導(dǎo)熱系數(shù)按常量處理結(jié)論：導(dǎo)熱系數(shù)按常量處理時(shí)，溫度分布為直線(xiàn)txtt1t2bx02023/2/433第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(2)導(dǎo)熱系數(shù)按變量處理結(jié)論：導(dǎo)熱系數(shù)按變量處理時(shí)，溫度分布為曲線(xiàn)txtt1t2bx02023/2/434第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.4.2多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)以三層平壁為例。前提條件：層間接觸良好，即相互接觸的兩表面溫度相同，且t1>t2>t3>t4各層平壁面積均為S，厚度分別為b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各層導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，分別為k1、k2、k3

傳熱為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)：Q1=Q2=Q3=Q據(jù)此，由傅立葉定律，得：2023/2/435第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2023/2/436第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)

〖說(shuō)明〗多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，即總溫度差；總熱阻為各層熱阻之和。Q計(jì)>Q測(cè)：(t1-tn+1)一定，Q↓，∑R↑。說(shuō)明實(shí)際情況層間接觸不良，存在附加的熱阻t1>tn+1，Q>0，熱量損失

t1<tn+1，Q<0，冷量損失Q=常數(shù)時(shí)，Δt1:Δt2:Δt3=R1:R2:R32023/2/437第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)例4-1某冷庫(kù)的墻壁由三層材料構(gòu)成，內(nèi)層為軟木，厚15mm，導(dǎo)熱系數(shù)0.043W/(m·℃)，中層為石棉板，厚40mm,導(dǎo)熱系數(shù)0.10W/(m·℃)，外層為混凝土，厚200mm,導(dǎo)熱系數(shù)1.3W/(m·℃)，測(cè)得內(nèi)墻表面為-18℃，外墻表面溫度為24℃，計(jì)算每平方米墻面的冷損失量；若將內(nèi)、中層材料互換而厚度不變，冷損失量將如何變化。解:互換材料前：t1＝-18℃,t4=24℃,k1=0.043W/(m·℃)，k2=0.10W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)2023/2/438第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)互換材料后：t1＝-18℃,t4=24℃,k1′=0.10W/(m·℃)，k2′=0.043W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)互換材料后，由于導(dǎo)熱熱阻的增大，使得冷量損失減少。在使用多層材料保溫時(shí)要注意熱阻的分配。

2023/2/439第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.5圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)steady-stateconduction

throughacylinder

化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的為圓筒壁(圓管)的熱傳導(dǎo)，其特點(diǎn)是:傳熱面積、熱通量、溫度均隨半徑變化，均非常量。Qdrrr1r2t1t2L2023/2/440第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.5.1單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)Qdrrr1r2t1t2L前提條件：圓筒內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)外壁溫度t1>t2，在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：S=2πrL圓筒很長(zhǎng)，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。圓筒壁材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)k為常數(shù)2023/2/441第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)單層圓筒壁導(dǎo)熱速率計(jì)算式2023/2/442第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率Q為常量，但由于S與r有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量；在任一半徑r處，溫度表示為:表明溫度沿r方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線(xiàn)分布；2023/2/443第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)

表明導(dǎo)熱速率與推動(dòng)力△t成正比，而與導(dǎo)熱熱阻R成反比。

誤差不超過(guò)4％，工程上允許。2023/2/444第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)單層圓筒壁導(dǎo)熱計(jì)算舉例例4-2在外徑為133mm的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/(m·℃)，蒸汽管外壁溫度為160℃，要求保溫層外側(cè)溫度40℃，若每米管長(zhǎng)熱損失控制在240W/m下，求保溫層厚度。解：?jiǎn)螌訄A筒壁熱傳導(dǎo)速率方程故保溫層厚度b=r2-r1＝0.125-0.0665＝0.058m2023/2/445第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.3.5.2多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)以三層為例。前提條件：各層間接觸良好各層導(dǎo)熱系數(shù)k1、k2、k3均為常數(shù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)據(jù)多層平壁熱傳導(dǎo)計(jì)算公式：2023/2/446第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2023/2/447第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和?？偟膶?dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成反比。對(duì)各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過(guò)各層導(dǎo)熱速率Q和Q/L為常量，但Q/S不為常量；其中每一層的溫度分布為曲線(xiàn)，但各層分布曲線(xiàn)不同；2023/2/448第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4對(duì)流傳熱5.4.1對(duì)流傳熱機(jī)理對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時(shí)的傳熱，是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動(dòng)狀況有密切關(guān)系?？疾焱牧髁黧w：流體流過(guò)固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，使靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線(xiàn)方向沒(méi)有熱對(duì)流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿(mǎn)漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，熱量主要以熱對(duì)流的方式傳遞，各處的溫度基本相同。在湍流主體與滯流底層的過(guò)渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩慢的變化。2023/2/449第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)充分混合，溫度基本一致，即圖中T；在過(guò)渡層中，溫度由T緩慢下降至Tw；在滯流底層中，由于熱阻較大，溫度由Tw急劇下降至Ts，再往右，通過(guò)管壁，因其材料為金屬，熱阻較小，因此，管壁兩側(cè)的溫度Ts和ts相差很小。TtTwtwTsts此后，在冷流體中，又順序通過(guò)滯流底層、過(guò)渡層而到達(dá)湍流主體，溫度由ts經(jīng)tw下降至t。湍流流體中的溫度分布由以上分析可知，對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。Tbtb在計(jì)算傳熱量時(shí)，一般用易于測(cè)量的平均溫度Tb和tb代替截面上最高、最低溫度T和t。2023/2/450第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.2對(duì)流傳熱系數(shù)據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過(guò)程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及壁面的熱傳導(dǎo)過(guò)程，因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過(guò)程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)h內(nèi)。5.4.2.1對(duì)流傳熱速率方程將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線(xiàn)延長(zhǎng)，其交點(diǎn)與壁面距離為δ′，此膜層稱(chēng)為虛擬膜或有效膜。湍流主體區(qū)過(guò)渡區(qū)滯流底層虛擬膜δ′說(shuō)明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為牛頓冷卻定律式中：dQ

—局部對(duì)流傳熱速率，W；dS—微分傳熱面積；m2；△t

—

換熱器任一截面上流體的傳熱溫度差，℃；h—局部對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。2023/2/451第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗1.h取平均值在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)h隨管長(zhǎng)而變化，但在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)，一般也用h表示，此時(shí)牛頓冷卻定律可表示為：Q=hSΔt式中：

Q—

對(duì)流傳熱速率，W；

S—

總傳熱面積；m2；△t—流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，℃；h—平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。2023/2/452第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況有關(guān)換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫(xiě)法。如：熱流體、管程：dQ=hi(Tb-Ts)dSi熱流體、殼程：dQ=ho(Tb-Ts)dSo冷流體、管程：dQ=hi(ts-tb)dSi冷流體、殼程：dQ=ho(ts-tb)dSo可見(jiàn)，對(duì)流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對(duì)應(yīng)的2023/2/453第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.2.2對(duì)流傳熱系數(shù)定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得即：在單位溫度差下，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流傳熱參數(shù)的熱通量。但該式并未揭示出影響對(duì)流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩兀詿o(wú)法通過(guò)此式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)h。2023/2/454第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)定義式二：據(jù)前述，在壁面附近的滯流底層中，傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，故傳熱速率方程可以用傅立葉定律表示，即：〖上式作用〗對(duì)于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流體層的溫度梯度，就能求得h?？梢?jiàn)，此式是在理論上分析和計(jì)算h的基礎(chǔ)。2023/2/455第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)〖說(shuō)明〗熱邊界層的厚薄，影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)熱邊界層內(nèi)、外側(cè)溫度差一定時(shí)：而熱邊界層的厚薄，受流動(dòng)邊界層的劇烈影響?！冀Y(jié)論〗減薄熱邊界層的厚度，有利于對(duì)流傳熱過(guò)程的進(jìn)行。2023/2/456第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.4對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析5.4.4.1對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素對(duì)流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱過(guò)程，因此影響h的主要因素是：1.流體的種類(lèi)和相變化情況h氣體<h液體h有相變>h無(wú)相變2023/2/457第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.流體的物性對(duì)h影響較大的流體物性有導(dǎo)熱系數(shù)k、粘度μ、比熱Cp、密度ρ及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系數(shù)β。具體地：

k↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→h↑3.流體的溫度流體溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差Δt，流體物性隨溫度變化程度及附加自然對(duì)流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對(duì)物性的影響。在傳熱計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱(chēng)為定性溫度。2023/2/458第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)4.流體的流動(dòng)狀態(tài)流體呈湍流時(shí)，隨著Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低，h增大。流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒(méi)有混雜作用，故h較湍流時(shí)小。即：

h滯流<h湍流

5.流體流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。強(qiáng)制對(duì)流：由于外來(lái)的作用，迫使流體流動(dòng)。

h自然對(duì)流<h強(qiáng)制對(duì)流

2023/2/459第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)6.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對(duì)流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對(duì)流傳熱。如流體流過(guò)平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自然對(duì)流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對(duì)流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對(duì)傳熱的影響，一般采用對(duì)對(duì)流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱(chēng)為定性尺寸。2023/2/460第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.4.2對(duì)流傳熱過(guò)程的量綱分析由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個(gè)通式來(lái)描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無(wú)量綱數(shù)群(準(zhǔn)數(shù))，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。本節(jié)采用白金漢法處理對(duì)流傳熱問(wèn)題，適用于變量較多的情況。5.4.4.2.1流體無(wú)相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過(guò)程步驟：1.列出影響該過(guò)程的物理量據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響h的因素有：定性尺寸l，流體的密度ρ，粘度μ，比熱Cp，導(dǎo)熱系數(shù)k，流速u(mài)，可將其表示為：h＝f(l,ρ，μ，Cp，k，u)2023/2/461第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目π定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即：f(π1,π2,π3，···，πi)=0其中：i=j-m

i—無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目

j－變量數(shù)

m－基本量綱數(shù)(長(zhǎng)度L、質(zhì)量M、時(shí)間θ、溫度T)∴i=7-4=3有三個(gè)準(zhǔn)數(shù)2023/2/462第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)3.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出各物理量的量綱(2)選擇m(即4)個(gè)共同物理量選擇時(shí)遵循的原則：不能包括待求的物理量－－如不能選h不能同時(shí)選用量綱相同的物理量－－如不能選d,l選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過(guò)程中所有的基本量綱－－如不能選l,u,ρ,μ，因?yàn)椴话烤VT據(jù)此，選擇l,k,μ,u為3個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)的共同物理量LukCpμρlh2023/2/463第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(3)量綱分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無(wú)量綱數(shù)群，即2023/2/464第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)4.確定具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式流體無(wú)相變時(shí)強(qiáng)制對(duì)流傳熱時(shí)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2023/2/465第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.4.2.2自然對(duì)流傳熱過(guò)程自然對(duì)流中，引起流動(dòng)的原因是單位體積流體的升力，大小為ρgβΔt，其它因素與強(qiáng)制對(duì)流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為：h＝f(l,ρ，μ，Cp，k，ρgβΔt)方法同前，可得：通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2023/2/466第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)各準(zhǔn)數(shù)的名稱(chēng)、符合、意義如下：準(zhǔn)數(shù)式符號(hào)名稱(chēng)意義Nu努寒爾特準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)表示對(duì)流傳熱強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù)Re雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynolds)反映流體流動(dòng)湍動(dòng)程度的準(zhǔn)數(shù)Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Prandtl)反映物性對(duì)傳熱影響的準(zhǔn)數(shù)Gr格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)(Grashof)反映自然對(duì)流強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù)2023/2/467第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.4.2.3應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問(wèn)題對(duì)應(yīng)各種不同情況下的對(duì)流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由實(shí)驗(yàn)確定的，在整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問(wèn)題：1.應(yīng)用范圍關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。2.定性溫度各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有3種表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2為定性溫度取壁面平均溫度t=(tw+Tw)/2為定性溫度取流體和壁面的平均溫度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2為定性溫度壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法3.特征尺寸無(wú)量綱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱(chēng)為特征尺寸l。通常選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。2023/2/468第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.5流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)Heattransfertofluidswithoutphasechange5.4.5.1流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流1.流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流(1)低粘度流體(μ<2×10-3Pa·s的氣體及大部分液體)2023/2/469第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(2)高粘度流體2023/2/470第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制滯流

2023/2/471第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)3.流體在圓形彎管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流

流體流過(guò)彎管時(shí)，將受到離心力的作用，致使湍動(dòng)程度加大。在同樣Re數(shù)下，對(duì)流傳熱系數(shù)較直管中為大，因此先按直管計(jì)算，然后再乘以一大于1的校正系數(shù)，即：其中：h’－彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)h－直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)r’－彎管軸的彎曲半徑，m2023/2/472第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)4.流體在圓形直管內(nèi)呈過(guò)渡流

當(dāng)流體在管內(nèi)呈過(guò)渡狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，即2300<Re<10000，其傳熱情況比較復(fù)雜。通常先按湍流時(shí)的公式計(jì)算，然后再將計(jì)算結(jié)果乘以一小于1的修正系數(shù)φ，即：5.流體在非圓形管中強(qiáng)制對(duì)流流體在非圓形管中呈強(qiáng)制湍流、過(guò)渡流以及層流時(shí)，仍可應(yīng)用上述相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，只將其中管子內(nèi)徑di用當(dāng)量直徑de代替即可。2023/2/473第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)例4-13列管換熱器由254根φ25×2.5mm，長(zhǎng)6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)流動(dòng)的苯，苯的流量為50kg/s，進(jìn)出口溫度分別為20℃和80℃，試求管內(nèi)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)。若將苯的流量增加50%，而仍維持原來(lái)的出口溫度，對(duì)流傳熱系數(shù)將如何變化。解：定性溫度t=(20+80)/2=50℃，查得苯的物性數(shù)據(jù)：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，k=0.14W/m·℃2023/2/474第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2023/2/475第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)二、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式1流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)管束的排列方式有直列和錯(cuò)列兩種，錯(cuò)列中又有正方形和等邊三角形兩種。直列正方形錯(cuò)列等邊三角形錯(cuò)列2023/2/476第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2流體在列管式換熱器管間流動(dòng)當(dāng)流體流過(guò)換熱器管間時(shí)，由于殼體是圓筒，管束中各列的管數(shù)不等，且一般都安裝有折流擋板，故流體在換熱器殼程流動(dòng)時(shí)，流向和流速的不斷變化，使得Re>100時(shí)即可能形成湍流，對(duì)流傳熱系數(shù)加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。(1)換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面)時(shí)，殼程流體的h關(guān)聯(lián)式多諾呼法2023/2/477第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)凱恩法(2)無(wú)折流擋板按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流公式計(jì)算，將di用管間當(dāng)量直徑de代替即可。2023/2/478第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)三、自然對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映流體自然對(duì)流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)及Pr準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為：Nu＝Ｃ(Ｇr·Pr)n

定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。式中的系數(shù)C和指數(shù)n值

加熱表面形狀特征尺寸Ｇr·PrCn水平圓管外徑do104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/32023/2/479第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算示例例4-4一水平蒸汽管，長(zhǎng)20m，外徑為159mm，管外壁溫度為120℃，周?chē)諝鉁囟葹?0℃，計(jì)算該管段由于自然對(duì)流散失的熱量。定性溫度：t＝(120+20)/2＝70℃70℃下空氣物性：ρ＝1.03kg/m3，μ＝2.06×10-5Pa·sk＝0.0297W/m·K，β＝1/(273+70)=1/3401/K，Pr＝0.694

2023/2/480第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.8流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對(duì)流傳熱過(guò)程。這類(lèi)傳熱過(guò)程的特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度基本不變。因此在壁面附近流體層中的溫度梯度較高，從而對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變時(shí)的更大。2023/2/481第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.8.1蒸汽冷凝傳熱當(dāng)飽和蒸汽和低于飽和溫度的壁面相接觸時(shí)，將放出潛熱，冷凝成液體而使另一側(cè)的流體被加熱。因此生產(chǎn)上常將蒸汽冷凝作為一種加熱的方式，其優(yōu)點(diǎn)是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時(shí)易于控制；(2)蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)較無(wú)相變時(shí)大得多。這是因?yàn)檎羝诒诿嫔侠淠耐瑫r(shí)，蒸汽將迅速流到壁面補(bǔ)充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時(shí)汽相中幾乎無(wú)溫差存在，致使液膜中溫度梯度極大。2023/2/482第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)1.蒸汽冷凝傳熱Heattransferfromcondensingvapors蒸氣冷凝時(shí)，根據(jù)其冷凝液是否能夠潤(rùn)濕壁面分成兩種方式：(1)膜狀冷凝filmcondensation

：若冷凝液能夠完全潤(rùn)濕壁面，則將在壁面上形成一層連續(xù)的液膜，并向下流動(dòng)。壁面完全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進(jìn)行直接接觸，冷凝潛熱只能以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式通過(guò)液膜傳給壁面。因蒸汽冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)，則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高或水平放置的管徑越大，則整個(gè)壁面的平均對(duì)流傳熱系數(shù)也越小。冷凝液潤(rùn)濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表面張力時(shí)則會(huì)形成膜狀冷凝。2023/2/483第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(2)滴狀冷凝dropwisecondensation

若冷凝液不能夠潤(rùn)濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長(zhǎng)大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱(chēng)為滴狀冷凝。此時(shí)壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒(méi)有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出5～10倍。滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好，但在工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)中大多為膜狀冷凝。2023/2/484第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2.膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)冷凝液膜的流動(dòng)也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)，即：Re=f(M)。冷凝負(fù)荷M：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上流過(guò)的冷凝液量，kg/(m·s)設(shè)液膜流通截面積為Am2，潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)為bm,冷凝液質(zhì)量流量為Wkg/s，則：2023/2/485第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(1)蒸汽在水平管Horizontaltubes(或管束)外冷凝2023/2/486第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(2)蒸汽在垂直管Verticaltubes外(或板上)冷凝計(jì)算步驟(試差法)假設(shè)一種流型選擇公式計(jì)算h計(jì)算熱負(fù)荷q=hoSo(ts-tw)計(jì)算質(zhì)量流量W=q/r計(jì)算冷凝負(fù)荷M=W/b計(jì)算Re并校核2023/2/487第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)3.影響冷凝傳熱的因素液膜兩側(cè)的溫度差：Δt↑，Q↑，δ↑，h↓流體的物性：傳熱冷凝液的密度越大，粘度越小，則液膜的厚度越小，因而冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)h越大。導(dǎo)熱系數(shù)大有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負(fù)荷下冷凝液減少，液膜變薄，h增大2023/2/488第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)蒸汽的流速和流向：當(dāng)蒸汽流速較大時(shí)，蒸汽與液膜間的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，這種作用將使液膜減薄并促使其產(chǎn)生一定波動(dòng)，因而使h增大。若逆向流動(dòng)，這種作用會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使其增厚導(dǎo)致傳熱惡化。但當(dāng)這種作用超過(guò)重力作用時(shí)液膜會(huì)被蒸汽帶動(dòng)而脫離壁面，反而使h急劇增大。2023/2/489第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)不凝性氣體的影響：蒸汽冷凝時(shí)不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很小，使熱阻增大，h大為降低。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體含量為1%時(shí)，可使冷凝時(shí)h降低60%左右。因此在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，都必須考慮不凝氣的排除。2023/2/490第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)冷凝壁面的影響：冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設(shè)法減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對(duì)水平放置的列管式冷凝器，應(yīng)減少垂直方向上管排的數(shù)目，或采用斜轉(zhuǎn)排列方式，使冷凝液盡量沿管子的切向流過(guò)。在垂直壁面上，開(kāi)若干縱向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以減薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)提高。2023/2/491第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.4.8.2液體沸騰傳熱Heattransfertoboilingliquids

液體與高溫壁面接觸時(shí)被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝倪^(guò)程稱(chēng)為液體沸騰。這種傳熱方式由于在加熱面上不斷經(jīng)歷著汽泡的形成、長(zhǎng)大和脫離的過(guò)程，造成對(duì)壁面處流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比無(wú)相變時(shí)大?；ぶ谐Ｓ玫恼舭l(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過(guò)液體沸騰而產(chǎn)生蒸汽。2023/2/492第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)液體在加熱表面上沸騰時(shí)，按其沸騰所處的空間可分為大容器沸騰和管內(nèi)沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無(wú)宏觀流動(dòng)的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運(yùn)動(dòng)只是由自然對(duì)流和氣泡擾動(dòng)引起。當(dāng)液體以一定流速在加熱管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沸騰稱(chēng)為管內(nèi)沸騰，此時(shí)產(chǎn)生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動(dòng)，也稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。2023/2/493第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)1大容器飽和沸騰曲線(xiàn)(2)BC段當(dāng)△t繼續(xù)加大，加熱表面上開(kāi)始形成汽泡，在汽泡形成和脫離壁面的過(guò)程中，壁面附近流體產(chǎn)生大的擾動(dòng)，故h隨△t急劇上升。隨著△t的進(jìn)一步增大，汽化核心數(shù)增多，傳熱增強(qiáng)。但汽泡的增多，使部分汽泡在脫離加熱面之前便相互連接，形成一片片汽膜，把加熱面和液體隔開(kāi)，產(chǎn)生附加熱阻削弱了傳熱。因此h隨△t增大達(dá)到C點(diǎn)時(shí)，由于汽化核心增多加強(qiáng)傳熱的影響與汽泡覆蓋表面削弱傳熱的影響相互抵消，在該點(diǎn)出現(xiàn)h的最大值。BC段的沸騰稱(chēng)為泡狀沸騰，C點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn)。(1)AB段當(dāng)△t<5℃時(shí)，h隨△t緩慢增大，此時(shí)緊貼加熱面液體的過(guò)熱度很低，不足以產(chǎn)生汽泡，傳熱依靠自然對(duì)流進(jìn)行，液體中無(wú)汽泡產(chǎn)生，只在液體表面上發(fā)生蒸發(fā)，此段h、q都較低，該段稱(chēng)為自然對(duì)流階段。(3)CD段隨汽泡增多，加熱面被蒸汽膜覆蓋區(qū)域增加，直接與液體相接觸的加熱面不斷減少，h開(kāi)始不斷下降，直到整個(gè)加熱面被蒸汽膜覆蓋為止。因蒸汽的導(dǎo)熱性差，所以氣膜的附加熱阻使h、q急劇下降。氣膜開(kāi)始形成是不穩(wěn)定的，可能形成大氣泡脫離表面。CD段稱(chēng)為不穩(wěn)定膜狀沸騰階段。(4)DEF段△t的進(jìn)一步增大，加熱面上形成一層穩(wěn)定的汽膜，將液體和加熱面完全隔開(kāi)。繼續(xù)加大△t會(huì)使壁溫愈來(lái)愈高，輻射傳熱的作用不斷增強(qiáng)，故h隨△t增大而增大。該階段的沸騰稱(chēng)為穩(wěn)定的膜狀沸騰階段。顯然各個(gè)階段具有不同的傳熱機(jī)理，在BC段由于h大且壁溫低，故工業(yè)設(shè)備常維持在泡狀沸騰下操作。若溫度過(guò)高超過(guò)臨界點(diǎn)溫度，除h下降外還可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀。2023/2/494第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)2沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算(1)莫斯聽(tīng)斯基(Mostinski)經(jīng)驗(yàn)式：2023/2/495第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)(2)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

2023/2/496第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)3影響沸騰傳熱的因素(1)液體物性液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、粘度、表面張力等對(duì)沸騰傳熱都有影響。一般h隨k、ρ的增大、μ和σ的減少而增大。(2)溫度差△t

溫差△t＝tw-ts是影響沸騰傳熱的重要因素。在核狀沸騰區(qū)：h＝a(△t)n。式中a和n是根據(jù)液體種類(lèi)、操作壓強(qiáng)和壁面性質(zhì)而定的常數(shù)，一般n＝2～3。(3)操作壓強(qiáng)提高操作壓強(qiáng)即相當(dāng)于提高了液體的飽和溫度，使液體的表面張力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脫離，使沸騰傳熱增強(qiáng)，在同樣的△t下能得到更高的h。(4)加熱壁面加熱面的材料不同，光潔度不同，則形成汽化核心的條件不同，對(duì)沸騰傳熱有顯著影響。通常新的清潔加熱面h較高，當(dāng)壁面被油脂沾污后，會(huì)使h急劇下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸騰傳熱。此外加熱面的布置對(duì)沸騰傳熱也有明顯影響，如在水平管束外沸騰時(shí)，其上升汽泡會(huì)覆蓋上方管的一部分加熱面，導(dǎo)致管的平均h下降。2023/2/497第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5輻射傳熱熱輻射thermalradiation是熱量傳遞的三種基本方式之一，特別是高溫時(shí)，熱輻射往往成為主要的傳熱方式。一些加熱爐和鍋爐中的燃燒加熱，高溫管道和設(shè)備與周?chē)h(huán)境的熱量交換等均與輻射傳熱有關(guān)。5.5.1

基本概念和定律5.5.1.1熱輻射物體由于本身溫度或受熱而引起內(nèi)部原子的復(fù)雜激動(dòng)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，就會(huì)對(duì)外發(fā)射出輻射能并向四周傳播。這種能量是以電磁波的形式進(jìn)行傳遞，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示為熱效應(yīng)，稱(chēng)為熱輻射。當(dāng)熱輻射能量投射在另一物體表面上時(shí)，可部分或全部地被吸收，重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?023/2/498第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5輻射傳熱電磁波的波長(zhǎng)范圍從零到無(wú)窮大，但能被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€(xiàn)主要為可見(jiàn)光(0.4～0.8μm)和紅外線(xiàn)(0.8～20μm)兩部分，即波長(zhǎng)在0.4～20μm之間，統(tǒng)稱(chēng)為熱射線(xiàn)。但只有在很高的溫度下，才能覺(jué)察到可見(jiàn)光線(xiàn)(波長(zhǎng)為0.4～0.8μm)的熱效應(yīng)。理論上講，任何物體只要溫度在絕對(duì)零度以上，都能進(jìn)行熱輻射，但只在高溫時(shí)才起決定作用。2023/2/499第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.2熱輻射對(duì)物體的作用熱射線(xiàn)和可見(jiàn)光一樣，同樣具有反射、折射和吸收的特性，服從光的反射和折射定律，在均一介質(zhì)中直線(xiàn)傳播，在真空和有些氣體中可以完全透過(guò)，而在固體和液體中則不能透過(guò)。根據(jù)這些特性，設(shè)投在某物體上的總輻射能為Q，則有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透過(guò)物體，如圖。根據(jù)能量守恒定律有：QA＋QR＋QD＝Q

2023/2/4100第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.3黑體、鏡體、透熱體和灰體黑體(絕對(duì)黑體)：Abodywhichabsorbsallincidentradiationiscalledablackbody能全部吸收輻射能的物體，即A＝1的物體。自然界中無(wú)絕對(duì)黑體存在，但有些物體如無(wú)光澤的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比較接近于黑體。引入黑體只是作為實(shí)際物體的一種比較標(biāo)準(zhǔn)，黑體A最大，也具有最大的輻射能力。2023/2/4101第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)鏡體(絕對(duì)白體)：能全部反射輻射能的物體，即R＝1的物體。實(shí)際上鏡體也是不存在的，但有些物體如表面磨光的銅，R＝0.97，接近于鏡體。透熱體：能全部透過(guò)輻射能的物體，即D＝1的物體。單原子和對(duì)稱(chēng)雙原子構(gòu)成的氣體(H2、N2、O2和He等)一般可視為透熱體；多原子和不對(duì)稱(chēng)雙原子氣體則能有選擇地吸收和反射某一波長(zhǎng)范圍的輻射能。2023/2/4102第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)灰體：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波長(zhǎng)輻射能的物體。大多數(shù)工程材料均可按灰體處理。因而灰體的特點(diǎn)是：灰體為不透熱體，即D=0或A＋R＝1吸收率A不隨波長(zhǎng)k變化物體的A、R和D是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所處溫度和投射輻射線(xiàn)的波長(zhǎng)等有關(guān)，一般地：多數(shù)固體和液體：不透熱體，即D＝0或A+R=1。氣體：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。2023/2/4103第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.4輻射傳熱Radiationheattransfer物體在向外發(fā)射輻射能的同時(shí)，也會(huì)不斷地吸收周?chē)渌矬w發(fā)射的輻射能，并將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這種物體間相互發(fā)射輻射能和吸收輻射能的傳熱過(guò)程稱(chēng)為輻射傳熱。若輻射傳熱是在兩個(gè)溫度不同的物體之間進(jìn)行，則傳熱的結(jié)果是高溫物體將熱量傳給了低溫物體，若兩個(gè)物體溫度相同，則物體間的輻射傳熱量等于零，但物體間輻射和吸收過(guò)程仍在進(jìn)行。2023/2/4104第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.5輻射傳熱基本定律5.5.1.5.1輻射能力物體只要具有一定溫度(T>0K)就會(huì)不斷向空間輻射出各種波長(zhǎng)的輻射能。物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長(zhǎng)范圍的總能量，稱(chēng)為該溫度下物體的輻射能力，用E表示，單位W/m2。確定物體的輻射能力先需確定物體輻射某一波長(zhǎng)的能力，物體發(fā)射特定波長(zhǎng)的能力稱(chēng)為單色輻射能力，用EΛ表示，單位W/m2·μm。EΛ的大小不僅與波長(zhǎng)Λ及溫度有關(guān)，而且與物體的性質(zhì)有關(guān)。2023/2/4105第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)在一定溫度下物體的輻射能力可表示為：對(duì)于黑體，其輻射能力Eb則可表示為：2023/2/4106第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.5.2普朗克(M·Planck)定律普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長(zhǎng)的分配規(guī)律，即表示黑體單色輻射能力EbΛ和波長(zhǎng)Λ、熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算式為：式中：

Λ——

波長(zhǎng)，μm；

T——

黑體的絕對(duì)溫度，K；

C1——普朗克第一常數(shù)，3.743×10-16

Ｗ·m2；C2——普朗克第二常數(shù)，1.4387×10-2m·K。2023/2/4107第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)不同溫度下，EbΛ～Λ作圖，如圖示，每個(gè)溫度有一條能量分布曲線(xiàn)。在指定溫度下，黑體輻射各種波長(zhǎng)的能量是不同的。但在某一波長(zhǎng)可達(dá)到EbΛ的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長(zhǎng)為0.4～0.8μm的范圍內(nèi)。2023/2/4108第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.5.3斯蒂芬-波爾茨曼(J·Stefan-D.Boltzman)定律斯蒂芬-波爾茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系：式中：σ0——黑體的輻射常數(shù)，5.67×10-8

W/(m2·K4)

C0——黑體的輻射系數(shù)，5.67W/(m2·K4)。2023/2/4109第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)上式稱(chēng)為斯蒂芬-波爾茨曼定律，它說(shuō)明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比，故又稱(chēng)為四次方定律。實(shí)驗(yàn)證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應(yīng)用到灰體，此時(shí)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：C－灰體的輻射系數(shù)，W/(m2·K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質(zhì)，表面狀況和溫度，且總是小于C02023/2/4110第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)因C<C0，故在同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體，其比值稱(chēng)為物體的黑度，以ε表示：因而只要知道物體的黑度，就可通過(guò)上式求得該物體的輻射能力。物體的黑度ε取決于物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況(表面粗糙度及氧化程度)，是物體本身的特性，與外界情況無(wú)關(guān)，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常用工業(yè)材料的黑度列于書(shū)中表5-6。2023/2/4111第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.1.5.4克?；舴?Kirchhoff)定律克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能力E與吸收率A之間的關(guān)系。設(shè)有相距很近的平行平板1和2，從一板發(fā)射的輻射能可全部投射到另一平板上。板1：實(shí)際物體(灰體)，E1、A1、T1板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2T1>T2,板間介質(zhì)為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱12EbA1Eb(1－A1)Eb因板2為黑體，板1發(fā)射出的E1被板2全部吸收。板2發(fā)射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。E1E12023/2/4112第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)對(duì)板1，輻射傳熱的結(jié)果為：Q/s=Q發(fā)射/s-Q接收/s=[E1+(1-A1)Eb]-Eb=E1-A1Eb輻射傳熱達(dá)到平衡時(shí)，即T1=T2時(shí)，Q/s=012EbA1Eb(1－A1)EbE1E1上式稱(chēng)為克?；舴蚨桑砻魅魏挝矬w的輻射能力與其吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體的絕對(duì)溫度有關(guān)。2023/2/4113第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)實(shí)際上板1可用任何板代替，則上式可寫(xiě)成：根據(jù)克?；舴蚨桑孩傥矬w的吸收率A愈大，其輻射能力E也愈大；②由A＝E/Eb與式ε＝E/Eb比較，A＝ε，即灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測(cè)定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。2023/2/4114第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)雖然A=ε，但A、ε物理意義不同：A：吸收率，表示由其它物體發(fā)射來(lái)的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?shù)；ε：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分?jǐn)?shù)因物體的A測(cè)定比較困難，工程計(jì)算中常用ε代替。2023/2/4115第五章傳熱過(guò)程基礎(chǔ)5.5.2兩固體間的輻射傳熱Radiationbetweensurfaces

工業(yè)上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體處理，故較復(fù)雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對(duì)位置以及物體本身性質(zhì)有關(guān)。5.5.2.1不考慮幾何因素面