熱量傳遞級(jí)設(shè)備

化工原理第四章

熱量傳遞及設(shè)備當(dāng)前第1頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述一、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用在物體內(nèi)部或者物系間,只要存在溫度差,就會(huì)自動(dòng)發(fā)生從高溫處向低溫處的熱量傳遞。溫度差就是傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中傳熱應(yīng)用極為廣泛，傳熱過(guò)程所涉及的主要問(wèn)題有三類：

1.物料的加熱與冷卻。例如化工生產(chǎn)中的許多單元操作如蒸發(fā)、干燥、蒸餾等操作過(guò)程中,都需要供給一定熱量,一般的化學(xué)反應(yīng)也都伴隨著熱量的傳遞,而且都要求將溫度控制在一定范圍內(nèi),因此需要不斷地輸入和輸出熱量。

2.熱量與冷量的回收利用。在能源短缺的今天,熱量與冷量都是能量,有效回收利用熱量與冷量以節(jié)約能源是非常重要的,也是降低生產(chǎn)成本的重要措施之一。例如利用鍋爐排出的煙道氣的廢熱,預(yù)熱燃料燃燒所需要的空氣等。

3.設(shè)備與管路的保溫。有許多設(shè)備與管路是在特定高溫或低溫下操作,為了減少熱量與冷量的損失,總是在設(shè)備與管路的表面包上絕熱材料的保溫層,以盡量避免傳熱。由此可見(jiàn),傳熱是化工生產(chǎn)中必不可少的基本操作，能量的充分利用是化工生產(chǎn)、尤其是大型生產(chǎn)中極為重要的課題。當(dāng)前第2頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

二、工業(yè)生產(chǎn)上的換熱方法參與傳熱的流體稱為載熱體。在傳熱過(guò)程中，溫度較高而放出熱能的載熱體稱為熱載熱體或加熱劑；溫度較低而得到熱能的載熱體稱為冷載熱體或冷卻劑、冷凝劑。冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)熱交換的方法有以下三種：

1.直接接觸式換熱其特點(diǎn)是冷、熱兩流體在換熱器中直接接觸，如圖4-1所示，在混合過(guò)程中進(jìn)行傳熱，故也稱為混合式換熱?；旌鲜綋Q熱器適用于用水來(lái)冷凝水蒸汽等允許兩股流體直接接觸混合的場(chǎng)合。常用于氣體的冷卻或水蒸氣冷凝。

圖4-1直接接觸式換熱當(dāng)前第3頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

2.蓄熱式換熱其特點(diǎn)是冷、熱流體間的熱交換是通過(guò)蓄熱器的周期性加熱和冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該換熱器是由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成,室內(nèi)裝有耐火磚等固體填充物,如圖4-2所示。操作時(shí)冷、熱流體交替的流過(guò)蓄熱室,利用固體填充物來(lái)積蓄和釋放熱量而達(dá)到換熱的目的。由于這類換熱設(shè)備的操作是間歇交替進(jìn)行的,并且難免在交替時(shí)發(fā)生兩股流體的混合,所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用的不太多。圖4-2蓄熱式換熱器

當(dāng)前第4頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

3.間壁式換熱其特點(diǎn)是冷、熱流體被一固體壁面隔開,分別在壁面的兩側(cè)流動(dòng),不相混合。傳熱時(shí)熱流體將熱量傳給固體壁面,再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。這是生產(chǎn)中使用最廣泛的一種形式。適用于兩股流體間需要進(jìn)行熱量交換而又不允許直接相混的場(chǎng)合,如鍋爐燒水。化工生產(chǎn)中最常遇到的換熱過(guò)程就是間壁式換熱,常見(jiàn)換熱器如圖4-3、4-4及4-5所示。圖4-3套管式換熱器圖4-4單程列管式換熱器圖4-5雙程列管式換熱器當(dāng)前第5頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

套管式換熱器如圖4-3所示,它是由直徑不同的兩根管子同心套在一起組成的。冷、熱流體分別流經(jīng)內(nèi)管和環(huán)隙,通過(guò)內(nèi)管壁而進(jìn)行熱的交換。列管式換熱器主要有殼體、管束、管板（花板）和封頭等部件組成。一種流體由封頭處的進(jìn)口管進(jìn)入分配室空間（封頭與管板之間的空間）分配至各管內(nèi)（稱為管程）,通過(guò)管束后,從另一封頭的出口管流出換熱器。另一種流體則由殼體的進(jìn)口管流入,在殼體與管束間的空隙流過(guò)（稱為殼程）,從殼體的另一端出口管流出。

圖4-4所示為單管程列管式換熱器，流體在換熱器管束內(nèi)只通過(guò)一次。圖4-5所示為雙管程列管式換熱器,在換熱器的分配室空間設(shè)置隔板,將管束的全部管子平均分成兩組,流體每次只通過(guò)一組管子,然后折回進(jìn)入另一組管子,如此反復(fù),最后從封頭處的出口管流出換熱器。另外還有多管管程列管式換熱器。當(dāng)前第6頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

三、傳熱的基本方式熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總是由高溫處自動(dòng)地向低溫處移動(dòng)。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以傳熱過(guò)程的推動(dòng)力是溫度差。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

1.熱傳導(dǎo)：又稱傳導(dǎo)傳熱,簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱，即在同一物體內(nèi)或連接緊密的不同物體間,熱量會(huì)自動(dòng)地從高溫向低溫傳遞的方式。本質(zhì)上它是依靠物體內(nèi)分子的熱振動(dòng)和自由電子的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行熱能的傳遞。在熱傳導(dǎo)中物體中的分子不發(fā)生相對(duì)位移,如鐵棒的傳熱等

。固體、液體和氣體都能以這種方式傳熱。

2.熱對(duì)流：又稱對(duì)流傳熱,是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流傳熱狀況比自然對(duì)流好。熱對(duì)流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。當(dāng)前第7頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第一節(jié)

概述

3.熱輻射：又稱輻射傳熱,是物質(zhì)由于本身溫度的原因激發(fā)產(chǎn)生電磁波而被另一低溫物體吸收后,又重新全部或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。因此輻射傳熱,不僅是能量的傳遞，還同時(shí)伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)化。另外,輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介,它可以在真空中傳播。這是熱輻射與熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流的根本區(qū)別。一般只有物體溫度大于400℃時(shí),才有明顯的熱輻射。實(shí)際上，以上三種傳熱方式很少單獨(dú)存在，一般都是兩種或三種方式同時(shí)出現(xiàn)。在一般換熱器內(nèi)，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計(jì)，只需考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種傳熱方式。四、穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱在傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時(shí)間而改變的傳熱過(guò)程稱為穩(wěn)定傳熱。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱。若傳熱系統(tǒng)中溫度分布隨時(shí)間變化的傳熱過(guò)程稱為不穩(wěn)定傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設(shè)備和連續(xù)生產(chǎn)時(shí)設(shè)備的啟動(dòng)和停車過(guò)程，都為不穩(wěn)定的傳熱過(guò)程。化工生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)定傳熱，本章只討論穩(wěn)定傳熱。當(dāng)前第8頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

一、導(dǎo)熱基本規(guī)律1.熱傳導(dǎo)方程在一個(gè)由固體物質(zhì)組成的壁面如圖4-6所示,面積為S,壁厚為δ,兩側(cè)壁面溫度分別為t1和t2,單位為K或℃。熱量以熱傳導(dǎo)方式沿著與壁面垂直的方向從一側(cè)傳遞到另一側(cè)。實(shí)踐證明：如果在與壁面垂直的方向上任取一傳熱厚度db,其對(duì)應(yīng)溫度降為dt，則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)該壁面?zhèn)鬟f的熱量Q有下列關(guān)系：

(4-1)

負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度升高方向相反。式中Q稱為導(dǎo)熱速率,單位為W；dt/db為沿傳熱方向溫度變化的強(qiáng)度,稱為溫度遞度；λ稱為熱導(dǎo)率,又稱導(dǎo)熱系數(shù)。式（4-1）稱為熱傳導(dǎo)基本方程，或稱為傅里葉（Fourier）定律。圖4-6平壁熱傳導(dǎo)當(dāng)前第9頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

2.熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）導(dǎo)熱系數(shù)表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單位是W/（m·K）或

W/（m·℃)。其值越大，則物質(zhì)的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。當(dāng)需要提高導(dǎo)熱速率時(shí)，可選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料；反之，應(yīng)選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，可在專用化工手冊(cè)中查得。導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值的變化范圍很大，一般來(lái)說(shuō)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬固體次之，液體的較小，而氣體的最小。溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大，二者之間具有線性關(guān)系，即有：λ=λ0(1+at)

,式中a稱為溫度系數(shù)；壓強(qiáng)對(duì)物體的導(dǎo)熱系數(shù)基本無(wú)影響。只有氣體在壓力很高時(shí)（大于200MPa），其導(dǎo)熱系數(shù)才隨壓強(qiáng)的增大而增大。當(dāng)前第10頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

二、平壁的熱傳導(dǎo)

1.單層平壁的熱傳導(dǎo)按圖4-6所示，利用傅立葉定律并分離變量積分，整理后有：（4-2）式（4-2）即為單層平壁熱傳導(dǎo)速率的計(jì)算式?，F(xiàn)對(duì)該式變形有：（4-3）

本式與電學(xué)的歐姆定律相似，式中溫度差(△t)是導(dǎo)熱過(guò)程的推動(dòng)力，而R導(dǎo)為單層平壁的導(dǎo)熱熱阻，即傳熱速率與推動(dòng)力成正比,與熱阻成反比,這符合我們前面講過(guò)的過(guò)程速率通式。另外λm為壁面兩側(cè)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的平均值。當(dāng)前第11頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

2.多層平壁的熱傳導(dǎo)

工業(yè)上常遇到由多種不同材料組成的平壁，稱為多層平壁。如鍋爐墻壁是由耐火磚、保溫磚和普通磚組成。以三層壁為例，如圖4-7所示。因是穩(wěn)定傳熱，則各層的傳熱速率相等，式(4-3)對(duì)于各層的傳熱速率均適用，那么有：

(4-4)

式（4-4）表明：多層平壁穩(wěn)定熱傳導(dǎo),其推動(dòng)力為內(nèi)外壁面間的總溫差,阻力為各層熱阻總和,與電學(xué)中的串聯(lián)電路相仿,該式即為多層平面壁的熱傳導(dǎo)方程式。在多層平壁中,溫差大的壁層熱阻必然大。

例題：參見(jiàn)教材P174例4-1

圖4-7多層平壁的熱傳導(dǎo)當(dāng)前第12頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

三、圓筒壁的熱傳導(dǎo)1.單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)如圖4-8所示,有一單層園筒壁的軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng),內(nèi)外半徑及溫度分別為r1

、t1和r2

、t2?，F(xiàn)在半徑r(r1≤r≤r2)處取園筒壁的一局部,即微元厚dr薄層,此微元薄層的傳熱面積則為S=2πrL,據(jù)傅立葉方程通式有：Q=-λ(2πrL)dt/dr，分離變量積分得：

，整理后有：

（4-5）

式（4-5）就是單層園筒壁熱傳導(dǎo)的計(jì)算公式。注意：當(dāng)r2/r1≤2(即園筒壁很薄時(shí))，可以近似把(r2-r1)當(dāng)做壁厚b,2πL(r1+r2)/2當(dāng)作傳熱面積A,按平面壁求算,其誤差小于4％，化工計(jì)算是允許的。

圖4-8單層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo)當(dāng)前第13頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

2.多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)如圖4-9所示為三層圓筒壁。由不同材質(zhì)構(gòu)成的多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)也可按多層平壁的熱傳導(dǎo)類似方法處理，依據(jù)單層園筒壁規(guī)律導(dǎo)出，即有：

（4-6）

式（4-6）就是多層園筒壁熱傳導(dǎo)的計(jì)算公式。圖4-9多層圓筒壁壁的熱傳導(dǎo)當(dāng)前第14頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

四、球殼的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)由于球形在結(jié)構(gòu)上均勻?qū)ΨQ，假若熱源在球心處，那么球殼的溫度和傳熱面積只沿球徑方向變化。設(shè)球殼的內(nèi)外半徑分別為r1和r2，內(nèi)外壁溫度分別為t1和t2，材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ。現(xiàn)在球面半徑為r(r1≤r≤r2)處取一局部，即微元厚dr薄層,此微元薄層的導(dǎo)熱面積則為S=4πr2,對(duì)應(yīng)該厚度層的球殼的溫度變化為dt。據(jù)傅立葉方程通式有：分離變量積分得：整理得：（4-7）

式（4-7）即為球殼穩(wěn)定熱傳導(dǎo)速率的計(jì)算式。當(dāng)前第15頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第二節(jié)

熱傳導(dǎo)

五、具有內(nèi)熱源的圓筒體穩(wěn)定熱傳導(dǎo)假如有一軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)的圓筒體，若其內(nèi)部存放一個(gè)放熱強(qiáng)度為q/（稱為熱流強(qiáng)度，表征單位體積的固體壁面的放熱速率，w/m3）的熱源。設(shè)該圓筒體的內(nèi)半徑為ri，內(nèi)壁溫度為tw，圓筒體材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ?，F(xiàn)在圓筒體半徑為r(ri≤r)處取一局部，即微元厚dr薄層,那么此微元薄層的導(dǎo)熱面積則為S=2πrL,該層對(duì)應(yīng)的圓筒體壁的溫度變化為dt。據(jù)傅立葉方程通式有：

針對(duì)該微元層，利用其放熱強(qiáng)度又有：對(duì)于穩(wěn)定熱傳導(dǎo)，因?yàn)镼1=Q2，聯(lián)立上述二式并經(jīng)分離變量積分有：

整理得：（4-8）

式（4-8）即為具有恒定內(nèi)熱源的圓筒體內(nèi)任一點(diǎn)溫度t與半徑r間的函數(shù)關(guān)系式，該式定量的表征了圓筒體壁溫在徑向上的分布狀況，它是一根拋物線。當(dāng)前第16頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

一、對(duì)流傳熱規(guī)律

1.對(duì)流傳熱分析對(duì)流傳熱實(shí)質(zhì)上就是由于流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞。通常傳熱的冷熱兩個(gè)流體總是通過(guò)某金屬壁面進(jìn)行熱量交換，其表現(xiàn)就是流體將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過(guò)程。

在第一章中已知，流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，無(wú)論流動(dòng)主體湍動(dòng)的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層層流內(nèi)層。由于在層流內(nèi)層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直方向的流體對(duì)流混合，所以固體壁面與流體間進(jìn)行傳熱時(shí)，熱量只能以熱傳導(dǎo)方式通過(guò)層流內(nèi)層。雖然層流內(nèi)層的厚度很薄，但導(dǎo)熱的熱阻值卻很大，因此層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)將產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面，在湍流主體中，由于對(duì)流使流體質(zhì)點(diǎn)混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中的溫度差極小，其傳熱就是典型的對(duì)流傳熱。

由此可見(jiàn)：流體的對(duì)流傳熱實(shí)質(zhì)上是耦合了層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)和流體主體的熱對(duì)流兩個(gè)過(guò)程，其傳熱的主要阻力存在于近壁處的層流內(nèi)層，該層的傳熱機(jī)理屬于熱傳導(dǎo)。當(dāng)前第17頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

圖4-10是表示對(duì)流傳熱的溫度分布示意圖,由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大,所需要的推動(dòng)力溫度差就比較大,溫度曲線較陡,幾乎成直線下降。一般將流動(dòng)流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層。該層由于有傳熱阻力,所以才存在傳熱速率Q,其速率計(jì)算應(yīng)遵循傅立葉定律；在湍流主體,流體溫度幾乎為一恒定值，由于無(wú)傳熱阻力,即傳熱能瞬時(shí)完成,故無(wú)所謂傳熱速率之說(shuō)法。圖4-10換熱管壁兩側(cè)流體流動(dòng)狀況及溫度分布當(dāng)前第18頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

2.對(duì)流傳熱方程

依據(jù)以上分析,如果我們以流體被加熱為例（圖4-10右側(cè)）,設(shè)傳熱邊界層厚度為b,固體壁面面積為A,由傅立葉方程有：（4-8）

又由于傳熱邊界層厚度為b難以測(cè)定，令,稱為對(duì)流傳熱系數(shù),此時(shí)式（4-8）變?yōu)?(4-9a)

同理得流體被冷卻速率關(guān)系式為(4-9b)

式（4-9）稱為對(duì)流傳熱方程，也稱為牛頓冷卻定律，它是對(duì)流傳熱的基本規(guī)律。該規(guī)律以很簡(jiǎn)單的形式描述了復(fù)雜的對(duì)流傳熱過(guò)程的速率關(guān)系,其中的對(duì)流傳熱系數(shù)包括了所有影響對(duì)流傳熱過(guò)程的復(fù)雜因素。對(duì)流傳熱系數(shù)的倒數(shù)稱為對(duì)流傳熱過(guò)程的熱阻,即。對(duì)于穩(wěn)定傳熱有,即壁溫總是比較接近值大的那一側(cè)流體的溫度。這一結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)換熱器是很重要的。當(dāng)前第19頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

二、對(duì)流傳熱系數(shù)1.影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素凡是影響邊界層導(dǎo)熱和邊界層外對(duì)流的條件都和有關(guān),目前所能設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表明，影響的因素主要有：

1.1流體的種類,如液體、氣體和蒸汽；

1.2流體的物理性質(zhì),如密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等；

1.3流體的相態(tài)變化,在傳熱過(guò)程中有相變發(fā)生時(shí)的值遠(yuǎn)大于沒(méi)有相變發(fā)生時(shí)的

值；

1.4流體對(duì)流的狀況,強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的

值大于自然對(duì)流時(shí)的值；

1.5流體的運(yùn)動(dòng)狀況,湍流時(shí)的

值大于層流時(shí)的

值；

1.6傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長(zhǎng)度和高度等。綜上所述,如何確定不同情況下的對(duì)流傳熱系數(shù)

是對(duì)流傳熱的中心問(wèn)題,也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的問(wèn)題。

當(dāng)前第20頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

2.對(duì)流傳熱系數(shù)的確定原則

由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素太多，要建立一個(gè)通式來(lái)求各種條件下的h值是十分困難的。目前工程計(jì)算中只能采用理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法建立起經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，即準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。常用的準(zhǔn)數(shù)及物理意義列于表4-1中。準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，所以應(yīng)用這種關(guān)聯(lián)式求解時(shí)就不能超出實(shí)驗(yàn)條件的范圍，使用時(shí)就必須注意它的適用條件。具體說(shuō)來(lái)，主要指下面三個(gè)方面：

一是應(yīng)用范圍：指關(guān)聯(lián)式中Re

、Pr等準(zhǔn)數(shù)可適用的數(shù)值范圍。二是特征尺寸：指關(guān)聯(lián)式中Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的特征尺寸L應(yīng)如何取定。

三是定性溫度：指關(guān)聯(lián)式中各準(zhǔn)數(shù)中流體的物性應(yīng)按什么溫度查定。當(dāng)前第21頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流表4-1各特征準(zhǔn)數(shù)的名稱、符號(hào)和含義

關(guān)于對(duì)流傳熱系數(shù)前人進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究工作,對(duì)于各種傳熱情況分別提出了進(jìn)行計(jì)算的關(guān)聯(lián)式,下面僅僅介紹常用對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式來(lái)說(shuō)明關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用。當(dāng)前第22頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

3.常用對(duì)流傳熱系數(shù)的確定

3.1流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

對(duì)于低粘度流體（即氣體或小于2倍常溫水黏度的液體）有：或（4-9）

（教材P187式4-46）式中當(dāng)流體被加熱時(shí)，；當(dāng)流體被冷卻時(shí)，.應(yīng)用范圍：，0.7＜＜120；管長(zhǎng)與管徑之比是；若為短管，即，則需進(jìn)行修正；定型尺寸：di取管內(nèi)徑；定性溫度：取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。對(duì)于高粘度液體有：

（4-10）

（教材P188式4-47）應(yīng)用范圍：104，0.7＜Pr＜16700；管長(zhǎng)與管徑之比是L/di大于60；定型尺寸：di取管內(nèi)徑；定性溫度：除取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

當(dāng)前第23頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

3.2流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

（4-11）（教材P191式4-52）應(yīng)用范圍：Re＜2300；RePrdi/L的值大于10；定型尺寸：di取管內(nèi)徑；定性溫度：除取壁溫外,均取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。3.3流體無(wú)相變且在圓形直管內(nèi)作過(guò)渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

此種情況且當(dāng)2300＜Re＜104時(shí)，其確定方法是先用湍流時(shí)的公式進(jìn)行計(jì)算，然后把所得結(jié)果乘以校正系數(shù)，從而得到過(guò)渡流下的對(duì)流傳熱系數(shù)。具體校正系數(shù)為（教材P189式4-48）。3.4流體有相變化時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

流體在換熱器內(nèi)發(fā)生相變化的情況有冷凝和沸騰兩種?，F(xiàn)分別將兩種有相變化的傳熱及傳熱系數(shù)的確定進(jìn)行介紹。

蒸汽的冷凝傳熱：當(dāng)飽和蒸汽與溫度低的固體壁面接觸時(shí),蒸汽將在壁面上冷凝成液體。其冷凝分膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式,膜狀冷凝時(shí)冷凝液容易潤(rùn)濕冷卻面,滴狀冷凝時(shí)冷凝液不容易潤(rùn)濕冷卻面。當(dāng)前第24頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

在膜狀冷凝過(guò)程中,壁面上形成一層完整的液膜,蒸汽的冷凝只能在液膜的表面進(jìn)行。而滴狀冷凝過(guò)程,冷凝液在壁面上形成液滴,液滴自壁面滾轉(zhuǎn)而滴落,蒸汽與重新露出的壁面直接接觸,因而使滴狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的傳熱系數(shù)大得多,或者說(shuō)膜狀冷凝的熱阻要遠(yuǎn)大于滴狀冷凝。在工業(yè)用冷凝器中,即使采用了促進(jìn)產(chǎn)生滴狀冷凝的措施,也很難持久保持滴狀冷凝,所以工業(yè)用冷凝器的設(shè)計(jì)都是按膜狀冷凝來(lái)考慮,其計(jì)算也是以膜狀冷凝為依據(jù)。為此冷凝傳熱系數(shù)的計(jì)算如下：

(1)若為垂直管外或板上的冷凝傳熱，其計(jì)算分膜層層流和湍流兩種情況：當(dāng)膜層為層流時(shí)有：（教材P199式4-71）（4-12）

當(dāng)膜層為湍流時(shí)有：（教材P199式4-73）（4-13）

(2)水平管束外的冷凝傳熱，其傳熱系數(shù)由下式計(jì)算：

（教材P200式4-78）（4-14）當(dāng)前第25頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

3.4.2液體的沸騰傳熱

高溫加熱面與沸騰液體間的傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的。由于液體沸騰的對(duì)流傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響液體沸騰的因素很多,其中最重要的是傳熱壁與液體的溫差。現(xiàn)以常壓下水沸騰的情況為例,說(shuō)明對(duì)流傳熱的情況。

圖5-15所示是常壓下水在鉑電熱絲表面上沸騰時(shí)與的關(guān)系曲線。當(dāng)溫差較小如5oC以下時(shí),傳熱主要以自然對(duì)流方式進(jìn)行,如圖中AB線段所示,隨的增大而略有增大。此階段稱為自然對(duì)流區(qū)。當(dāng)逐漸升高越過(guò)B點(diǎn)時(shí),在加熱面上會(huì)產(chǎn)生更多蒸氣泡,由于這些蒸氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升導(dǎo)致液體受到劇烈的擾動(dòng),使隨的增大而迅速增大,在C點(diǎn)處達(dá)到最大值。此階段稱為核狀沸騰。C點(diǎn)的溫度差稱為臨界溫度差。水臨界溫度差約為25oC。當(dāng)前第26頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流當(dāng)超過(guò)C點(diǎn)繼續(xù)增大時(shí),加熱面逐漸被氣泡覆蓋,此時(shí)由于傳熱過(guò)程中的熱阻大，開始減小，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)為最小值。此時(shí)，若在繼續(xù)增加，加熱面完全被蒸氣泡層所覆蓋，通過(guò)該蒸氣泡層的熱量傳遞是以導(dǎo)熱和熱輻射方式進(jìn)行。此階段稱為膜狀沸騰。一般的傳熱設(shè)備通常總是控制在核狀沸騰下操作。由于液體沸騰時(shí)要產(chǎn)生氣泡，所以一切影響氣泡生成、長(zhǎng)大和脫離壁面的因素對(duì)沸騰對(duì)流傳熱都有重要影響。如此復(fù)雜的影響因素使液體沸騰的傳熱系數(shù)計(jì)算式至今都不能完善，難以較為準(zhǔn)確定量表征。但人們發(fā)現(xiàn)液體沸騰時(shí)的傳熱系數(shù)值一般都比流體不相變的值大，例如水沸騰時(shí)值一般在1500－30000W/(m2·℃)間。如果與沸騰液體換熱的另一股流體沒(méi)有相變化,那么傳熱過(guò)程的阻力主要是無(wú)相變流體的熱阻。在這種情況下，沸騰傳熱系數(shù)的值就可以無(wú)需詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算。例如水的沸騰值常取5000W/(m2·℃)。當(dāng)前第27頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第三節(jié)熱對(duì)流

綜上所述,由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)α的因素很多,所以α的數(shù)值范圍也很大。表5-7中介紹了常用流體α值的大致范圍。由此表可看出:流體在傳熱過(guò)程中有相變化時(shí)的α值大于無(wú)相變化時(shí)的值；在無(wú)相變化時(shí),水的α值最大,油類次之,過(guò)熱蒸氣和氣體最小。當(dāng)前第28頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

如前所述,熱輻射就是物質(zhì)由于本身溫度的原因激發(fā)產(chǎn)生電磁波而被另一低溫物體吸收后,又重新全部或部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^(guò)程。當(dāng)物體溫度較高時(shí),熱輻射往往成為主要的傳熱方式。在日常生活和工程技術(shù)中,輻射傳熱是常見(jiàn)現(xiàn)象，如各種工業(yè)用爐、輻射干燥、食品烤箱及太陽(yáng)能熱水器等。最常見(jiàn)的輻射現(xiàn)象是太陽(yáng)對(duì)大地的輻射。近年來(lái),人類對(duì)太陽(yáng)能的利用促進(jìn)了人們對(duì)輻射傳熱的研究。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹熱輻射的基本概念與基本定律及應(yīng)用。一、熱輻射的基本概念

1.熱輻射的物理本質(zhì)物體受熱后由于體內(nèi)原子復(fù)雜的激烈運(yùn)動(dòng),即對(duì)外發(fā)射出熱輻射線。這種熱射線以電磁波的形式向周圍空間作直線傳播,當(dāng)與另一物體相遇時(shí),則可被吸收、反射和透過(guò),其中被吸收部分就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。理論上講，凡是熱力學(xué)溫度在零度以上的物體都能發(fā)射出熱輻射線，其波長(zhǎng)可從零到無(wú)窮大范圍。但是其中能被物體吸收又能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿模簿褪菬嵝?yīng)顯著的熱射線波長(zhǎng)范圍為0.4-20微米間。熱輻射線的傳播不需要任何介質(zhì),在真空中依然能快速傳播。

這種僅與物體本身溫度有關(guān)而引起的熱射線傳播過(guò)程稱為熱輻射。當(dāng)前第29頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射2.吸收率、反射率與透過(guò)率當(dāng)投射到物體表面上的輻射總能為Q,其中一部分能量QA被該物體吸收，一部分能量QR被該物體反射,余下的能量QD透過(guò)該物體。依能量守恒定律有：QA+QR+QD=Q（4-15）定義：QA/Q=A,稱為該物體的吸收率；QR/Q=R，稱為該物體的反射率；QD/Q=D，稱為該物體的透過(guò)率,則有：A+R+D=1

（4-16）3.透熱體、白體與黑體

3.1透熱體：指D=1的物體，即表示該物體對(duì)投射來(lái)的熱輻射線既不吸收也不反射,而是全部透過(guò)的物體。自然界只有近似的透熱體,例如分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體如O2、N2、和H2等可視為透熱體。3.2白體：指R=1的物體，即表示對(duì)投射來(lái)的熱射線能全部反射的物體，又稱絕對(duì)白體。實(shí)際物體中有接近于白體的物體，如表面磨光的金屬,其反射率可達(dá)0.97，所以白體又稱鏡體。

3.3黑體：指A=1的物體，表示該物體能全部吸收投射來(lái)的各種波長(zhǎng)的熱射線,又稱絕對(duì)黑體。同樣實(shí)際物體中也沒(méi)有絕對(duì)的黑體，但無(wú)光澤的黑煤，其吸收率可達(dá)0.97，接近于黑體。由此可見(jiàn)：透熱體、白體與黑體都是一種理想化物體,在自然界是不存在的。引入這些概念的目的是使實(shí)際物體熱輻射的計(jì)算簡(jiǎn)化。當(dāng)前第30頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

4.固體、液體與氣體的熱輻射特點(diǎn)

4.1固體與液體的熱輻射特點(diǎn)固體和液體不能透過(guò)熱輻射線,其透過(guò)率D=0。因此,其吸收率與反射率之和為1,即A+R=1。這表明熱輻射線不能透過(guò)的物體,其反射能力越大,則其吸收能力就越??；反之,其反射能力越小,則其吸收能力就越大。

固體和液體向外發(fā)射熱輻射線以及吸收投射來(lái)的熱輻射線都是在物體表面進(jìn)行的,因此其表面情況對(duì)熱輻射的影響較大。

4.2氣體的熱輻射特點(diǎn)氣體的輻射和吸收是在整個(gè)氣體容積內(nèi)進(jìn)行的。因?yàn)橥渡涞綒怏w的熱輻射能進(jìn)入氣體容積內(nèi)部,沿途被氣體分子逐漸吸收。氣體容積發(fā)射的熱輻射能也是整個(gè)容積內(nèi)氣體分子發(fā)射的熱輻射能的總和。因此,氣體所發(fā)射和吸收的熱輻射能都是在整個(gè)氣體容積內(nèi)沿射線進(jìn)程進(jìn)行的。當(dāng)前第31頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

二、物體的輻射能力與斯蒂芬－玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律在一定溫度下,物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位面積所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射能,稱為該物體在該溫度下的輻射能力,用E表示。1.黑體的輻射能力與斯蒂芬－玻爾茲曼定律理論研究證明,黑體的輻射能力與其表面的熱力學(xué)溫度的四次方成正比,該規(guī)律稱為斯蒂芬－玻爾茲曼定律。可表示:(4-17）

式中Eb為黑體的輻射能力；＝5.67×10－8W/(m2K4),稱為斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)；Co＝5.67W/(m2K4),稱為黑體的輻射系數(shù)。斯蒂芬－玻爾茲曼定律是熱輻射的最基本定律,更是熱輻射計(jì)算的基礎(chǔ)。例題1：試計(jì)算一黑體表面溫度分別為20℃及600℃時(shí)輻射能力的變化。解（1）黑體在20℃時(shí)的輻射能力Eb1=418W/m2（2）黑體在600℃時(shí)的輻射能力Eb2=32930W/m2Eb2/Eb1=78.8由此題可見(jiàn),同一黑體溫度變化600/20=30倍,而輻射能力為原輻射能力的78.8倍,說(shuō)明溫度對(duì)輻射能力的影響在低溫時(shí)較小,往往可以忽略,而高溫時(shí)則可成為主要的傳熱方式。當(dāng)前第32頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射2.實(shí)際物體的輻射能力、黑度與灰體2.1實(shí)際物體的輻射能力與黑度工程上最重要的是確定實(shí)際物體的輻射能力。在同一溫度下,實(shí)際物體輻射能力E恒小于黑體的輻射能力Eb,也就是說(shuō)黑體的輻射能力是最大的。二者之比稱為黑度,用表示=E/Eb。即黑度就是定量表征實(shí)際物體的輻射能力接近于黑體的程度,其值恒小于1。物體黑度越大,其輻射能力就越大,所以黑度又稱物質(zhì)的輻射率，或發(fā)射率。實(shí)驗(yàn)證明,物體的黑度只與自身狀況有關(guān)（包括表面的材料、溫度及表面狀況）,較易確定。常見(jiàn)材料表面的黑度值可查閱化工手冊(cè)。2.2灰體為了使工程計(jì)算熱輻射問(wèn)題得以簡(jiǎn)單化,引入灰體概念。所謂灰體就是對(duì)各種波長(zhǎng)熱輻射線具有相同吸收率的理想化物體。一般工程計(jì)算中,都近似把實(shí)際物體視為灰體,此時(shí)其輻射能力E就可以用下式求算：

（4-18）式中C＝5.67,稱為灰體（就是實(shí)際物體）的輻射系數(shù)。當(dāng)前第33頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射三、克希霍夫(Kirchhoff)定律本定律就是闡釋物體表面的輻射能力與其吸收率之間的關(guān)系,以及物體表面的吸收率與其黑度的關(guān)系。

1.輻射能力與吸收率的關(guān)系

任何物體的輻射能力E與其吸收率A的比值恒為常數(shù),且等于同溫度下黑體的輻射能力Eb,此值僅與物體的溫度有關(guān),這就是克希霍夫定律的主要內(nèi)容。即物體的輻射能力與吸收率成正比,說(shuō)明吸收率大的物體,其向外的輻射能力也大,反之吸收率小的物體,其輻射能力也小。

2.吸收率與黑度（輻射率）的關(guān)系因=E/Eb、E/A=Eb,所以得：E/Eb=A=(4-19)

式(4-19)說(shuō)明:物體的吸收率與同溫度下的黑度（輻射率）在數(shù)值上相等。這樣實(shí)際物體（灰體）難以確定的吸收率均可以用其易于確定的黑度（輻射率）值來(lái)代替。當(dāng)前第34頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射四、兩固體間的輻射傳熱1.輻射傳熱速率的計(jì)算工業(yè)上常遇到的兩固體間輻射傳熱,通?？梢暈榛殷w之間的輻射傳熱。從高溫物體1傳給低溫物體2的輻射傳熱速率一般用下式計(jì)算：(參見(jiàn)教材P212式4-97)（4-20）式中Q1-2為凈輻射傳熱速率；C1-2為總輻射系數(shù)；為角系數(shù)；S為輻射傳熱面積；T1和T2分別為熱、冷流體的熱力學(xué)溫度。下面分常見(jiàn)三種輻射傳熱情況介紹式（4-20）各項(xiàng)數(shù)值的確定：1.1兩個(gè)面積為無(wú)限大（或者面積很大）且距離很近的平行平面壁,每個(gè)壁面所發(fā)射的輻射能全部投射到對(duì)方的壁面上，此情況下有S=S1=S2；角系數(shù)=1；總輻射系數(shù)。1.2兩個(gè)面積大小有限且相等的平行壁面,每個(gè)壁面所發(fā)射的輻射能只有部分投射到對(duì)方的壁面上,此情況下有S=S1=S2；角系數(shù)小于1,具體值可根據(jù)壁面形狀以及尺寸與壁間距從專門化工手冊(cè)查??；總輻射系數(shù)當(dāng)前第35頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

1.3一物體被另一物體包圍時(shí)的輻射傳熱,此情況下S取被包圍物體的表面積S1；角系數(shù)=1；總輻射系數(shù)(4-21)

下面兩種情況下可進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算：一是當(dāng)A1/A2接近1時(shí),可按無(wú)限大平行平壁計(jì)算，詳見(jiàn)1.1方法；二是當(dāng)被包圍物的表面積A1比包圍物的A2很小時(shí),取，即此時(shí)熱輻射與包圍物無(wú)關(guān)。在計(jì)算包圍壁面輻射傳熱速率時(shí),若T2大于T1,則Q1-2為負(fù)值,這表明凈熱量是從壁面2傳給壁面1。例題2：有一外徑為0.1m的表面已被氧化的鑄鐵管,其溫度為400℃,插入一截面為0.2m見(jiàn)方的耐火磚煙道中。煙道內(nèi)壁溫度為1000℃。試求管與耐火磚壁間每米管長(zhǎng)熱輻射的能量。解：每米鑄鐵管外表面積每米耐火磚壁表面積查黑度：鑄鐵管,耐火磚,鑄鐵管被煙道包圍A=A1=0.314m2，用式（4-21）計(jì)算得：C1-2=3.9W/(m2.K4)用式（4-20）計(jì)算輻射熱傳速率Q1-2=-29600W答案中負(fù)號(hào)表示鑄鐵管(T1)從煙道耐火磚壁(T2)吸收熱量。當(dāng)前第36頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第四節(jié)熱輻射例題3在高溫氣體的管道中心安裝一只熱電偶,測(cè)量高溫氣體的溫度。已知管道內(nèi)表面溫度為200℃,熱電偶指示溫度為400℃，高溫氣體對(duì)熱電偶表面的對(duì)流傳熱系數(shù)=50w/(m2.K),熱電偶表面的黑度。試計(jì)算高溫氣體的真實(shí)溫度解已知熱電偶溫度t1=400℃,管道內(nèi)表面溫度t2=200℃,高溫氣體的真實(shí)溫度以t表示。在穩(wěn)態(tài)條件下,高溫氣體以對(duì)流傳熱方式向熱電偶傳遞熱量的同時(shí),熱電偶表面向管道的內(nèi)表面輻射傳熱,二者的傳熱速率應(yīng)相等。熱電偶表面積以S表示，則有對(duì)流傳熱輻射傳熱

由于=50w/(m2.K),=1,,代入解得t=470℃?？梢?jiàn)：由于熱電偶向管道內(nèi)壁的熱輻射,導(dǎo)致其顯示的溫度總是低于氣體的真實(shí)溫度。因此在高溫時(shí)熱電偶是難以測(cè)量物體的真實(shí)溫度。當(dāng)前第37頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

2.輻射傳熱的強(qiáng)化與消弱方法工程上時(shí)常要強(qiáng)化與消弱物體之間的輻射傳熱速率，常有兩種方法。2.1改變物體表面的黑度。如為了增大物體的散熱量（即強(qiáng)化熱輻射）,可在其表面涂上黑度較大的油漆,常見(jiàn)的電器設(shè)備即如此；又如為了減少散熱量（即消弱熱輻射）,可在其表面上鍍以黑度較小的銀、鉛等薄層，常見(jiàn)的保溫瓶的瓶膽就采用此法。實(shí)驗(yàn)研究證明,瓶膽夾層的玻璃（其黑度大）表面上不鍍銀的熱損失是鍍銀時(shí)的88倍。同時(shí),瓶膽夾層中抽成真空，以減少導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱。2.2采用遮熱板。即為了消弱輻射傳熱,常在兩個(gè)輻射傳熱表面之間插入薄板（遮熱板）,以阻擋輻射傳熱。

例題：參見(jiàn)補(bǔ)充題（電子版）及教材P214例4-9。當(dāng)前第38頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)

第四節(jié)熱輻射

五、輻射與對(duì)流的聯(lián)合傳熱在化工生產(chǎn)中,設(shè)備的外壁溫度總是高于周圍大氣溫度,因此熱量必然會(huì)同時(shí)以熱輻射和熱對(duì)流兩種方式散失于周圍環(huán)境中,即既會(huì)發(fā)生從設(shè)備表面向周圍包圍物的輻射傳熱,同時(shí)也會(huì)有設(shè)備表面與空氣之間的對(duì)流傳熱。設(shè)備表面向周圍空氣的對(duì)流傳熱速率為：設(shè)備表面與周圍包圍物壁面間的輻射傳熱以對(duì)流傳熱速率的形式寫出為：式中此時(shí)總散熱損失速率為:

稱為對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù),對(duì)有保溫層設(shè)備,可用下列方法估算：

1.空氣自然對(duì)流時(shí)：

(1)在平壁保溫層外且T壁小于1500C時(shí)，=9.8+0.07(T壁-T)；

(2)在圓管或圓筒壁保溫層外，=9.4+0.052(T壁-T)。2.空氣強(qiáng)制對(duì)流時(shí)：=6.2+4.2u(u≤5m/s)；=7.8u0.78(u5m/s)由于輻射速率與兩物體的溫度的四次方之差成正比,因此在高溫條件下,即使是兩物體間的溫差較小,也會(huì)產(chǎn)生很大的輻射傳熱速率。另外如果T所代表的空氣溫度與周圍包圍物的壁溫不同,則需要分開計(jì)算,再總和。當(dāng)前第39頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

一、傳熱總過(guò)程的分析一般常用的間壁式換熱器的總傳熱過(guò)程都是“熱對(duì)流-熱傳導(dǎo)-熱對(duì)流”相結(jié)合的過(guò)程。如圖4-11所示為任意一間壁換熱過(guò)程,其換熱分為三步:第①步是熱量Q由熱流體在流動(dòng)過(guò)程以對(duì)流傳熱方式傳遞給固體壁面1；第②步是熱量Q在固體壁以熱傳導(dǎo)方式由壁1傳給壁2；第③步是熱量Q從壁2以對(duì)流傳熱方式傳給流動(dòng)中的冷流體,完成傳熱過(guò)程,達(dá)到換熱目的。顯然,一般的間壁換熱過(guò)程總是上述三步的總和（注意：上述分析是在溫度較低的情況下,忽略了熱輻射)。圖4-11間壁兩側(cè)流體總傳熱過(guò)程當(dāng)前第40頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

二、總傳熱速率方程的建立傳熱速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位為W，它表征換熱器傳熱的快慢。設(shè)S1

、S2

和Sm分別為壁1、壁2和固體壁平均面積；b為固體壁厚；λ為固體壁導(dǎo)熱系數(shù)；

1和

2分別為熱、冷流體對(duì)壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)。那么有：①熱流體<==>壁面1:熱對(duì)流Q1=1S1(T-t壁1)②壁面1<==>壁面2:熱傳導(dǎo)Q2=λSm(t壁1-t壁2)b-1

③壁面2<==>冷流體:熱對(duì)流Q3=2S2(t壁2-t)對(duì)于穩(wěn)定傳熱，Q1=Q2=Q3=Q，以上三式變形聯(lián)立得：

（4-23）令△t=T-t,

(K稱為總傳熱系數(shù),其倒數(shù)稱為總熱阻)即有：Q=KSm△t(4-25）

式（4-25）即為總傳熱速率方程通式。式中總傳熱系數(shù)K、壁面積Sm及總溫差△t應(yīng)區(qū)別不同情況具體求算,下面分別做具體討論。當(dāng)前第41頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

三、總傳熱系數(shù)K的求算

1.總傳熱系數(shù)K的計(jì)算1.1平壁傳熱面K值的計(jì)算：對(duì)于平壁傳熱面由于S1=S2=Sm=S,式(4-24)變?yōu)?，即有：

（4-26a）(1)多層平壁：只需將式(4-26)分母項(xiàng)中進(jìn)行疊加即可,即有：

(4-26b)(2)若固體壁面為金屬材料,由于固體金屬的熱導(dǎo)率大,即熱阻小，當(dāng)壁厚較薄時(shí)，分母中的b/λ項(xiàng)可略去不計(jì),則式(4-26)可寫為:

(4-26c)(3)由式(4-26c)可知,K值必小于且接近于

1和

2中較小的一個(gè),即接近于熱阻較大流體的值。也就是說(shuō)：當(dāng)兩個(gè)流體對(duì)流傳熱系數(shù)值相差很懸殊時(shí),則K值近似等于較小的值。

(4)綜上所述,對(duì)于平壁的傳熱速率通式(4-25)即為Q=KS△t。

當(dāng)前第42頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

例題4器壁一側(cè)為沸騰液體

1為5000W／(m2·℃),器壁另一側(cè)為熱流體

2為50W／(m2·℃),壁厚為4mm,λ為40W／(m2·℃)。求傳熱系數(shù)K值。為了提高K值,在其他條件不變的情況下,設(shè)法提高對(duì)流傳熱系數(shù),即①將

1提高一倍；②將

2提高一倍。解：依據(jù)式(4-26a)有：①其他條件不變將

1提高一倍，即

1＝2×5000＝104W/(m2·℃)，代入計(jì)算式得K＝49.5W/(m2·℃)。②其他條件不變將

2提高一倍，即

2＝2×50＝100W/(m2·℃),代入計(jì)算式得K＝97.1W/(m2·℃)。計(jì)算結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)兩個(gè)

值相差較大時(shí),提高

值大的流體的

值對(duì)傳熱系數(shù)K值的提高甚微；相反將

值小的流體的

值增大一倍時(shí)，K值幾乎也增加了一倍?？梢?jiàn)傳熱系數(shù)K總是接近于

值小的流體的

值，或者說(shuō)由最大熱阻所控制。因此，在傳熱過(guò)程中要提高K值,必須想法設(shè)法提高

值小的流體的

值（即降低阻力大的流體的阻力，該阻力稱為控制熱阻）,才會(huì)有顯著的效果。當(dāng)前第43頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

1.2圓筒壁傳熱面K值的計(jì)算當(dāng)傳熱面為園筒壁時(shí),因S1≠S2≠Sm≠S,這時(shí)總傳熱系數(shù)K則隨所取的傳熱面不同而異。設(shè)K式中S1為換熱管的S內(nèi),S2為換熱管的S外，Sm為換熱管的S均，則隨基準(zhǔn)面的不同有下列三種形式：

(1)當(dāng)以外表面為基準(zhǔn)面時(shí),即S=S外=,則K計(jì)算式(4-24)變?yōu)椋?此時(shí)式(4-25)為Q=KSm△t=K外S外△t

(4-27a)

(2)當(dāng)以內(nèi)表面為基準(zhǔn)面時(shí),即S=S內(nèi)=,則K計(jì)算式(4-24)變?yōu)椋?此時(shí)式(4-25)為Q=KSm△t=K內(nèi)S內(nèi)△t

(4-27b)

(3)當(dāng)以均表面為基準(zhǔn)面時(shí),即A=A均=,則K計(jì)算式(4-24)變?yōu)椋?此時(shí)式(4-25)為Q=KSm△t=K均S均△t(4-27c)(4-27)式中S均通常取圓筒壁內(nèi)外直徑的對(duì)數(shù)平均值所對(duì)應(yīng)面積。可見(jiàn)：對(duì)于圓筒壁換熱器,其傳熱系數(shù)必須注明是以哪個(gè)傳熱面為基準(zhǔn)。通常我國(guó)在換熱器系列化標(biāo)準(zhǔn)核算中,傳熱面積均是以換熱管外表面積S外為標(biāo)準(zhǔn)。由于計(jì)算圓筒壁公式復(fù)雜,故一般在管壁較薄時(shí),即d外／d內(nèi)<2時(shí),可按平壁計(jì)算式(4-26)近似計(jì)算。當(dāng)前第44頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

2.總傳熱系數(shù)K的測(cè)定和經(jīng)驗(yàn)估算傳熱系數(shù)K值除了上述計(jì)算法外,還可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)估算。

2.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè):根據(jù)傳熱速率方程通式Q=KS△t可知,只需從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得換熱器的傳熱面積S,溫度差△t及傳熱速率Q后，傳熱系數(shù)K就很容易計(jì)算出來(lái)。其中傳熱面積S可由設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸算出，△t可從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定兩股流體的進(jìn)出口溫度及它們的流動(dòng)方式而求得,傳熱速率Q可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得流體的流量,由流體在換熱器進(jìn)出口的狀態(tài)變化而求得。新制換熱器,為了檢驗(yàn)其傳熱性能,也需通過(guò)實(shí)驗(yàn),測(cè)定其K值。當(dāng)前第45頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

2.2采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算在進(jìn)行換熱器的傳熱計(jì)算時(shí),常需要先估計(jì)傳熱系數(shù)。表5-2列出了常見(jiàn)的列管式換熱器的傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的大致范圍。

由表可見(jiàn),傳熱系數(shù)K值的變化范圍很大,化工技術(shù)人員應(yīng)對(duì)不同類型流體間換熱時(shí)的K值有一數(shù)量級(jí)概念。

表5-2列管式換熱器中傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值

當(dāng)前第46頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

3.污垢熱阻對(duì)傳熱系數(shù)的影響

實(shí)際生產(chǎn)中的換熱設(shè)備，因長(zhǎng)期使用在固體壁面上常有污垢積存，對(duì)傳熱產(chǎn)生附加熱阻，使傳熱系數(shù)降低。因此在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，應(yīng)預(yù)先考慮污垢熱阻問(wèn)題。由于污垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難以測(cè)定，通常只能根據(jù)污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值作為參考來(lái)計(jì)算傳熱系數(shù)。某些常見(jiàn)流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查表5-8。當(dāng)前第47頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算若管壁內(nèi)、外側(cè)表面上的污垢熱阻分別為R內(nèi)和R外，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，K式（4-26）可變?yōu)?/p>

（4-28）

式（4-28）表明，間壁兩側(cè)流體間傳熱總熱阻等于兩側(cè)流體的對(duì)流傳熱熱阻、污垢熱阻及管壁熱阻之和。

一般垢層的導(dǎo)熱系數(shù)都比較小，即使是很薄的一層也會(huì)形成比較大的熱阻。在生產(chǎn)上應(yīng)盡量防止和減少污垢的形成：如提高流體的流速，使所帶懸浮物不致沉積下來(lái)；控制冷卻水的加熱程度，以防止有水垢析出；對(duì)有垢層形成的設(shè)備必須定期清洗除垢，以維持較高的傳熱系數(shù)。當(dāng)前第48頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

四、關(guān)于溫度差的求算如前所述及式（4-27）表明：在計(jì)算換熱器傳熱速率時(shí)，傳熱系數(shù)和傳熱面積必須建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。除此之外，因傳熱面各部位的傳熱溫度差也在隨時(shí)間而變化,所以在計(jì)算傳熱速率時(shí)也必須算出平均傳熱溫度差△t均來(lái)代替△t，此時(shí)即有Q＝KS△t均，而△t均的數(shù)值與流體流動(dòng)情況有關(guān),下面就各種情況分別作一討論。

1.恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差參與傳熱的冷、熱兩種流體在換熱器內(nèi)的任一位置、任一時(shí)間，都保持其各自的溫度不變，此傳熱過(guò)程稱為恒溫傳熱。例如用水蒸汽加熱沸騰的液體，器壁兩側(cè)的冷、熱流體因自身發(fā)生相變化而溫度都不變，恒溫傳熱時(shí)的平均溫度差與流體的流動(dòng)方向無(wú)關(guān)，其值如下：

△t均＝T－t（4-29）

2.變溫傳熱時(shí)的平均溫度差工業(yè)上最常見(jiàn)的是變溫傳熱，即參與傳熱的兩種流體（或其中之一）有溫度變化。在變溫傳熱時(shí)，換熱器各處的傳熱溫度差隨流體溫度的變化而不同，計(jì)算時(shí)必須取其平均值△t均。

當(dāng)前第49頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

2.1單側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差圖4-12所示為一側(cè)流體溫度有變化，另一側(cè)流體的溫度無(wú)變化的傳熱。圖4-12a熱流體恒溫，而冷流體溫度發(fā)生變化。圖4-12b冷流體恒溫，而熱流體的溫度發(fā)生變化。兩種情況下的傳熱溫度差都會(huì)變化的。此時(shí)其溫度差的平均值可取其進(jìn)出口溫度差的對(duì)數(shù)平均值，即按下式計(jì)算：（4-30）

在工程計(jì)算中，當(dāng)時(shí)，可近似地采用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值，其誤差是小于4%的，工程計(jì)算是允許的。圖4-12單側(cè)變溫時(shí)的溫差變化當(dāng)前第50頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

2.2雙側(cè)變溫時(shí)的平均溫度差

工廠中常用的冷卻器和預(yù)熱器等，在換熱過(guò)程中間壁的一側(cè)為熱流體，另一側(cè)為冷流體，熱流體沿間壁的一側(cè)流動(dòng)，溫度逐漸下降，而冷流體沿間壁的另一側(cè)流動(dòng)，溫度逐漸升高。這種情況下，換熱器各點(diǎn)的溫度是不同的，屬雙側(cè)變溫傳熱。在此種變溫傳熱中，參與熱交換的兩種流體的流向大致有四種類型，如圖4-13所示。兩者平行而同向的流動(dòng)，稱為并流；兩者平行而反向的流動(dòng)，稱為逆流；垂直交叉的流動(dòng)，稱為錯(cuò)流；一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流，稱為折流。變溫傳熱時(shí)，其平均溫度差的計(jì)算方法因流向的不同而異。當(dāng)前第51頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算圖4-13流體的流動(dòng)類型示意圖當(dāng)前第52頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第二節(jié)

傳熱計(jì)算

并流和逆流時(shí)的平均溫度差此兩種流向的平均溫差計(jì)算形式與式(4-30)完全一樣,即依然是對(duì)數(shù)平均法。通常取兩端溫度差大的作為,小的為,以方便計(jì)算。如遇＜2時(shí),仍可用算術(shù)平均值計(jì)算。不難看出,當(dāng)兩側(cè)流體都變溫時(shí),因流向的不同,其溫差也不相同,從而導(dǎo)致并流和逆流時(shí)的△t均是不相等的。計(jì)算表明在兩流體的進(jìn)、出口溫度分別相同的前提下,逆流比并流具有更大的平均溫度差。因而使逆流優(yōu)于并流如下兩點(diǎn)：

（1）相同條件(如同流體及同進(jìn)出口溫度)下,因逆流比并流有更大的△t均,因而交換相同的熱量采用逆流操作可更節(jié)省換熱器面積。（2）并流操作時(shí),熱流體出口處溫度T2總是大于冷流體的出口溫度t2,但逆流則不受此限制,因而交換相同的熱量,所需要加熱劑（熱流體）或者冷卻劑(冷流體)的用量逆流比并流就少(因?yàn)樵诖饲闆r下△t熱或者△t冷總有較大值)。正因?yàn)槟媪饔猩鲜鰞?yōu)點(diǎn),工程上多采用逆流操作。但是在某些工藝有特殊要求時(shí),如要求冷流體被加熱時(shí)不能超過(guò)某一溫度，或熱流體被冷卻時(shí)不能低于某一溫度，則宜采用并流操作易于控制。

當(dāng)前第53頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差對(duì)于錯(cuò)流或折流時(shí)平均溫度差的計(jì)算由于其脫離了單純的并流或逆流，因而較為復(fù)雜。目前人們總是采用鮑曼（Bowman）法，即先按逆流計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差，再乘以溫度差修正系數(shù)系，即：

（4-31）式（4-31）中的溫度差修正系數(shù)，是由兩個(gè)參數(shù)P和R值的大小，再依據(jù)各種換熱器的流動(dòng)情況來(lái)確定，現(xiàn)在還無(wú)法找尋出其函數(shù)關(guān)系式，目前只能采用相關(guān)數(shù)據(jù)圖查取。兩個(gè)參數(shù)由下式?jīng)Q定：

修正系數(shù)關(guān)系圖如圖4-14。由于的值總小于1，故折流和錯(cuò)流時(shí)的平均溫度差總小于逆流?？梢?jiàn)：工業(yè)上采用折流等其他復(fù)雜流動(dòng)的目的是為了提高傳熱系數(shù)，但其代價(jià)卻是使平均溫度差相應(yīng)減小。綜合利弊，一般在設(shè)計(jì)時(shí)最好應(yīng)使＞0.9，至少也不應(yīng)低于0.8，否則經(jīng)濟(jì)上是不合理的。當(dāng)前第54頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

當(dāng)前第55頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

圖4-14幾種流動(dòng)形式的△t均修正系數(shù)當(dāng)前第56頁(yè)\共有96頁(yè)\編于星期四\4點(diǎn)第五節(jié)傳熱總過(guò)程的計(jì)算

例題

在一單殼程、四管程的列管換熱器中,用水折流冷卻油。冷水在殼程流動(dòng),進(jìn)口溫度為l5℃,出口溫度為32℃。油的進(jìn)口溫度為l00℃,出口溫度為40℃。試求兩流體間的平均溫度差。

解此題為求簡(jiǎn)單折流時(shí)的平均溫度差,先按逆流計(jì)算,即熱流體10040，冷流體3215＝43℃；；

查圖4-14(a)得＝0.9，所以△t均＝△t逆＝0.9×43=38.7℃當(dāng)前第57頁(yè)\共有96頁(yè)\編