化工原理第四章 傳熱(不含傳熱單元數(shù))

第四章傳熱

傳熱：就是熱的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過程。4.1概述(Introduction)

1）絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都要求在一定溫度下進(jìn)行，為了使物料達(dá)到并保持指定的溫度，就要預(yù)先對物料進(jìn)行加熱或冷卻，并在過程中及時取出放出的熱量或補充需要吸收的熱量?；どa(chǎn)的傳熱問題

2）一些單元操作，如蒸發(fā)、蒸餾、干燥等，有一定的溫度要求，需要按一定的速率向設(shè)備輸入或輸出熱量。3）高溫或低溫管道與設(shè)備要求隔熱保溫，減少熱損失；4）對于廢熱也需合理的利用與回收。凡是有溫差的地方就有熱量傳遞，傳熱處處存在。1）強(qiáng)化傳熱：各種換熱設(shè)備中的傳熱。2）削弱傳熱：對設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失化工生產(chǎn)中傳熱過程的兩種情況熱源和冷源1、熱源1）電熱：溫度范圍廣，便于控制，使用方便，比較清潔。但費用比較高。2）飽和水蒸氣（100~180oC）：

優(yōu)點：冷凝溫度和壓強(qiáng)一一對應(yīng)，溫度易調(diào)節(jié)，對流傳熱系數(shù)大，冷凝傳熱速率快。缺點：飽和水蒸氣冷凝傳熱能達(dá)到的溫度受壓強(qiáng)的限制。180oC水蒸氣壓力為1.0MPa（壓力再高就不經(jīng)濟(jì)了）。3）熱水（40~100oC）：利用水蒸氣冷凝水或廢熱水的余熱。4）煙道氣（500~1000oC）：溫度高。

缺點：比熱容小，對流傳熱系數(shù)小，傳熱速度慢，溫度不易控制。5）高溫載熱體：高溫熔鹽HTS（7%NaNO3、40%NaNO2

、53%KNO3——142~530oC）—高溫化學(xué)工業(yè)中主要熱載體之一。

特點：溫度高，加熱均勻，比熱容小。沸點高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

6）：聯(lián)苯混合物(C12H10，有機(jī)原料，無色或淡黃色、片狀晶體,略帶甜嗅味。存在于煤焦油、原油和天然氣中)。液體—(15~255oC)，蒸氣—(255~380oC)。優(yōu)點：使用溫度范圍寬，用蒸氣加熱時溫度易調(diào)節(jié)，粘度比礦物油小。

7）礦物油<250oC。優(yōu)點：價廉易得。缺點：粘度大，對流傳熱系數(shù)小，高于250oC易分解，易燃。2、冷源（取走熱量的載熱體）1）、冷水（河水、井水——(15~20oC)

水廠給水、循環(huán)水——(15~35oC)優(yōu)點：來源廣，價格便宜，冷卻效果好，調(diào)節(jié)方便。缺點：水溫受季節(jié)和氣候影響，冷卻水出口溫度不宜高于50oC，以免結(jié)垢。2）、空氣<35oC優(yōu)點：缺乏水資源地區(qū)可用空氣。缺點：對流傳熱系數(shù)小，溫度受季節(jié)和氣候影響。3）、冷凍鹽水（氯化鈣溶液）——(-15~0oC)

特點：用于低溫冷卻，成本高。4）、液氨或氟利昂、液氮等。其它設(shè)備60%傳熱設(shè)備40%

在設(shè)計時進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計使其在滿足工藝要求的條件下投資費用最小；在操作中進(jìn)行強(qiáng)化傳熱操作過程，進(jìn)行最優(yōu)化操作，對節(jié)省傳熱設(shè)備投資，節(jié)省能源有著重要的意義。概述(Introduction)

傳熱的三種基本方式一、熱傳導(dǎo)：依靠物體中微觀粒子的熱運動，熱量從物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間由高溫傳遞到低溫的過程，如固體中的傳熱；特點：單純的熱傳導(dǎo)過程中，物體各部分之間不發(fā)生相對位移，即沒有物質(zhì)的宏觀位移。從微觀角度來看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的導(dǎo)熱機(jī)理各不相同：氣體：氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果。導(dǎo)電固體：自由電子在晶格（晶體的空間格子）間的運動；良好的導(dǎo)電體中有相當(dāng)多的自由電子在晶格之間運動，正如這些自由電子能導(dǎo)電一樣，它們也能將熱能從高溫處傳到低溫處。非導(dǎo)電固體：通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)的。液體：存在兩種不同的觀點，類似于氣體和非導(dǎo)電固體。二、對流：流體各部分質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，對流只能發(fā)生在流體中。通常把傳熱固體表面與接觸流體的傳熱也稱為對流給熱，簡稱給熱。自然對流：靜止流體內(nèi)部由于溫度不同、密度不同，造成流體內(nèi)部發(fā)生對流而傳熱。

強(qiáng)制對流：流體在外力（攪拌、泵）的強(qiáng)制作用下運動而發(fā)生的對流。三、輻射傳熱（一般了解）

熱輻射：物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程，高溫物體把熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式傳遞能量的現(xiàn)象。任何物體能以電磁波的形式把熱能輻射出來，也能把其他物體輻射的電磁波吸收并轉(zhuǎn)變成熱能。特點：熱輻射既是能量的轉(zhuǎn)移，又伴有能量的轉(zhuǎn)化。此外，輻射能可以在真空中傳播，不需任何物質(zhì)作媒介。

實際上，以上三種傳熱方式很少單獨存在，一般都是兩種或三種方式同時出現(xiàn)。

在一般換熱器內(nèi)，輻射傳熱量很小，往往可以忽略不計，只需考慮熱傳導(dǎo)和對流兩種傳熱方式。本章將重點討論后面兩種傳熱方式。一、溫度場和等溫面溫度場：某一時刻，物體（或空間）各點的溫度分布：

4.2熱傳導(dǎo)t─某點的溫度，℃；

─時間；x，y，z─某點的坐標(biāo)。不穩(wěn)定溫度場：各點的溫度隨時間而改變的溫度場。t1

t2t1>t2等溫面

Q

4.2熱傳導(dǎo)穩(wěn)定溫度場：任一點的溫度均不隨時間而改變的溫度場。等溫面：在同一時刻，溫度場中所有溫度相同的點組成的面。不同溫度的等溫面不相交。

t1

t2t1>t2等溫面

Q任意點不能同時有兩個溫度二、溫度梯度溫度梯度：兩等溫面的溫度差

t

與其間的垂直距離

n之比，在

n趨于零時的極限（表示溫度場內(nèi)某一點沿等溫面法線方向上的溫度變化率）。溫度梯度與熱流方向的關(guān)系nQdAtt-

tt+

t偏導(dǎo)數(shù)的意義：不同等溫面間的導(dǎo)熱，只考慮其沿法線方向的溫度差。溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，溫度增加方向為正。

dQ

─熱傳導(dǎo)速率（熱流量），W

或J/s；

dA

─導(dǎo)熱面積，m2；

t/

n─

溫度梯度，℃/m或K/m；

λ─導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率），表征材料導(dǎo)熱性能的物性參數(shù)，越大，導(dǎo)熱性能越好，W/(m·℃)

三、傅立葉定律（法國數(shù)學(xué)家）熱傳導(dǎo)速率（單位時間傳導(dǎo)的熱量）與溫度梯度及垂直于法向的導(dǎo)熱面積成正比。用熱通量表示：一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)：四、熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）定義由傅立葉定律給出：

物理意義：溫度梯度為1時，單位時間內(nèi)通過單位傳熱面積的熱通量；數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量，越大，導(dǎo)熱性能越好。導(dǎo)熱系數(shù)由試驗測得。從強(qiáng)化傳熱來看，選用

大的材料；相反要削弱傳熱，選用

小的材料。

與分子運動和分子間相互作用力有關(guān)，是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的表征；數(shù)值大小取決于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成、溫度（最重要）和壓力等因素。如，鋁常溫固態(tài)時λ為230

W/(m·℃)

，700℃熔融狀態(tài)下為92W/(m·℃)

。純金屬λ比合金的λ大。純金屬中，銀的λ值最大，常溫下可達(dá)427W/(m·℃)

，其次是銅、金、鋁等。

該性質(zhì)對非金屬也適用。如水從冰變?yōu)樗?，再變?yōu)檎魵猓洇酥狄来巫冃?。?）固體純金屬，，非金屬，，同樣溫度下，

越大，越大。

——固體在273K（0oC）時的導(dǎo)熱系數(shù)。——溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值，大多數(shù)非金屬材料為正值。在一定溫度范圍內(nèi)（溫度變化不太大），大多數(shù)均質(zhì)固體λ與t呈直線關(guān)系，可表示為：

（2）液體：金屬液體和非金屬液體金屬液體導(dǎo)熱系數(shù)較高，非金屬液體較低，非金屬中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，為0.6W/(m·℃)

。絕大多數(shù)液體，T增λ減

一般來說，λ純液體＞λ溶液（水和甘油除外）（3）氣體氣體不利于導(dǎo)熱，但可用來保溫或隔熱。氣體中，氫的λ值最大，在0oC、常壓下為0.163W/(m·℃)

。

固體絕熱材料的熱導(dǎo)率之所以小，因為其結(jié)構(gòu)呈纖維狀或多孔，其空隙率很大，孔隙中含有大量空氣的緣故。λ(金屬固體)>λ(非金屬固體)>λ(液體)>λ(氣體)λ的大概范圍：

金屬固體

101～102W/(m·K)

建筑材料

10-1～100W/(m·K)

絕緣材料

10-2～10-1W/(m·K)

液體

10-1W/(m·K)

氣體

10-2

～10-1W/(m·K))五、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

（一）單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

一高度和寬度均很大的平壁，厚度為b

，兩側(cè)表面溫度保持均勻恒定，分別為t1及t2，且t1>t2。假設(shè)：（1）平壁內(nèi)溫度只沿x方向變化，y和z方向上無溫度變化，是一維溫度場。

(2)各點溫度不隨時間而變，穩(wěn)定溫度場。單層平壁的穩(wěn)定熱傳一維穩(wěn)定溫度場：若對邊界條件積分：若

不隨t而變：上式中，溫度差為導(dǎo)熱推動力，R為導(dǎo)熱的熱阻。單層平壁的穩(wěn)定熱傳若積分式上限從改為積分得：若

不隨t變化，t～x直線關(guān)系；則t～x拋物線關(guān)系若

隨t變化(直線)關(guān)系為：在工程計算中，對于各處溫度不同的固體，其導(dǎo)熱系數(shù)可取固體兩側(cè)的溫度下導(dǎo)熱系數(shù)算術(shù)平均值，亦可根據(jù)物體溫度的平均值查得。例1-2：某平壁厚度b=0.37m，內(nèi)表面溫度t1=1650℃，外表面溫度t2=300℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.815+0.00076t，W/（m·℃）。若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量（取平均導(dǎo)熱系數(shù)）和變量計算，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)按常量計算平壁的平均溫度：

平壁材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱熱通量為：設(shè)壁厚x處的溫度為t，則：故：上式即為平壁的溫度分布關(guān)系式，表示平壁距離x和等溫表面的溫度呈直線關(guān)系。（2）導(dǎo)熱系數(shù)按變量計算：或：－qdx=（0.815+0.00076t）dt

積分：

得：（a）當(dāng)b=x時，t2=t，代入式（a），可得：λ=0.815+0.00076t整理上式得：解得：上式即為當(dāng)λ隨t

呈線性變化時單層平壁的溫度分布關(guān)系式，此時溫度分布為曲線。計算結(jié)果表明，將導(dǎo)熱系數(shù)按常量或變量計算時，所得的導(dǎo)熱通量相同，而溫度分布則不同，前者為直線，后者為曲線。

工程中計算熱通量時，可取平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)，將導(dǎo)熱系數(shù)按常量處理。（二）通過多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)推廣至n層：

假定：（1）一維穩(wěn)定的溫度場（2）各層接觸良好，接觸面兩側(cè)溫度相同通過各層的熱量必相等：應(yīng)用合比定律：在穩(wěn)定多層壁導(dǎo)熱過程中，哪層熱阻大，哪層溫差就大；反之，哪層溫差大，哪層熱阻一定大。當(dāng)總溫差一定時，傳熱速率的大小取決于總熱阻的大小。（三）各層的溫差從上面的式子可以推出：例2-1：某冷庫壁內(nèi)外層磚壁厚各12cm

，中間夾層厚10cm（絕熱材料）。已知磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.70W/(m·K)，絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.04W/(m·K)。墻外表面溫度為10℃

，內(nèi)表面溫度為-5℃。試計算進(jìn)入冷庫的熱流密度及絕熱材料與磚墻兩接觸面上的溫度。解：根據(jù)題意：例2-2：某平壁燃燒爐由一層耐火磚與一層普通磚砌成（厚度均為100mm），導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.9W/（m·℃）及0.7W/（m·℃）。待操作穩(wěn)定后，測得爐膛內(nèi)表面溫度700℃，外表面溫度130℃。為減少熱損失，在普通磚外加一層厚度為40mm、導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/（m·℃）的保溫材料。測得爐內(nèi)表面溫度740℃，外表面溫度90℃。設(shè)兩層磚的導(dǎo)熱系數(shù)不變，試計算加保溫層后爐壁的熱損失比原來減少百分之幾？解：加保溫層前單位面積爐壁的熱損失為：此時為雙層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為：加保溫層后單位面積爐壁的熱損失為：此時為三層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為：故加保溫層后熱損失比原來減少的百分?jǐn)?shù)為：六、通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

假設(shè)：(1)各點溫度不隨時間而變，穩(wěn)定溫度場；(2)各點溫度只沿徑向變化，一維溫度場。通過單層圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)trdrt1r1r2t1t2圓筒壁的熱傳導(dǎo)l有內(nèi)、外半徑分別為r1、r2的圓筒，內(nèi)、外表面分別維持恒定的溫度t1、t2，且管長l足夠大。取厚度為dr

同心薄層圓筒：trdrt1r1r2t1t2圓筒壁的熱傳導(dǎo)l圓筒的內(nèi)外半徑不等，導(dǎo)熱面積與半徑成正比，A=2πrl代入傅立葉公式：邊界條件為：trdrt1r1r2t1t2圓筒壁的熱傳導(dǎo)l2．對于的圓筒壁，以算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值導(dǎo)致的誤差<4%。1．上式可以變?yōu)椋簩?shù)平均半徑3．積分上限改為變量t

和r,圓筒壁內(nèi)的溫度分布為：

t～r成對數(shù)曲線變化(假設(shè)

不隨t變化)

4．通過平壁的熱傳導(dǎo)，各處的Q和q均相等；圓筒壁的熱傳導(dǎo)，各層圓筒的不同半徑r處Q相等，各處熱通量q卻不等。r1r2r3r4t1t2t3t4多層圓筒壁傳熱的總推動力也為總溫度差，總熱阻也為各層熱阻之和，但計算時與多層平壁不同的是各層熱阻對應(yīng)的傳熱面積不相等，應(yīng)采用每層的平均面積。

對于n層圓筒壁：以3層為例：(a)：每米管長的熱損失：解：對于n層圓筒壁：(b)：界面溫度t3解得：t1t3t4t2t1t3t4t2解：例4好的絕熱材料應(yīng)包在管的內(nèi)層!（2）石棉和軟木互換后損失的冷量（1）每米管長上損失的冷量同理：兩流體通過間壁的傳熱間壁式換熱：冷熱流體在固體間壁兩側(cè)，在不直接接觸的條件下通過固體間壁進(jìn)行熱量交換。套管式換熱器冷溶液進(jìn)冷溶液出熱溶液進(jìn)熱溶液出4.3對流給熱換熱器換熱過程：固體間壁的導(dǎo)熱；流體與壁面間的傳熱—對流給熱。流體在間壁兩側(cè)作湍流流動，近壁處分為:層流底層、過渡層、湍流主體。對流傳熱的分析對流傳熱的溫度分布

層流底層：流體質(zhì)點在流動方向作平行流動，傳熱方向上無質(zhì)點混合，溫度變化大，傳熱主要是熱傳導(dǎo)。層流底層膜雖薄卻是主要熱阻所在，層流底層越厚，熱阻大，溫差大。

湍流主體：在遠(yuǎn)離壁面的湍流中心，流體質(zhì)點充分混合，溫度趨于一致（熱阻?。瑐鳠嶂饕詫α鞣绞竭M(jìn)行。質(zhì)點相互混合交換熱量，溫差小。對流傳熱的分析對流傳熱的溫度分布

過渡區(qū)域：溫度分布不像湍流主體那么均勻，也不像層流底層變化明顯，傳熱以熱傳導(dǎo)和對流兩種方式共同進(jìn)行。

實質(zhì)上對流傳熱是流體的對流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。

※

根據(jù)熱傳導(dǎo)分析，溫差大熱阻就大。※

流體湍流流動時，熱阻主要集中在層流底層?！?/p>

要強(qiáng)化傳熱，必須減少層流底層的厚度?！?/p>

間壁導(dǎo)熱過程可用導(dǎo)熱速率方程描述，給出對流給熱速率方程是弄清楚間壁兩側(cè)流體傳熱的關(guān)鍵。※對流傳熱多指流體與固體壁面之間的傳熱，其傳熱速率與流體性質(zhì)及邊界層的狀況密切相關(guān)。

對流傳熱速率方程可用牛頓冷卻定律來描述：兩流體通過間壁的傳熱假設(shè)：

熱流體中全部傳熱阻力（湍流主體對流傳熱阻力、過渡區(qū)導(dǎo)熱和對流傳熱阻力、層流底層導(dǎo)熱阻力）全集中在一定厚度為δt

的膜（傳熱邊界層）中，膜外無熱阻存在，膜內(nèi)只有導(dǎo)熱沒有對流。對流傳熱的溫度分布

這樣，復(fù)雜的對流傳熱過程就轉(zhuǎn)化為一定厚度流體的導(dǎo)熱問題，就可以用導(dǎo)熱速率方程來描述流體中的對流給熱過程。對流傳熱的溫度分布膜模型：該膜集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜。在虛擬膜內(nèi)由傅立葉定律表示傳熱速率：冷流體被加熱：熱流體被冷卻：

兩流體通過間壁的傳熱當(dāng)量膜厚對流傳熱的溫度分布設(shè)：因有效膜厚度δ難以測定，所以用α代替。

冷流體被加熱：熱流體被冷卻：牛頓冷卻定律

1、

2

─給熱系數(shù)；Tw

、tw

─壁溫；T、t─流體溫度。α—

比例系數(shù)、膜系數(shù)、對流給熱系數(shù)；W/m2.℃。α的物理意義：流體與壁面間的平均溫度差為1℃，面積為1m2的熱通量。給熱系數(shù)越大，傳熱越劇烈。但以上方程無法直接應(yīng)用于換熱器。

在換熱器中，換熱面積有不同的表示方法（管內(nèi)側(cè)或管外側(cè)表面積），但給熱系數(shù)必須和傳熱面積及溫度差相對應(yīng)。如熱流體在管內(nèi)流動，冷流體在管外流動，則給熱速率方程式可分別表示為：

牛頓冷卻定律表達(dá)了復(fù)雜的對流傳熱問題，實質(zhì)是將矛盾集中在給熱系數(shù)α上，因此，研究給熱系數(shù)成為研究對流傳熱的核心。有相變傳熱無相變傳熱冷凝傳熱沸騰傳熱自然對流強(qiáng)制對流管外對流管內(nèi)對流圓形直管非圓管道彎管湍流過渡流層流對流傳熱

對流給熱系數(shù)數(shù)值上等于單位溫差、單位傳熱面積的對流傳熱速率。它反映了對流傳熱的快慢，不是流體的物理性質(zhì)，而是受諸多因素影響的一個系數(shù)。影響給熱系數(shù)的因素（1）引起流動的原因：自然對流和強(qiáng)制對流

自然對流：流體內(nèi)溫度不同，導(dǎo)致密度差異，熱流體上升，冷流體下降，由于流體溫度不同而使流體流動的傳熱過程，稱為自然對流給熱。

強(qiáng)制對流：由外力作用（輸送機(jī)械）使流體流動而傳熱，稱為強(qiáng)制對流給熱。

α強(qiáng)制對流>>α自然對流對流給熱系數(shù)及其影響因素（2）流體流動形態(tài)流體傳熱熱阻主要集中在層流底層中。對于層流，整個流體均處于層流狀態(tài)；而湍流流體中只有層流底層處于層流狀態(tài)；所以湍流情況下傳熱效果大于層流狀態(tài)，且湍動程度越大，層流底層越薄，對流給熱系數(shù)越大。α湍流>>α層流（3）流體的性質(zhì)影響對流給熱過程的性質(zhì)主要有：比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度等。

如粘度大，流動阻力大，湍動程度差，傳熱效果差；導(dǎo)熱系數(shù)大，層流底層中熱阻小。一般比熱大、導(dǎo)熱系數(shù)大、密度大、粘度小對傳熱有利。（4）傳熱面形狀、大小、位置及流通截面、是否發(fā)生相變等；流通截面及形狀（圓管、套管環(huán)隙、翅片管、單管、管束、板、彎管）管子排列方式（三角形、正方形）位置（水平、垂直）大小（短管、長管）相變（無相變、沸騰、冷凝）

自然對流的強(qiáng)弱與加熱面的位置密切相關(guān)。

水平加熱面的上部有利于產(chǎn)生較大的自然對流(如圖a)，故房間采暖用的加熱器應(yīng)盡量放在下部；

水平冷卻面的下部有利于產(chǎn)生較大的自然對流(如圖b)，故劇場的冷氣裝置應(yīng)放在劇場上部。熱平板圖a水平加熱面的對流情況冷平板圖b水平冷卻面的對流情況對流傳熱過程的量綱分析（1）獲得給熱系數(shù)的方法①分析法：對描寫某一類給熱問題的偏微分方程及其定解條件進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，獲得特定問題的溫度場，從而獲得給熱系數(shù)和傳熱速率的分析解。②數(shù)值法：將給熱偏微分方程離散化，用代數(shù)方法進(jìn)行求解而得到給熱系數(shù)和給熱速率的方法。③實驗法：通過實驗獲得不同情況下給熱計算式（常為關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗式）。為減少實驗工作量，提高實驗結(jié)果通用性，應(yīng)在量綱分析指導(dǎo)下進(jìn)行（將影響因素歸納成幾個無量綱特征數(shù)，減少變量數(shù)目，再用實驗確定這些特征數(shù)之間的具體關(guān)系）。（2）因次分析在對流給熱中的應(yīng)用由前面分析可知，影響對流給熱系數(shù)的因素有（無相變）：

①

流體物性：μ、ρ、λ、cp

②

流動狀態(tài)：u

③

傳熱面特征尺寸：l

④自然對流：gβΔT

（視為一個變量，相當(dāng)于單位質(zhì)量流體由于溫度不同引起的密度變化而產(chǎn)生的浮力—浮升力；β—體積膨脹系數(shù)。）

所以對流給熱系數(shù)是以上七個變量的函數(shù)：

令此關(guān)系涉及四個量綱：長度L、質(zhì)量M、時間T

、溫度Θ；所以關(guān)聯(lián)式中各變量的因次分別為：

（W?m-2?℃-1）（Pa?s）（kg?m-3）（W?m-1?℃-1）（m）（J?kg-1?℃-1）（m?s-1）（m?s-2）1w=1J/s；1J=1Nm把以上因次代入關(guān)聯(lián)式：

根據(jù)因次一致性（量綱和諧性）原則：

解得：

令：

努塞爾特數(shù)，

反映對流與純導(dǎo)熱時傳熱能力的比值；

雷諾數(shù)，慣性力與粘性力的比值，表征流動型態(tài)的影響；強(qiáng)制對流時影響顯著，自然對流時影響微??；普朗特數(shù)，反映流體物性的影響；液體Pr>1，氣體Pr<1接近1；格拉曉夫數(shù)，反映自然對流影響的特征數(shù)。根據(jù)以上定義可以得到最終的關(guān)聯(lián)式：

討論：

①根據(jù)不同的對流給熱過程，由實驗確定系數(shù)K及指數(shù)f、e、g值；如強(qiáng)制對流、自然對流、沸騰給熱、冷凝給熱等；②

強(qiáng)制對流時，Gr

一般可忽略，即Nu=f(Re，Pr)

自然對流時，

Re一般可忽略，即Nu=f(Pr，Gr)③由實驗條件所限，得到Nu=f（Re，Pr,Gr）關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意應(yīng)用范圍；

④由于流體在傳熱過程中存在傳熱邊界層，所以冷流體從t上升到tW，熱流體從T

降為TW

，故對冷、熱流體物性應(yīng)分別取(t+tW)/2、(T+TW)/2查取或計算；

確定物性參數(shù)的溫度稱為定性溫度，有時，定性溫度不一定取進(jìn)出口的平均溫度，如取膜溫（進(jìn)出口平均溫度與壁溫的平均值）；所以要注意關(guān)聯(lián)式對定性溫度的說明和要求；

⑤定性尺寸（特征尺寸）：是直接影響對流給熱過程的幾何尺寸；

一般選取對傳熱起決定作用的幾何因素作為特征尺寸，管內(nèi)流動取管內(nèi)徑作為特征尺寸；管外的流動取管外徑作為特征尺寸，等等。非圓管定性尺寸為當(dāng)量直徑；⑥

Nu=f（Re，Pr，Gr）適用于無相變的對流給熱。

總之，對流傳熱是流體主體的對流和層流底層中的熱傳導(dǎo)的復(fù)合現(xiàn)象。任何影響流體流動的因素（引起流動的原因、流動型態(tài)和有無相變化等）必然對對流傳熱系數(shù)有影響。下面分四種情況來討論對流給熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，即：①強(qiáng)制對流時的給熱系數(shù)；②自然對流時的對流給熱系數(shù)；③蒸汽冷凝時的對流給熱系數(shù)；④液體沸騰時對流給熱系數(shù)；流體在管內(nèi)做強(qiáng)制對流流體流動狀態(tài)分析層流（Re＜2300）：Re數(shù)對Nu數(shù)的影響比湍流時小得多，此時自然對流的影響不能忽略，Gr數(shù)不同，Nu數(shù)不同。過度流（Re=2300—10000）：隨Re的增大，自然對流影響逐漸減弱。湍流（Re＞10000）：此時自然對流影響很小，可以忽略。Nu數(shù)以不隨Gr數(shù)改變，而受Re的影響卻顯著增加。流體無相變時的對流傳熱系數(shù)—圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對流1、強(qiáng)制湍流:①低粘度（粘度<2倍常溫水的粘度）的流體和氣體其中C、m、n由實驗測定。流體無相變的給熱系數(shù)或Gr

對α的影響較小，一般可忽略，所以液體：Pr>1，Pr0.4>Pr0.3被加熱：t↑，μ↓，u↑,δb↓,α↑，n=0.4;如加熱時，鄰近管壁處溫度較高，粘度較小，層流底層較薄，α較大。

被冷卻：t↓，μ↑，u↓,δb↑,α↓，n=0.3;氣體：Pr<1，Pr0.4<Pr0.3

被加熱：t↑，μ↑，u↓,δb↑,α↓，n=0.3;被冷卻：t↓，μ↓，u↑,δb↓,α↑，n=0.4;

對于氣體，t↑，μ↑，Pr基本不變，對空氣或其他對稱雙原子氣體，Pr≈0.72，

Nu=0.02Re0.8上式的應(yīng)用范圍及條件：a、Re>104，流動是充分湍流；b、Pr=0.6~160，一般流體皆可滿足；c、μ<2μ水的液體及氣體；d、l/d>50，即進(jìn)口段占總長的很小一部分，管內(nèi)的流動是充分發(fā)展的。若l/d<50，則α‘=f1α，

f1=（l/d，Re）。e、Nu、Re中的特征尺寸l

取d內(nèi)。f、流體物性參數(shù)按定性溫度tm=(t1+t2)/2

取。②高粘度的液體：

若流體平均溫度與壁溫相差較大或高粘度流體（加熱和冷凝時的區(qū)別更大）

，應(yīng)對粘度進(jìn)行校正：μW——壁溫下流體粘度；其他物性均按流體進(jìn)、出口算術(shù)平均溫度取值。上式的應(yīng)用范圍及條件：a、Re>104；

b、Pr=0.6~160；c、特征尺寸l取d內(nèi)；

d、流體物性參數(shù)按定性溫度

tm=(t1+t2)/2取；

e

、不適用于液態(tài)金屬。

一般情況下，由于壁溫未知，應(yīng)用上式須試差。但在工程計算中，也可取以下近似值：液體被加熱：液體被冷卻：氣體：2、強(qiáng)制層流:管徑小，溫差不大，即：Gr<25000，自然對流傳熱忽略?！獔A形直管內(nèi)強(qiáng)制對流流體無相變的給熱系數(shù)此式適用范圍及條件：

Re<2300，Gr<25000，0.6<Pr<6700，

RePr(d/l

)>10（不適用于管長很長的情況）;

特征尺寸取d內(nèi);

定性溫度取tm=(t1+t2)/2。（4-19）當(dāng)Re=2000~10000的過渡狀態(tài)時，因湍動不充分，層流底層較厚，熱阻大，α比湍流時小，作為粗略估計，可用湍流α

值乘以校正系數(shù)f2當(dāng)Gr>25000時：自然對流對強(qiáng)制層流α的影響不能忽略，應(yīng)乘以校正系數(shù)：

注意：層流時α很小，從而K

（傳熱系數(shù)）也很小，因此換熱器設(shè)計中應(yīng)盡量避免層流條件下傳熱（給熱系數(shù)很小）。3、過渡流：（4-20）（4-21）4、彎曲管路:5、非圓管：當(dāng)量直徑de

流體在彎管內(nèi)流動時，由于離心力的作用，擾動加劇，使對流給熱系數(shù)加大。彎管中的給熱系數(shù)直管中的給熱系數(shù)管內(nèi)徑彎管軸的曲率半徑①用上述關(guān)聯(lián)式，但式中的

d要用de代替這種方法簡便，但計算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。（4-22）（4-23）②采用專用的關(guān)聯(lián)式如對套管環(huán)隙，用水和空氣等進(jìn)行實驗，得到關(guān)聯(lián)式為：適用條件：

Re=12000~220000，d2/d1=1.65~17，特征尺寸為de，定性溫度取tm=(t1+t2)/2，也可計算其他流體在環(huán)隙中作強(qiáng)制湍流時的α。（4-24）例5：常壓下，空氣以15m/s的流速在長為4m，φ60×3.5mm的鋼管中流動，溫度由150℃升到250℃，試求管壁對空氣的對流給熱系數(shù)。解：此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對流

定性溫度

t=(150+250)/2=200℃查200℃時空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄6）如下

Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3Pr=0.68（查得）

Re=22800（算得）特性尺寸

d=0.060－(2×0.0035)=0.053m（內(nèi)徑）

l/d=4/0.053=75.5>50（長管）

空氣被加熱，n=0.4Nu=0.023Re0.8Pr0.4=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4=60.4α=44.8W/m℃例6：一套管換熱器，套管為φ89×3.5mm鋼管，內(nèi)管為φ25×2.5mm鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中流過，進(jìn)口溫度為15℃，出口為35℃。冷卻水流速為0.4m/s，試求管壁對水的對流傳熱系數(shù)。此題為水在圓形直管內(nèi)流動定性溫度t=(15+35)/2=25℃查25℃時水的物性數(shù)據(jù)（見附錄p325）如下Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-5N·s/m2ρ=997kg/m3

(在2300～10000之間，過渡流區(qū))解：水被加熱，n=0.4校正系數(shù)

f=0.9524Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-5N·s/m2ρ=997kg/m3

(4-21)★過渡區(qū)：粗略估計可用湍流

α

值乘以校正系數(shù)f或例7：列管換熱器的列管內(nèi)徑為15mm，長度為2.0m。管內(nèi)有冷凍鹽水（25%CaCl2）流過，其流速為0.4m/s，溫度自-5℃升至15℃。假定管壁的平均溫度為20℃，試計算管壁與流體間的對流傳熱系數(shù)。解：定性溫度t=(-5+15)/2=5℃有關(guān)手冊查得5℃時25%CaCl2的物性為：壁溫20℃時，則：（層流）★而：在本題條件下，管徑較?。?5mm），管壁(20℃)和流體間溫度差也較小，粘度較大，因此自然對流的影響可以忽略。例8-1：某流體通過內(nèi)徑為100mm圓管時的給熱系數(shù)為120W/(m2·℃)，流體流動的雷諾數(shù)Re=1.2×105，此時對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為。今擬改用周長與圓管相同、高與寬之比為1：3的矩形扁管，而保持流速不變，試問對流給熱系數(shù)有何變化？解：由對流傳熱系數(shù)計算公式：當(dāng)物性不變時：

∵u不變，∴★求扁管的當(dāng)量直徑de：設(shè)a、b，分別為矩形截面的寬與長。由題意：

解之：設(shè)分別為圓管與扁管的對流傳熱系數(shù)，則：

∴

對流傳熱系數(shù)由原來的120W/(m2·℃)，增至現(xiàn)在的133.2W/(m2·℃)。

分析：由于矩形扁管的當(dāng)量直徑小于同周長圓的直徑，其對流傳熱系數(shù)大于后者。因此用非圓形管道制成的換熱器（如最近開發(fā)的螺旋扁管換熱器），一般都具有高效的特點。任何準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式都可以加以變換，使每個變量在方程式中單獨出現(xiàn)。如將式（4-17a）去括號可得：（n=0.4）

由上式可知：當(dāng)流體種類（即物性）和管徑一定時，α與成正比；在其它因素不變時，α與成反比。在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。例8-2：柴油在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流流動，給熱系數(shù)可用下式計算：。若流量和物性不變，將管內(nèi)徑減半后仍為滯流，求管內(nèi)對流傳熱系數(shù)如何變化。解：由知：故：流體無相變的給熱系數(shù)

—管外強(qiáng)制對流

流體在管束外橫掠流動

換熱器殼程都是橫掠管束流動，管束分直列和錯列。錯列傳熱快，但流動阻力較大，清洗不方便。垂直于管束平行于管束(1選)列管式換熱器工作原理.avi

d

x2

x1

d

x2x1

流體在管束外橫掠流動時的給熱系數(shù)流體繞光滑圓柱體表面的流動，如右圖。當(dāng)流體垂直流向圓柱體表面N點時，流速為0，壓強(qiáng)最大。在壓強(qiáng)差作用下，流體分道，在粘性作用下形成邊界層，流速逐漸增加，達(dá)到A點，速度最大，但到了C點，發(fā)生倒流，故C點為分離點。該點位置不固定，與物體形狀、表面粗糙度及流體運動狀態(tài)有關(guān)。橫掠單圓管流動邊界層流體橫向流過圓管的換熱如下圖，壁面邊界層的狀態(tài)，局部換熱系數(shù)αΦ

從管的正面0°開始，隨邊界層厚度的增加而下降。在90－100°時降到最小值，管后流體具有強(qiáng)烈旋渦，換熱系數(shù)重新增加。

橫掠圓管局部換熱系數(shù)的變化工業(yè)設(shè)備中，多為氣體橫向流過管束，氣體流速將受各排管子的連續(xù)干擾，因此對管束的換熱，必須考慮一些新因素，即管子的排列方式、間距、排數(shù)、直徑等。流體橫掠管束時的流動情況如圖。流體橫掠管束流動情況方法一：（4-25）流體在管束外橫掠流動時的給熱系數(shù)列數(shù)

直列錯列C1n

C2nC210.600.1710.60.171x1/d

=1.2~3時C1=1+0.1x1/dx1/d

>3時C1=1.320.650.1510.60.22830.650.1510.60.29040.650.1510.60.290對第一排管子，不論錯列或是直列，C2

和n都相同，從第二排起，錯列的

C2值較大，α

也較大；在第三排以后，直列和錯列的

α

值均不再變化。表4-5流體垂直于管束時的C1、C2和n的值參看圖4-10流體在管束外橫掠流動式中：A1、A2、A3…分別為第一排，第二排，第三排……的傳熱面積；

α1、α2、α3…分別為第一排，第二排，第三排……的傳熱系數(shù)。上式的適用范圍及約束條件：a、Re=5000~7000和x1/d=1.2~5.0，x2/d=1.2~5.0；b、特征尺寸取管外徑；c、定性溫度為流體的平均溫度：tm=(t1+t2)/2;d、特性流速取各排最窄通道處的流速。由于各排的α不同，可按下式求整個管束的平均給熱系數(shù)α：（4-26a）（4-26）應(yīng)用范圍：Re>3000；特征尺寸：管外徑do，流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。其中錯列管距最狹窄處的距離應(yīng)在（x1-do）和2(t-do)兩者中取小者。方法二：流體在錯列管束外流過時：流體在直列管束外流過時：注意：管束排數(shù)應(yīng)為10，若不是10時，上述公式的計算結(jié)果應(yīng)乘以下表的系數(shù)。排數(shù)12345678910121518253575錯列0.480.750.830.890.920.950.970.980.991.01.011.021.031.041.051.06直列0.640.800.830.900.920.940.960.980.991.0式(4-26)的修正系數(shù)【例9】

在預(yù)熱器內(nèi)將壓強(qiáng)101.3kPa的空氣從10℃加熱到50℃。預(yù)熱器由一束長1.5m，直徑為φ86×1.5mm的錯列直立鋼管組成?？諝庠诠芡獯怪绷鬟^，沿流動方向共有15行，每行有管子20列，行間與列間管子的中心距為110mm?？諝馔ㄟ^管間最狹處的流速為8m/s。管內(nèi)有飽和蒸氣冷凝。試求管壁對空氣的平均對流傳熱系數(shù)。解：空氣的定性溫度=(10+50)/2=30℃查得空氣在30℃時的物性如下：

μ=1.86×10-5Pa·s

ρ=1.165kg/m3

λ=2.67×10-2W/（m·℃）cp=1kJ/（kg·℃）所以：特征尺寸：管外徑do空氣流過10排錯列管束的平均對流傳熱系數(shù)為：空氣流過15排管束時，由上表查得系數(shù)為1.02，則：錯列管束外：適用條件：Ⅰ、定性溫度：除

w

取壁溫外，其余均取流體平均溫度，tm=(t1+t2)/2;對于裝有圓缺型擋板時

(割去直徑的25%所留下的部分)

的列管式換熱器，殼程給熱系數(shù)：平行于管束流動

a、查圖4-12；b、當(dāng)Re=2000~106時：(1選)列管式換熱器工作原理.avi適用條件：Ⅱ、特征尺寸：用當(dāng)量直徑de

（根據(jù)管束排列方式而定）;Ⅲ、管外的流速根據(jù)流體流過的最大截面積S計算。(4-28)式中：D—換熱器外殼內(nèi)徑，m；

h—折流板間距，m；

d0—管外徑；

t—相鄰管中心距。平行于管束流動正方形直列正三角形錯列

d0:管外徑；t:相鄰管中心距。流動方向上的當(dāng)量直徑由管排列方式?jīng)Q定：流體在列管換熱器管間無折流擋板的α

用管內(nèi)強(qiáng)制對流公式計算，但要將式中管內(nèi)徑改為管間當(dāng)量直徑。自然對流傳熱系數(shù)

大容積自然對流：傳熱面放置在大空間內(nèi)，四周沒有阻礙自然對流的物體，如換熱設(shè)備或管道的熱表面向周圍大氣的散熱、無攪拌時釜內(nèi)液體的加熱。

自然對流α

的大小和流體物性、傳熱面大小、形狀、位置及傳熱面與流體間的溫度差都有關(guān)系，情況復(fù)雜，僅限于討論大空間（指邊界層不受干擾）的自然對流。大容積自然對流的給熱系數(shù)僅與Gr

數(shù)和Pr數(shù)有關(guān),Nu=f(Gr,Pr)，在一定范圍內(nèi)可用冪函數(shù)表示：或：（4-27）a（4-27）加熱面形狀特征尺寸(Gr·Pr)范圍Cn水平圓管外徑d0

104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L

104~1090.591/4109~10120.101/3式（4-27）的C和n值適用范圍及條件：①大容積（大空間）的自然對流；②定性溫度取膜溫（壁溫tw

和流體平均溫度

tm

的算術(shù)平均值），t膜=(tw+tm)/2;③特征尺寸l：水平管取外徑，垂直管取管長，垂直板取板高；④Δt=tw

-t。例10：在一室溫為20oC的大房間中，安有直徑為0.1m，水平部分長度為10m，垂直部分高度為1.0m之蒸汽管道，若管道外壁平均溫度為120oC，試求該管道因自然對流的散熱量。解：大空間自然對流的給熱系數(shù)可由（4-27）計算:定性溫度：t=(120+20)/2=70oC，該溫度下空氣的有關(guān)物性有附錄6查得：

λ=0.0296W/（m·℃）μ=2.06×10-5Pa·s

ρ=1.029kg/m3Pr

=0.694(1)水平管道散熱量Q1：其中：l=d0=0.1m所以：由表查得：c=0.53，n=1/4所以：加熱面形狀特征尺寸(Gr·Pr)范圍Cn水平圓管外徑d0

104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L

104~1090.591/4109~10120.101/3(2)垂直管道散熱量Q2：由表查得：c=0.1，n=1/3所以：蒸汽管道總散熱量為：（1）力求使流體在換熱器中達(dá)到湍流流動；（2）圓形直管內(nèi)時，提高對流傳熱系數(shù)α的途徑u總費用經(jīng)常費投資費費用u最適宜

α與流速的0.8呈正比，與管徑的0.2次方呈反比，在流體阻力允許的情況下，增大流速比減小管徑對提高對流傳熱系數(shù)的效果更為顯著。提高對流傳熱系數(shù)α的途徑u總費用經(jīng)常費投資費費用u最適宜（3）列管換熱器管間加折流擋板(25%)時：

對流傳熱系數(shù)與流速的0.55次方成正比，而與當(dāng)量直徑的0.45次方成反比。設(shè)置折流板時u或de對α都有顯著作用。提高對流傳熱系數(shù)α的途徑（4）在管內(nèi)加麻花鐵或選用螺紋管均能使湍動程度提高，α↑，但能耗↑。蒸汽冷凝對流傳熱過程的熱阻

飽和蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時，蒸汽放出潛熱并冷凝成液體，此時的熱阻幾乎全部集中在冷凝液膜內(nèi)（該傳熱過程的一個主要特點）。設(shè)法減小液膜厚度就是強(qiáng)化冷凝對流傳熱的有效措施。有相變的傳熱過程

蒸汽冷凝傳熱：

蒸汽是工業(yè)上最常用的熱源。蒸汽在飽和溫度下冷凝時，放出汽化潛熱。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。如果加熱介質(zhì)是過熱蒸汽，且tw>ts

時，則壁面不會發(fā)生冷凝現(xiàn)象，蒸汽和壁面間進(jìn)行的是一般對流傳熱，此時熱阻集中于壁面附近的蒸汽層流底層（其導(dǎo)熱系數(shù)比冷凝液的小得多），故飽和蒸汽冷凝對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于過熱蒸汽。因此，工業(yè)上常用飽和蒸汽作為加熱介質(zhì)，其原因：一是飽和蒸汽有恒定的溫度，二是它有較大的對流傳熱系數(shù)。冷凝方式：膜狀冷凝：冷凝液能潤濕壁面，在壁面上形成一層完整的液膜向下流動。特點：液膜成為壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。冷凝液受重力沿壁流下，液膜越往下越厚，給熱系數(shù)越小，如果壁面足夠高，下部液膜中冷凝液會出現(xiàn)湍流流動，又使給熱系數(shù)增加。由于此種壁面始終覆蓋一層液膜，蒸汽冷凝放出的潛熱只能以導(dǎo)熱的形式通過液膜后才能傳給壁面。因此膜狀冷凝的熱阻較大。蒸汽在垂直壁面上冷凝圖滴狀冷凝：若蒸汽中混有油類物質(zhì)，或壁面被油脂沾污，冷凝液不能完全潤濕壁面，而是結(jié)成滴狀液珠從壁面落下，使壁面重新暴露在蒸汽中。特點：滴狀冷凝時沒有完整液膜，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的5~10倍甚至更高。但滴狀冷凝在工業(yè)上沒有現(xiàn)實意義，難以實現(xiàn)。在工業(yè)上遇到的冷凝過程大多數(shù)是膜狀冷凝。滴狀冷凝膜狀冷凝（蒸汽冷凝）時的給熱系數(shù)α給熱系數(shù)α的大小取決于冷凝液膜的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)。假設(shè)：

①

冷凝液物性為常數(shù)，可取平均液膜溫度下的數(shù)值。②

蒸汽冷凝時所傳遞的熱量僅僅是冷凝潛熱。③

蒸汽靜止不動（u=0

），對液膜無摩擦阻力。④

冷凝液膜成層流流動，冷凝潛熱以熱傳導(dǎo)方式通過液膜。特征尺寸H：管長或板高，冷凝潛熱r按飽和溫度取，其余物性按液膜平均溫度tm=(tw+ts)/2

取。②單根水平管外（理論）：①垂直管外或垂直板側(cè)（理論）：實驗結(jié)果

①蒸汽在水平單管外冷凝時，冷凝液受重力沿管周向下流動并脫離管壁。單管平均給熱系數(shù)：式中：α為水平單管的冷凝給熱系數(shù)；km為管束校正系數(shù)。如果管束的總管數(shù)為N，則管束校正系數(shù)為：蒸汽在水平管束外冷凝的平均給熱系數(shù)：m為垂直列數(shù)，與總管數(shù)N和管束放置方位有關(guān)。d0—管外徑實驗數(shù)據(jù)和理論公式基本相符(4-31)膜狀冷凝給熱系數(shù)

垂直列數(shù)管束按三角形排列時的兩種放置方位：垂直列數(shù)AB②蒸汽在垂直管或板側(cè)λ、

、

—分別為冷凝液的導(dǎo)熱系數(shù)，密度和粘度；

r—冷凝潛熱，kJ/kg；

t—蒸汽飽和溫度ts

與壁面tw

之差，℃。

H—取垂直管或板的高度。（4-32）實驗結(jié)果：理論值：使用范圍及條件：特征尺寸H

：管長或板高；冷凝液膜為層流，Re<1800；冷凝潛熱

r

按飽和溫度ts

??；其余物性按液膜平均溫度

tm=(tw+ts)/2

取。qm

—冷凝液質(zhì)量流量，kg/s；b—浸潤周邊長度，m；M—冷凝負(fù)荷，單位濕周冷凝液的質(zhì)量流量，M=qm/b；S—膜層流通截面積，m2；de—液膜當(dāng)量直徑，m。蒸汽在垂直管或板側(cè)的冷凝（4-33）判斷時Re怎么求？膜狀冷凝給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)形式

（常直接整理成Re的函數(shù)）（4-32）代入（4-34）冷凝準(zhǔn)數(shù)冷凝特征數(shù)α*——無因次冷凝給熱系數(shù)垂直層流則當(dāng)Re＜1800（層流）時：膜狀冷凝給熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)形式

（Re的函數(shù)）Re＞1800（冷凝液膜為湍流）時：計算步驟：假設(shè)為層流計算ReRe<1800，所求α有效Re>1800，對于單根水平管外在其它條件相同時：一般L>>do，α水平>α垂直。

結(jié)論：工業(yè)冷凝器通常都是臥式的。教材：例4-7實驗結(jié)果和理論推導(dǎo)公式所得結(jié)果基本相符水平管束外:（1）不凝性氣體在液膜外側(cè)形成一層氣膜，蒸汽必須以擴(kuò)散方式穿過氣膜到達(dá)液膜，熱阻增大，α下降。例如：水蒸汽中含有1%的空氣能使

α

下降60%。措施：設(shè)備應(yīng)設(shè)有排放口，定期排放不凝性氣體。（2）流體物性影響：①冷凝液、，則液膜厚度，。

②

冷凝潛熱r

，同樣熱負(fù)荷Q下冷凝液量小，則液膜厚度越小，

。冷凝傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施（3）蒸汽的選擇所有物質(zhì)的蒸汽中，水蒸汽冷凝傳熱系數(shù)最大，一般為104左右，故用水蒸氣為加熱劑，水為冷卻劑。（4）冷凝液的排放傳熱面上形成的液膜，應(yīng)及時排除，減小液膜厚度，降低傳熱阻力（疏水器）。（5）蒸汽的流速和流動方向蒸汽與液膜流向相同，加速液膜流動，液膜變薄，。當(dāng)蒸汽流速u>10m/s時，要考慮蒸汽流速的影響。>40~50m/s時，提高30%左右。流向相反時，有兩種情況：a、u較小，阻礙液膜流動，液膜變厚，

；冷凝傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施冷凝傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施

(5)b、u較大，液膜被蒸汽吹離壁面，大大增加。

設(shè)計時，冷凝器蒸汽入口在上部，蒸汽與液膜同向，。冷凝液排放口一般裝于換熱器底部。（6）冷凝面形狀及布置方式：改善傳熱面結(jié)構(gòu)，降低冷凝液膜厚度。如：在垂直管外表面開若干縱向凹槽，安裝若干金屬絲等，冷凝液由于表面張力作用進(jìn)入凹槽或金屬絲圈內(nèi)，從而降低了傳熱面上液膜厚度，達(dá)到強(qiáng)化傳熱目的（管外冷凝）。冷凝傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施管內(nèi)安裝內(nèi)插物，螺旋線圈、麻花鐵等分散冷凝液（管內(nèi)冷凝）。若水平布管：下部各排管的液膜增厚，α減小，減小垂直方向管排數(shù)目，將管束由直列改為錯列。例11：試計算壓力為147.1kN/m2，流量為1500kg/h的飽和水蒸汽冷凝后并降溫至50℃時所放出的熱量。解：此題分成兩步計算：一是飽和水蒸汽冷凝成水，放出潛熱；二是水溫降至50℃時所放出的顯熱。蒸汽冷凝成水所放出的熱量為Q1

查水蒸汽表得：p=147.1KN/m2下水的飽和溫度

ts

=110.7℃；汽化潛熱r=2230.1kJ/kg

Q1=qm1r=1500/3600×2230.1=929kJ/s=929kW水由110.7℃降溫至50℃時放出的熱量Q2

平均溫度：t=(110.7+50)/2=80.4℃80.4℃時水的比熱：cp=4.195kJ/kg·℃

Q2=qm1cp1(ts-t1)=1500/3600×4.195×(110.7-50)=106kJ/s=106kW

共放出熱量Q=Q1+Q2=929+106=1035kW例12：飽和溫度為100℃的水蒸氣，在外徑為0.04m、長度2m

的單根直立圓管外表面上冷凝。管外壁溫度94℃。試求每小時的蒸汽冷凝量。又若管子水平放置，蒸汽冷凝量為多少？解：由附錄8

查：100oC下飽和水蒸氣的汽化熱為2258KJ/kg。定性溫度：該溫度下水的物性為：(1)單根圓管垂直放置時：先假定冷凝液膜呈滯流μ=0.282×10-3

Pa·s

ρ=958kg/m3

λ=0.682W/（m·℃）由對流傳熱速率方程計算傳熱速率，即：核算流型：故蒸汽冷凝量：滯流所以：核算流型：(2)管子水平放置時：故：滯流液體沸騰傳熱（了解概念）液體沸騰

大容積沸騰(池內(nèi)沸騰)

管內(nèi)沸騰（強(qiáng)制對流沸騰）對液體加熱時，液體內(nèi)部伴有液相變?yōu)闅庀喈a(chǎn)生汽泡的過程稱為沸騰。按設(shè)備的尺寸和形狀可分為：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：加熱面浸在有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰，液體運動由自然對流和汽泡擾動引起。管內(nèi)沸騰：沸騰產(chǎn)生的汽泡不能自由上浮，而是被迫與液體一起流動，形成汽-液兩相流動，沿途吸熱，直至全部汽化。管內(nèi)沸騰的傳熱機(jī)理比大容器沸騰復(fù)雜得多。根據(jù)沸騰溫度分為：過冷沸騰：液體主體溫度低于相應(yīng)壓力下的飽和溫度。飽和沸騰：液體主體溫度達(dá)到或高于飽和溫度。沸騰現(xiàn)象：實驗測定表明：過熱度:飽和溫度沸騰液體的平均溫度如圖4-21過熱度的大小取決于液體的物性和汽化速率。以水的沸騰為對象：

汽泡是在加熱面上凹凸不平的點上形成，這種點稱為汽化核心（無汽化核心則汽泡不會產(chǎn)生）。汽化核心與傳熱面粗糙度、氧化情況、材料性質(zhì)及其不均勻性質(zhì)等多因素有關(guān)。由于汽泡生成和脫離，對近壁處的液體層產(chǎn)生強(qiáng)烈攪動，降低了熱阻，從而使液體沸騰時的α比無相變時的α大得多。

α沸騰>>α無相變大容積沸騰傳熱過程的機(jī)理沸騰機(jī)理：汽泡生成、長大、脫離并上升至液體表面。汽泡生成條件：液體過熱；加熱壁面上存在汽化核心。汽化核心：加熱面上若干粗糙不平處，由于表面張力較小或微量氣體、蒸汽附著等原因，使新相容易生成，為氣泡形成提供條件。理論上，液體沸騰時沸點溫度應(yīng)等于液體所處壓力下的飽和溫度，即：t沸=ts沸騰曲線：過熱度

t=tw-

ts

增加，出現(xiàn)沸騰傳熱，給熱系數(shù)

α與

t的變化關(guān)系。

—以常壓水在大容積沸騰為例。大容積飽和沸騰曲線

t較?。?/p>

t=tw－ts，

t≤5℃時），加熱面上液體輕微受熱，只有少量汽泡，長大速度慢，汽泡尚未升浮到自由液面就放熱再冷凝而消失，

較低，液體運動主要以自然對流為主，沸騰本質(zhì)上屬于過冷沸騰。嚴(yán)格說還不是沸騰。①自然對流沸騰區(qū)（AB段）：

t增大（

t=5℃~25℃），汽化核心數(shù)增大，汽泡迅速長大，氣泡的產(chǎn)生、脫離和上升對液體擾動增強(qiáng)，

急劇增大，在C點

α超過104W/(m2·℃)，q高達(dá)106W/m2。此時為：核狀沸騰。②核狀沸騰區(qū)（BC段）：③過渡沸騰區(qū)（CD段）：

t增大（

t>25℃），汽泡數(shù)目和體積大大增加，氣泡來不及上升而相連形成氣膜，將液體隔開，使

，屬于核狀沸騰和膜狀沸騰共存的過渡區(qū)，因汽膜很不穩(wěn)定，故稱不穩(wěn)定膜狀沸騰。

t>250

C時，汽泡迅速形成并結(jié)成汽膜覆蓋在加熱壁面上(氣膜穩(wěn)定)，產(chǎn)生穩(wěn)定膜狀沸騰。

t

再增大，加熱面溫度tW

高，熱輻射影響增大，對流傳熱系數(shù)增大，此時為穩(wěn)定膜狀沸騰。

④膜狀沸騰：（DE段）：臨界點—從核狀沸騰到膜狀沸騰的轉(zhuǎn)折點C稱為臨界點（此后傳熱惡化，不僅α急劇下降，還會因管壁溫度過高造成嚴(yán)重事故）。對于常壓水在大容器內(nèi)沸騰時臨界點為

tc=25

C。C點的

tc

、

c

分別稱為臨界溫度差和臨界沸騰傳熱系數(shù)。工業(yè)生產(chǎn)中一般維持沸騰裝置在核狀沸騰區(qū)工作。工業(yè)上優(yōu)點：此階段

大，tW

小。

沸騰傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施（1）流體物性

或

，

；

或

，。液體的表面張力小，容易脫離傳熱面，在沸騰液體中加少量添加劑（如丙酮、乙醇、甲基乙基酮等）改變液體表面張力，可提高給熱系數(shù)20~100%。（2）溫差

t

應(yīng)盡量控制在核狀沸騰階段進(jìn)行操作。（3）操作壓力

提高P，液體飽和溫度

ts

提高，使

，有利于氣泡形成和脫離壁面，同溫差下

增大。沸騰傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施有相變時的

比無相變時的

大得多，熱阻主要集中在無相變一側(cè)流體，此時有相變一側(cè)流體的

只需近似計算。（4）加熱面狀況

加熱面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于傳熱。當(dāng)粗糙度達(dá)到一定程度后，對沸騰傳熱強(qiáng)化不再有影響，銅表面用機(jī)械方法或腐蝕的方法使之粗糙，給熱系數(shù)提高80%。沸騰對流傳熱系數(shù)的計算1、大容積飽和核狀沸騰：影響傳熱速率的因素甚為復(fù)雜，一般用因次分析法得出準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式，并用實驗數(shù)據(jù)回歸。Cp—

飽和液體的定壓比熱，kJ/(kg·K)；

r—

汽化潛熱，kJ/kg；Pr

—

飽和液體的普蘭特準(zhǔn)數(shù)；q—

熱流密度，q=α

t；

t=tw-ts；

—

飽和液體的粘度，N·s/m2；

1、

v—

分別為飽和液體和蒸汽的密度，kg/m3；

—

液體-蒸汽界面的表面張力，N/m；s—

系數(shù)，對水s=1.0，對其他液體s=1.7。g—

重力加速度，m/s2。Cwe

—

取決于加熱表面—液體組合情況的經(jīng)驗常數(shù)大容積飽和核狀沸騰大容積飽和核狀沸騰表面-液體組合Cwl表面-液體組合Cwl水-銅0.013乙醇-鉻0.027水-鉑0.013水-金剛砂磨光的銅0.0128水-黃銅0.006正戊烷-金剛砂磨光的銅0.0154正丁醇-銅0.00305四氯化碳-金剛砂磨光的銅0.0070異丙醇-銅0.00225水-磨光的不銹鋼0.0080正戊烷-鉻鉻0.015水-化學(xué)腐蝕的不銹鋼0.0133苯-鉻0.010水-機(jī)械磨光的不銹鋼0.0132Cwe

—

取決于加熱表面—液體組合情況的經(jīng)驗常數(shù)常見流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大致范圍

的量級空氣中水中總之：油類中T2T1t1t2Ttdl套管換熱器示意用于加熱或冷卻物料的流體稱為載熱體，其中起加熱作用的叫加熱劑，起冷卻作用的叫冷卻劑。規(guī)定：

冷流體溫度用t表示，熱流體溫度用T