第七章 傳熱-制藥工程原理與設(shè)備

第七章傳熱

第一節(jié)

概述第二節(jié)

熱傳導(dǎo)第三節(jié)

對(duì)流傳熱第四節(jié)

傳熱計(jì)算第五節(jié)

換熱器傳熱：物體內(nèi)部或物體之間由于溫差存在而發(fā)生的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程稱為熱量傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過(guò)程。有溫度差的存在就有熱的傳遞，溫差是實(shí)現(xiàn)傳熱的推動(dòng)力。傳熱方向是從高溫指向低溫。概述2）一些單元操作過(guò)程，例如蒸發(fā)、蒸餾、干燥等，需要按一定的速率向設(shè)備輸入或輸出熱量。3）在高溫或低溫下操作的設(shè)備，要求保溫，以減少它們和外界傳熱。4）對(duì)于廢熱也需合理的利用與回收。

1）加熱或冷卻物料，并在過(guò)程中及時(shí)取出放出的熱量或補(bǔ)充需要吸收的熱量。1、傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用2、化工生產(chǎn)中對(duì)傳熱的要求1）強(qiáng)化傳熱：各種換熱設(shè)備中的傳熱。（熱源和冷源）

2）削弱傳熱：如對(duì)設(shè)備和管道的保溫，以減少熱損失。一、傳熱的基本方式

1、熱傳導(dǎo)

熱量從物體內(nèi)部溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分或者傳遞到與之相接觸的溫度較低的另一物體的過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。

特點(diǎn)：物質(zhì)間沒(méi)有宏觀位移，傳熱僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行。微觀機(jī)理因物態(tài)而異：

導(dǎo)體-自由電子的運(yùn)動(dòng)；非導(dǎo)體-晶格的振動(dòng)2、熱對(duì)流流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞，稱為熱對(duì)流對(duì)流只能發(fā)生在流體中。強(qiáng)制對(duì)流

自然對(duì)流

用機(jī)械能（泵、風(fēng)機(jī)、攪拌等）使流體發(fā)生對(duì)流而傳熱。由于流體各部分溫度的不均勻分布，形成密度的差異，在浮升力的作用下，流體發(fā)生對(duì)流而傳熱。

3、熱輻射

物體由于熱的原因而發(fā)出輻射能的過(guò)程，稱為熱輻射。

輻射是一種通過(guò)電磁波傳遞能量的過(guò)程。

輻射傳熱，不僅是能量的傳遞，還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)化。

一切在0K以上的物體都會(huì)不停的發(fā)射輻射能；輻射傳熱不需要任何介質(zhì)作媒介，可以在真空中傳播。

通常傳熱過(guò)程中，三種傳熱方式聯(lián)合作用的結(jié)果。分類

二、傳熱過(guò)程

1、兩種流體熱交換的基本方式

直接接觸式換熱2、間壁式換熱器的基本結(jié)構(gòu)

套管式換熱器內(nèi)管外管①熱流體將熱量傳到壁面一側(cè)②熱量通過(guò)固體壁面的熱傳導(dǎo)③壁面另一側(cè)將熱量傳給冷流體對(duì)流傳熱---熱傳導(dǎo)---對(duì)流傳熱套管換熱器外傳熱面積：內(nèi)傳熱面積：平均傳熱面積：《化工原理》課件——第4章傳熱單程列管式換熱器流體流經(jīng)管束稱為管程，該流體稱為管程流體流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為殼程，該流體稱為殼程流體雙程列管式換熱器管程流體在管束內(nèi)來(lái)回流過(guò)幾次，就稱為與次數(shù)相同程數(shù)的換熱器傳熱速率(熱流量)Q:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面的熱量,W三、換熱器的主要性能指標(biāo)傳熱速度(熱通量)ｑ:單位傳熱面積的傳熱速率,W/m2四穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中不積累能量的傳熱過(guò)程特點(diǎn)：溫度分布不隨時(shí)間而變，傳熱速率常量非穩(wěn)態(tài)傳熱：傳熱系統(tǒng)中，溫度分布隨時(shí)間而變，傳熱過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)傳熱，傳熱速率不為常量載熱體及其選擇加熱劑（加熱介質(zhì)）：起加熱作用的載熱體冷卻劑（冷卻介質(zhì)）：起冷卻作用的載熱體載熱體：物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體工業(yè)中常用的加熱劑和冷卻劑一、基本概念和傅立葉定律二、導(dǎo)熱系數(shù)三、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)第二節(jié)熱傳導(dǎo)一、基本概念和傅立葉定律

1、溫度場(chǎng)和等溫面

溫度場(chǎng)物體或系統(tǒng)內(nèi)部的各點(diǎn)溫度分布的總和。溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

穩(wěn)定溫度場(chǎng)

不穩(wěn)定溫度場(chǎng)

溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變

溫度場(chǎng)中各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而改變

等溫面：

溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)組成的面。

2、溫度梯度

溫度梯度

：等溫面法線方向上的溫度變化率，用gradt表示。

溫度梯度是向量，正方向指向溫度增加的方向。對(duì)于一維穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，溫度梯度可表示為：t+Δttt-Δtλ——比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)。W/m·k負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反；——傅立葉定律

3、傅立葉定律

二、導(dǎo)熱系數(shù)

1、導(dǎo)熱系數(shù)的定義

在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量

，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。

一般，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大，非金屬的固體次之，液體的較小，氣體的最小。

金屬1-400W/(m2·K)建筑材料0.1-1W/(m2·K)絕熱材料0.01-0.1W/(m2·K)液體0.1-0.6W/(m2·K)氣體0.005-0.05W/(m2·K)2、固體的導(dǎo)熱系數(shù)純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大都隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料或絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而增大，也隨溫度升高而增大。3、液體的導(dǎo)熱系數(shù)

在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外,絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小。純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比溶液的導(dǎo)熱系數(shù)大。4、氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而加大

。在相當(dāng)大的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強(qiáng)變化極小。在溫度變化不大時(shí)，大多數(shù)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度呈線性關(guān)系：對(duì)于金屬材料和液體：＜0非金屬材料和氣體：＞0二、平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

1、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

設(shè)(1)材質(zhì)均勻——λ為常數(shù)

(2)一維定態(tài)導(dǎo)熱——溫度沿x方向變化

(3)Q與S均為常量

(4)t1>t2邊界條件為：x=0時(shí)，t=t1

x=b時(shí)，t=t2

R——導(dǎo)熱熱阻，K/W

；

r——單位面積的導(dǎo)熱熱阻。傳導(dǎo)距離b越大，傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小，傳導(dǎo)熱阻越大。例題：某平壁厚度為０.３７m，平壁內(nèi)表面溫度為1６５0℃，外表面溫度為300℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系為若將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量和變量計(jì)算，試求導(dǎo)熱熱通量和平壁內(nèi)的溫度分布設(shè)壁厚x處的溫度為t溫度和距離呈直線關(guān)系（１）導(dǎo)熱系數(shù)按常量計(jì)算設(shè)壁厚x處的溫度為t溫度分布為曲線（２）導(dǎo)熱系數(shù)按變量計(jì)算?將導(dǎo)熱系數(shù)按常量或變量計(jì)算時(shí)，所得的導(dǎo)熱通量是相同的，而溫度分布不同．工程中計(jì)算熱通量時(shí)，可取平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)，即將導(dǎo)熱系數(shù)按常量處理二、多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)第一層第二層第三層t1t2t3t4b1b2b3假設(shè)層與層間接觸良好，相接觸的兩表面溫度相同n層平壁結(jié)論：①串聯(lián)熱阻疊加原則：串聯(lián)傳熱過(guò)程中的推動(dòng)力為各分過(guò)程的推動(dòng)力之和，總熱阻為各分過(guò)程的熱阻之和。②熱傳導(dǎo)中溫度差與熱阻成正比例1：燃燒爐最內(nèi)層耐火磚b1=150mm,中間層絕熱磚b2=290mm,最外層普通磚b3=228mm。已知t1=1016oC,t4=34oC，求t2和t3。設(shè)各層接觸良好。

1=1.05W/(moC),2=0.15W/(moC),3=0.81W/(moC)解:《化工原理》課件——第4章傳熱材料

，W/moCR

，m2

oC/W

t，oC耐火磚1.050.142959.5絕熱磚0.151.933805.1普通磚0.810.2815117.4《化工原理》課件——第4章傳熱四、圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)1、單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)仿照平壁熱傳導(dǎo)公式，通過(guò)該圓筒壁的導(dǎo)熱速率可以表示為：

分離變量積分：

——圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻

——圓筒壁的內(nèi)外表面的對(duì)數(shù)平均面積，m2

當(dāng)r2/r1≤2時(shí)可用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值

2、多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)

與多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計(jì)算類似，可導(dǎo)出：N層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計(jì)算類似，可導(dǎo)出：S1≠S2，Q相同，q不相同多層平壁和多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的比較平面壁S1=S2，

Q相同，q相同圓筒壁【例4-2】一套管換熱器的內(nèi)管為φ25×2.5mm的鋼管，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/(m·K)，該換熱器在使用一段時(shí)間以后，在換熱管的內(nèi)外表面上分別生成了1mm厚的污垢，垢層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.0W/(m·K)和0.5W/(m·K)，已知兩垢層與流體接觸一側(cè)的溫度分別為160℃和120℃，試求此換熱器單位管長(zhǎng)的傳熱量。解：換熱器的熱流密度

W/m代入數(shù)據(jù)得例2φ38mm×2.5mm的水蒸汽管[鋼的λ=50W/(m·K)]包有隔熱層.第一層是40mm厚的礦渣棉[λ=0.07W/(m·K)],第二層是20mm厚的石棉泥

[λ=0.15W/(m·K)].若管內(nèi)壁溫度為140℃,石棉泥外壁溫度為30℃.試求每米管長(zhǎng)的熱損失速率.若以同量的石棉作內(nèi)層,礦渣棉作外層時(shí),情況如何?試作比較.解：根據(jù)題意得

若以同量石棉作內(nèi)層,礦渣棉作外層,則從而求得計(jì)算表明選用隔熱材料包裹管路時(shí)，在耐熱性等條件允許下，導(dǎo)熱系數(shù)小的應(yīng)包在內(nèi)層。金屬管的熱阻實(shí)際上是可忽略的。例在一

60×3.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.07W/m·℃，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.15W/m·℃。現(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為500℃，最外層表面溫度為80℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·℃。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。解：每米管長(zhǎng)的熱損失此處，r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09mt3r1r3t1r4t4t2r2保溫層界面溫度t3解得t3=131.2℃

一、對(duì)流傳熱分析二、對(duì)流傳熱速率方程三、對(duì)流傳熱系數(shù)第三節(jié)對(duì)流傳熱由于對(duì)流傳熱的多樣性，有必要將問(wèn)題分類加以研究。一、對(duì)流傳熱的分析

層流底層過(guò)渡層湍流主體層流層

沿軸向流動(dòng)，無(wú)徑向混合，依靠導(dǎo)熱，主要溫差及熱阻集中在層流層。

緩沖層

導(dǎo)熱、對(duì)流同時(shí)存在，溫度緩慢變化。

湍流區(qū)

質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng)，混合均勻，無(wú)溫差，無(wú)熱阻。

對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層。減薄滯流內(nèi)層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的主要途徑。

二、對(duì)流傳熱速率方程

1、對(duì)流傳熱速率表達(dá)式

據(jù)傳遞過(guò)程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對(duì)流傳熱速率：對(duì)流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上半經(jīng)驗(yàn)方法處理。對(duì)流傳熱速率方程可以表示為：

熱流體在管內(nèi)流動(dòng)，冷流體在管外流動(dòng)2、對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)a定義式：

表示單位溫度差下，單位傳熱面積的對(duì)流傳熱速率。單位W/m2.k。反映對(duì)流傳熱的快慢，不是物性，是參數(shù)反映了對(duì)流傳熱的快慢，對(duì)流傳熱系數(shù)大，則傳熱快。

影響因素α強(qiáng)制

>α自然；α相變

>

α無(wú)相變；α液

>α氣1、流體的種類和相變化的情況

2、流體的物性

對(duì)流傳熱系數(shù)影響因素體積膨脹系數(shù)β值愈大，密度差愈大，有利于自然對(duì)流。對(duì)強(qiáng)制對(duì)流也有一定的影響。3、流體的溫度4、流體流動(dòng)狀態(tài)

湍流的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)比滯流時(shí)的大。5、對(duì)流情況

強(qiáng)制對(duì)流：自然對(duì)流：由于外力的作用

由于流體內(nèi)部存在溫度差，使得各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點(diǎn)的位移。6、傳熱面的性狀、大小和位置

無(wú)相變時(shí)，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素可用下式表示：

八個(gè)物理量涉及四個(gè)基本因次：質(zhì)量M，長(zhǎng)度L，時(shí)間T，溫度θ，借助于數(shù)學(xué)物理中的量綱分析法，將眾多的影響因素整合成Nu、Re、Pr和Gr四個(gè)無(wú)因次數(shù)群，他們之間的關(guān)系為：四、對(duì)流傳熱中的一般準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)準(zhǔn)數(shù)式意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)（Nusselt）Nu對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)雷諾準(zhǔn)數(shù)（Reynolds）Re確定流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)數(shù)普蘭特準(zhǔn)數(shù)（Prandtl）Pr表示物性影響的準(zhǔn)數(shù)格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)（Grashof）Gr表示自然對(duì)流影響的準(zhǔn)數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)

準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是一種經(jīng)驗(yàn)公式，在利用關(guān)聯(lián)式求對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，不能超出實(shí)驗(yàn)條件范圍。在應(yīng)用關(guān)聯(lián)式時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、應(yīng)用范圍2、特性尺寸

無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸。通常是選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱有決定影響的尺寸作為特征尺寸，傳熱當(dāng)量直徑de’的計(jì)算。3、定性溫度

流體在對(duì)流傳熱過(guò)程中溫度是變化的。確定準(zhǔn)數(shù)中流體物理特性參數(shù)的溫度稱為定性溫度。一般定性溫度有三種取法：進(jìn)、出口流體的平均溫度，壁面平均溫度，流體和壁面的平均溫度（膜溫）。4、準(zhǔn)數(shù)是一個(gè)無(wú)因次數(shù)群，其中涉及到的物理量必須用統(tǒng)一的單位制度。1、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)1）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流

a)低粘度流體（大約低于2倍常溫水的粘度，μ＜2×10-3Pa.s）當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)，n=0.3。流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)管長(zhǎng)與管徑比

將計(jì)算所得的α乘以應(yīng)用范圍：定性尺寸：

Nu、Re等準(zhǔn)數(shù)中的l取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

取為流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。b)高粘度的液體

為考慮熱流體方向的校正項(xiàng)，液體被加熱為1.05，冷卻為0.95，氣體為1。

應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

取為管內(nèi)徑di。定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

2)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流

當(dāng)管徑較小，流體與壁面間的溫度差較小,時(shí)自然對(duì)流對(duì)強(qiáng)制滯流的傳熱的影響可以忽略時(shí)。應(yīng)用范圍：

定性尺寸：

管內(nèi)徑di。

定性溫度：

除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

時(shí)自然對(duì)流對(duì)強(qiáng)制滯流的傳熱的影響可以忽略時(shí)。傳熱系數(shù)α乘以校正系數(shù)f.3）流體在圓形直管內(nèi)呈過(guò)渡流對(duì)于Re=2300~10000時(shí)的過(guò)渡流范圍，先按湍流的公式計(jì)算α，然后再乘以校正系數(shù)f。

4）流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

彎曲半徑5）流體在非圓形管中作強(qiáng)制對(duì)流套管環(huán)隙中的對(duì)流傳熱，用水和空氣做實(shí)驗(yàn)，所得的關(guān)聯(lián)式為：

應(yīng)用范圍：Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17

定性尺寸：

當(dāng)量直徑de定性溫度：

流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。

a）傳熱當(dāng)量直徑而流動(dòng)當(dāng)量直徑套管環(huán)隙2、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流1）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)1）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)1）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)適用范圍：對(duì)整個(gè)管束：定性溫度：

特征尺寸：管的外徑do

1）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)在整個(gè)管束上的平均對(duì)流傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算

i=1，…，n式中ai為第i排管子的平均對(duì)流傳熱系數(shù)，Ai為第i排管子的總傳熱面積。

1）流體在管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng)流體在錯(cuò)列管束外流過(guò)時(shí)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)流體在直列管束外流過(guò)時(shí)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)應(yīng)用范圍：注意：管束排數(shù)應(yīng)為10，若不是10時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)校正。2）流體在換熱器的管間流動(dòng)

2）流體在換熱器的管間流動(dòng)

凱恩（Kern）法應(yīng)用范圍：Re=2×103~106

定性尺寸：

當(dāng)量直徑de。定性溫度：除μw取壁溫以外，其余均取液體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。

當(dāng)量直徑可根據(jù)管子排列的情況別用不同式子進(jìn)行計(jì)算：

管子呈正方形排列時(shí)：

管子呈三角形排列時(shí)：

管外流速可根據(jù)流體流過(guò)的最大截面積S計(jì)算

多諾呼(Donohue)法應(yīng)用范圍：Re=3～2×104定性尺寸：管外徑do，流速取換熱器中心附近管排中最窄通道處的速度。四、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。膜狀冷凝：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜是其主要熱阻。滴狀冷凝：若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷凝過(guò)程。蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。四、流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

1蒸汽冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)冷凝液潤(rùn)濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面附著力的大小。若附著力比表面張力大，則形成膜狀冷凝，反之，即形成滴狀冷凝。（二）有相變1、冷凝傳熱

膜狀冷凝：液膜是主要熱阻1.1.3影響冷凝傳熱的因素①蒸汽的流向和流速：

蒸汽和液膜同向流動(dòng)，液膜厚度↓(δ↓)，α↑

若逆向流動(dòng)，液膜厚度↑(δ↑)，α↓

蒸汽的流速較大，液膜吹跑δ↓↓，α↑↑②冷凝液膜兩側(cè)的溫度差Δt：

當(dāng)液膜呈滯流流動(dòng)時(shí)，若Δt加大，則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，α↓③蒸汽中不凝氣體含量的影響：

若蒸汽中含有不凝氣體，壁面為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。┧采w，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降，可達(dá)60%。④冷凝壁面的影響：

如對(duì)于翅片管和螺旋管

δ↓，α↑；傳熱面積S↑，α↑⑤冷凝管的方位：

對(duì)于水平管：若冷凝液從上部各排管子流下，使下部排管液膜變厚，α↓；沿垂直方向排管數(shù)目↑，α↓。管束改為錯(cuò)列，或加除液擋板，α↑。

對(duì)于垂直管:

尺寸↑，δ↑，α↓。管外開(kāi)槽，α↑。⑥流體的物性：

（汽化熱r、密度ρ、λ）↑，α↑；μ↓，α↑2液體沸騰時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)

2.1液體沸騰的基本概念

液體的沸騰:當(dāng)液體被加熱時(shí)，液相內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過(guò)程。該過(guò)程既有導(dǎo)熱過(guò)程又有對(duì)流傳熱過(guò)程。包括大容積沸騰、管內(nèi)沸騰。

大容積沸騰:將加熱壁面浸沒(méi)在液體中，液體在壁面受熱沸騰（池式沸騰）。大容積沸騰時(shí)，液體中一方面存在著由溫差引起的自然對(duì)流，另一方面又因氣泡運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的液體運(yùn)動(dòng)。

管內(nèi)沸騰:液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)受熱沸騰。管內(nèi)沸騰時(shí)，管壁上所產(chǎn)生的汽泡被管內(nèi)液體裹挾與其一起流動(dòng)，管內(nèi)造成了復(fù)雜的兩相流動(dòng)。這種沸騰的機(jī)理更為復(fù)雜。2.2液體沸騰曲線

大容積飽和液體沸騰的情況隨溫度差△t（壁溫與液體飽和溫度之差）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。1、

AB段：表面汽化:溫度差△t

較小時(shí)，在加熱表面的液體內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流，僅在液體表面發(fā)生蒸發(fā)，沒(méi)有氣泡逸出，沸騰傳熱系數(shù)α和熱通量q都較低。2、BC段：核狀沸騰：當(dāng)△t升高時(shí)，加熱表面的局部位置產(chǎn)生氣泡，氣泡產(chǎn)生的速度隨△t上升而增加，由于氣泡的生成、脫離和上升，使液體劇烈擾動(dòng)，因此，α和q

急劇增大。α溫度差ΔtqABCDα線

q線自然對(duì)流核狀沸騰膜狀沸騰E3、CD段：不穩(wěn)定膜狀沸騰或部分核狀沸騰：當(dāng)

△t增大到某一定數(shù)值時(shí)，加熱面上產(chǎn)生的汽泡大大增多，此時(shí)汽泡產(chǎn)生的速率大于脫離表面的速率。這樣汽泡在脫離表面前連接起來(lái)，開(kāi)始形成一層不穩(wěn)定的汽膜，隨時(shí)可能破裂變?yōu)榇笃蓦x開(kāi)加熱面。隨著

△t的增大，汽泡趨于穩(wěn)定，因氣體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體的，所以傳熱系數(shù)反而下降。4、DE段：當(dāng)達(dá)到D點(diǎn)時(shí)，傳熱面幾乎全部為氣膜所覆蓋，形成穩(wěn)定的氣膜，隨△t增大，α不變，q又上升（因?yàn)楸跍厣撸椛鋫鳠岬挠绊懺龃?。一般將CDE段稱為膜狀沸騰。臨界點(diǎn)△tc和qc

：從核狀沸騰變?yōu)槟罘序v的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱流密度和溫差稱為臨界熱負(fù)荷qc

和臨界溫度△tc

。由于核狀沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，因此工業(yè)生產(chǎn)中一般總是設(shè)法控制在核狀沸騰。2.3影響沸騰傳熱的因素

①

溫度差△t

：

△t是控制沸騰給熱過(guò)程的重要參數(shù)，控制△t不大于△tc

，使操作處于核狀沸騰。在△t≤

△tc

時(shí)，，

△t↑，α↑。

②操作壓強(qiáng)：

提高沸騰壓強(qiáng)相當(dāng)于提高液體的ts↑

，使液體的表面張力

σ和粘度μ均下降，有利于汽泡的生成和脫離，能強(qiáng)化沸騰傳熱。在相同的

△t下，α和q都提高。

③

液體性質(zhì)的影響

液體的ρ，μ，λ

和表面張力σ

，汽化潛熱r等均對(duì)沸騰傳熱有重要影響。一般認(rèn)為：

λ↑（導(dǎo)熱能力↑）或ρ↑（自然對(duì)流↑）

α↑

μ或σ↓（氣泡易于脫離↑）

α↑④

加熱表面

加熱壁面的材料和粗糙度對(duì)沸騰給熱有重要的影響。表面粗糙度ε↑，σ↓，氣泡核心數(shù)↑α↑

表面油污↑，σ↑

α↓

2.4沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算由于沸騰傳熱過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算式均為經(jīng)驗(yàn)式，如：莫斯金斯基經(jīng)驗(yàn)式：R為對(duì)比壓強(qiáng)；p為操作壓強(qiáng)；pc為臨界壓強(qiáng)

對(duì)流傳熱計(jì)算公式有兩種類型：準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式和純經(jīng)驗(yàn)公式。在應(yīng)用這些方程時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1、首先分析所處理的問(wèn)題是屬于哪一類，如：是強(qiáng)制對(duì)流或是自然對(duì)流，是否有相變等。2、選定相應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算式，特別應(yīng)注意的是所選用的公式的使用條件。3、當(dāng)流體的流動(dòng)類型不能確定時(shí)，采用試差法進(jìn)行計(jì)算，再進(jìn)行驗(yàn)證。4、計(jì)算公式中的各物性數(shù)據(jù)的單位。對(duì)流傳熱系數(shù)小結(jié)5、冷凝傳熱和沸騰傳熱機(jī)理、影響因素（重點(diǎn)）。一、能量衡算二、總傳熱速率方程三、總傳熱系數(shù)四、平均溫度差五、設(shè)備熱損失的計(jì)算第四節(jié)傳熱過(guò)程計(jì)算Q=KSΔtm一、熱量衡算

熱量衡算是反映兩流體在換熱過(guò)程中溫度變化的相互關(guān)系。對(duì)于間壁式換熱器，假設(shè)換熱器絕熱良好，熱損失可忽略，則在單位時(shí)間內(nèi)的換熱器中的流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量。即：

——換熱器的熱量衡算式應(yīng)用：計(jì)算換熱器的傳熱量

若換熱器中的兩流體的比熱不隨溫度而變或可取平均溫度下的比熱時(shí)，

若換熱器中熱流體有相變化，例如飽和蒸汽冷凝，冷凝液在飽和溫度下離開(kāi)。

若冷凝液的溫度低于飽和溫度離開(kāi)換熱器

例：試計(jì)算將壓力200kPa、流量200kg/h的冷凝至80℃的水所放出的熱量。200kPa飽和水蒸氣的溫度，定壓比熱容和焓值，查附錄6和附錄2。二、總的傳熱速率方程

通過(guò)換熱器中任一微元面積的間壁兩側(cè)的流體的傳熱速率方程，可以仿照對(duì)流傳熱速率方程寫出：——總傳熱速率微分方程or

傳熱基本方程

K——局部總傳熱系數(shù)，（w/m2℃）物理意義：在數(shù)值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率。

當(dāng)取△t和K為整個(gè)換熱器的平均值時(shí)，對(duì)于整個(gè)換熱器，傳熱基本方程式可寫成：K——換熱器的平均傳熱系數(shù)，w/m2·K。

或——總傳熱熱阻

注意：其中K必須和所選擇的傳熱面積相對(duì)應(yīng)，選擇的傳熱面積不同，總傳熱系數(shù)的數(shù)值不同。注：工程上大多以外表面積為計(jì)算基準(zhǔn)，Ko不再加下標(biāo)“o”三、總傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)K的計(jì)算流體通過(guò)管壁的傳熱包括：1)熱流體在流動(dòng)過(guò)程中把熱量傳遞給管壁的對(duì)流傳熱2)通過(guò)管壁的熱傳導(dǎo)

3)管壁與流動(dòng)中的冷流體的對(duì)流傳熱

間壁換熱器總傳熱速率為：

利用串聯(lián)熱阻疊加原則：若以外表面為基準(zhǔn)

——基于外表面積總傳熱系數(shù)計(jì)算公式同理：

3、污垢熱阻

在計(jì)算傳熱系數(shù)K值時(shí)，污垢熱阻一般不可忽視，污垢熱阻的大小與流體的性質(zhì)、流速、溫度、設(shè)備結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行時(shí)間等因素有關(guān)。若管壁內(nèi)側(cè)表面上的污垢熱阻分別用Rsi和Rs0表示，根據(jù)串聯(lián)熱阻疊加原則，

當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時(shí)，若則總熱阻是由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱所控制。提高K值，關(guān)鍵在于提高對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α兩側(cè)的α相差不大時(shí)，則必須同時(shí)提高兩側(cè)的α，才能提高K值。污垢熱阻為控制因素時(shí)，則必須設(shè)法減慢污垢形成速率或及時(shí)清除污垢。例：有一列管換熱器，由φ25×2.5mm的鋼管組成。取鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·K，

CO2在管內(nèi)流動(dòng)，CO2側(cè)污垢熱阻Rs2=0.5×10-3m2·K/W。冷卻水在管外流動(dòng)，冷卻水測(cè)的污垢熱阻Rs1=0.58×10-3m2·K/W。已知管外的α0=2500W/m2·K，管內(nèi)的αi=50W/m2·K

。（1）試求傳熱系數(shù)K；（2）若α0增大一倍，其它條件與前相同，求傳熱系數(shù)增大的百分率；（3）若αi增大一倍，其它條件與（1）相同，求傳熱系數(shù)增大的百分率。解：（1）求以外表面積為基準(zhǔn)時(shí)的傳熱系數(shù)取鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·K，冷卻水測(cè)的污垢熱阻Rs1=0.58×10-3

m2·K/WCO2側(cè)污垢熱阻Rs2=0.5×10-3

m2·K/W則：(2)α0增大一倍，即α0=5000W/m2·K時(shí)的傳熱系數(shù)K’K值增加的百分率（3）αi增大一倍，即α2=100W/m2·K時(shí)的傳熱系數(shù)K值增加的百分率四、傳熱的平均溫度差

恒溫差傳熱：變溫差傳熱：

傳熱溫度差不隨位置而變的傳熱

傳熱溫度差隨位置而改變的傳熱

傳熱流動(dòng)形式

并流：逆流：錯(cuò)流：折流：兩流體平行而同向的流動(dòng)

兩流體平行而反向的流動(dòng)兩流體垂直交叉的流動(dòng)

一流體只沿一個(gè)方向流動(dòng)，而另一流體反復(fù)折流。

tm的計(jì)算一．恒溫差傳熱二．變溫差傳熱---------對(duì)數(shù)平均溫差

tm的計(jì)算（逆、并流）（逆、并流）當(dāng)時(shí)，可用算術(shù)平均溫度差代替對(duì)數(shù)平均溫度差。

例：在一單殼單管程無(wú)折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進(jìn)口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。解：

逆流時(shí)：

熱流體：

冷流體：

7025并流時(shí)：

熱流體：冷流體：8510可見(jiàn)：在冷、熱流體初、終溫度相同的條件下，逆流的平均溫度差大。若流動(dòng)非逆并流，如錯(cuò)流、折流，則

tm需采用相應(yīng)的計(jì)算式。

tm的計(jì)算先按逆流時(shí)計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差△tm逆，在乘以考慮流動(dòng)型式的溫度修正系數(shù)φ△t，得到實(shí)際平均溫度差△tm。工程上，為了快速計(jì)算，

tm常用下述方法：其中計(jì)算P,R的值后,可查圖得到φ△t的值

例：通過(guò)一單殼程雙管程的列管式換熱器，用冷卻水冷卻熱流體。兩流體進(jìn)出口溫度與上例相同，問(wèn)此時(shí)的傳熱平均溫差為多少?又為了節(jié)約用水，將水的出口溫度提高到35℃，平均溫差又為多少?

解：逆流時(shí)

又冷卻水終溫提到350C，逆流時(shí)：

查圖得：例5-11有一列管換熱器，由φ25×2.5mm的鋼管組成。CO2在管內(nèi)流動(dòng)，流量為5kg·s-1。溫度由60℃冷卻至25℃。冷卻水在管間流動(dòng)，與CO2呈逆流流動(dòng)

，流量為3.8kg·s-1。進(jìn)口溫度為20℃。已知管內(nèi)的CO2

的定壓比熱Cp,h=0.653kJ·kg-1·℃-1,對(duì)流傳熱系數(shù)αi=260W/m2℃

，管間水的定壓比熱Cp,c=4.2kJ·kg-1·℃-1,對(duì)流傳熱系數(shù)α0

=1500W/m2℃。若熱損失、管壁及污垢熱阻均可忽略不計(jì)，試計(jì)算換熱器的傳熱面積。

解：（1）冷卻水的出口溫度（2）平均溫度差逆流時(shí)：

熱流體：

冷流體：

32.85（3）總傳熱系數(shù)設(shè)備熱損失的計(jì)算實(shí)際傳熱過(guò)程中，一般設(shè)備或管道的外壁溫度往往較高，熱量以對(duì)流和熱輻射兩種方式散失于空氣中，稱為熱損失。對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：1.空氣自然對(duì)流，tW＜150℃，平壁保溫層外經(jīng)