化工原理第六章-傳熱

第6章傳熱6.1.1概述6.1.2傳熱過(guò)程6.1概述6.1.1概述加熱或冷卻換熱保溫一、傳熱在化工中的應(yīng)用傳熱設(shè)備在化工廠設(shè)備投資中可占到40%左右

削弱傳熱過(guò)程

二、化工生產(chǎn)過(guò)程對(duì)傳熱過(guò)程的要求

強(qiáng)化傳熱過(guò)程三、傳熱過(guò)程冷熱流體的接觸方式1.直接接觸式(混合式傳熱)液體氣體2.蓄熱式結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單耐高溫低溫流體高溫流體設(shè)備體積大有一定程度的混合缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：3.間壁式

傳熱面為內(nèi)管壁的表面積

套管換熱器列管換熱器傳熱面為殼內(nèi)所有管束壁的表面積

熱流體T1T2冷流體t1t2間壁式傳熱的3步驟：

a.熱流體靠對(duì)流傳熱將熱量Q傳給金屬壁一側(cè)——給熱；

b.熱量自管壁一側(cè)以熱傳導(dǎo)的形式傳至另一側(cè)——導(dǎo)熱；

c.熱量以對(duì)流傳熱形式從壁面?zhèn)鹘o冷流體——給熱。四、熱載體及其選擇

加熱劑：熱水、飽和水蒸氣礦物油或聯(lián)苯等低熔混合物、煙道氣等

用電加熱冷卻劑：水、空氣、冷凍鹽水、液氨等冷卻溫度

30C水加熱溫度

180C飽和水蒸氣熱負(fù)荷Q’：工藝要求，同種流體需要溫升或溫降時(shí)，吸收或放出的熱量，單位

J/s或W。傳熱速率Q：熱流量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)換熱器的整個(gè)傳熱面?zhèn)鬟f的熱量，單位J/s或W。熱流密度q：熱通量，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積傳遞的熱量，單位J/(s.m2)或W/m2。6.1.2(間壁式換熱器的)傳熱過(guò)程一、基本概念三、換熱器的熱流量（Q）定態(tài)傳熱過(guò)程，熱流密度不隨時(shí)間而變，但沿著管長(zhǎng)是變化。式中K──總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)或W/(m2·K)；

Q──傳熱速率，W或J/s；

A──總傳熱面積，m2；

tm──兩流體的平均溫差，℃或K?？倐鳠崴俾史匠蹋核摹⒎嵌☉B(tài)傳熱過(guò)程一段時(shí)間內(nèi)所傳遞的累積總熱量QT

1.熱傳導(dǎo)特點(diǎn)：沒(méi)有物質(zhì)的宏觀位移氣體分子做不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果固體導(dǎo)電體：自由電子在晶格間的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電體：晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)現(xiàn)液體機(jī)理復(fù)雜五、傳熱機(jī)理熱傳導(dǎo)：熱量從物體內(nèi)溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或傳遞到與之接觸的另一物體的過(guò)程稱為熱傳導(dǎo)，又稱導(dǎo)熱。熱對(duì)流：流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移的熱量傳遞過(guò)程。

熱輻射：物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過(guò)程稱為熱輻射。

自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流特點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)移、能量形式的轉(zhuǎn)化不需要任何物質(zhì)作媒介

2.對(duì)流3.熱輻射6.2.1傅立葉定律和熱導(dǎo)率6.2.2通過(guò)平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2.3通過(guò)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)6.2.4通過(guò)多層壁的熱傳導(dǎo)6.2熱傳導(dǎo)一、有關(guān)熱傳導(dǎo)的基本概念式中 t──某點(diǎn)的溫度，℃；

x,y,z──某點(diǎn)的坐標(biāo)；

τ──時(shí)間。溫度場(chǎng)：某時(shí)刻，物體或空間各點(diǎn)的溫度分布。

1.溫度場(chǎng)和等溫面6.2.1傅立葉定律和導(dǎo)熱系數(shù)非定態(tài)溫度場(chǎng)

定態(tài)溫度場(chǎng)

等溫面：在同一時(shí)刻，溫度場(chǎng)中所有溫度相同的點(diǎn)組成的面。

不同溫度的等溫面不相交。2.溫度梯度

溫度梯度是一個(gè)點(diǎn)的概念。溫度梯度是一個(gè)向量。方向垂直于該點(diǎn)所在等溫面，以溫度增大的方向?yàn)檎?。一維定態(tài)熱傳導(dǎo)dt/dx二、傅立葉定律式中dQ

──熱傳導(dǎo)速率，W或J/s；

dA

──導(dǎo)熱面積，m2；

t/

n──溫度梯度，℃/m或K/m；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)。負(fù)號(hào)表示傳熱方向與溫度梯度方向相反用熱通量來(lái)表示對(duì)一維定態(tài)熱傳導(dǎo)

2.

是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。三、導(dǎo)熱系數(shù)1.

在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。

=f(結(jié)構(gòu),組成,密度,溫度,壓力）3.各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)

金屬固體

>

非金屬固體

>

液體

>

氣體

在一定溫度范圍內(nèi)：式中

0,──0℃,t℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

a──溫度系數(shù)。對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0，t

對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0

，

t

①固體

金屬：

純金屬>

合金非金屬：同樣溫度下，

越大，

越大。②液體金屬液體

較高，非金屬液體低，水的

最大。

t

，

（除水和甘油）③氣體一般來(lái)說(shuō)，純液體的大于溶液

t

，

氣體不利用導(dǎo)熱，但可用來(lái)保溫或隔熱。6.2.2通過(guò)平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)假設(shè)：(1)高度和寬度遠(yuǎn)大于厚度；(2)材料均勻；(3)溫度僅沿x變化，且不隨時(shí)間變化。取dx的薄層，作熱量衡算：

定態(tài)溫度場(chǎng)

傅立葉定律：

邊界條件：

設(shè)

不隨t而變

討論：

1．推動(dòng)力熱阻2．平壁內(nèi)的溫度分布

a.

不隨t變化或取平均值b.

隨t變化：t～x呈拋物線關(guān)系。平壁內(nèi)溫度呈線性分布6.2.3通過(guò)圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)

假定：(1)定態(tài)溫度場(chǎng)；(2)一維溫度場(chǎng)。取dr同心薄層圓筒，作熱量衡算：定態(tài)溫度場(chǎng)傅立葉定律邊界條件設(shè)

不隨t而變式中 Q──熱流量或傳熱速率，W或J/s；

──導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)或W/(m·K)；

t1,t2──圓筒壁兩側(cè)的溫度，℃；

r1,r2──圓筒壁內(nèi)外半徑，m。討論：1．對(duì)數(shù)平均面積推動(dòng)力阻力平壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)2．3．圓筒壁內(nèi)的溫度分布t～r成對(duì)數(shù)曲線變化(假設(shè)

不隨t變化)4．平壁：各處的Q和q均相等；圓筒壁：不同半徑r處Q相等，但q卻不等。圓筒壁平壁一、推動(dòng)力和阻力的加和性

6.2.3通過(guò)多層壁的定態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程以3層為例

推廣至n層：推動(dòng)力阻力二、各層的溫差思考：厚度相同的三層平壁傳熱，溫度分布如圖所示，哪一層熱阻最大，說(shuō)明各層的大小排列。t1t2t3t4

3

1

2例:內(nèi)徑為15mm，外徑為19mm的鋼管，其

1

為20W/m℃，其外包扎一層厚度為30mm，

2為0.2W/m℃的保溫材料，若鋼管內(nèi)表面溫度為580℃,保溫層外表面溫度為80℃,試求:(1)每米管長(zhǎng)的熱損失;(2)保溫層中的溫度分布。

例:有一蒸汽管道，外徑為25mm，管外包有兩層保溫材料，每層材料均厚25mm，外層保溫材料與內(nèi)層材料導(dǎo)熱系數(shù)之比

2/1=5，此時(shí)單位時(shí)間的熱損失為Q；現(xiàn)工況將兩層材料互換，且設(shè)管外壁與保溫層外表面的溫度t1、t3不變，則此時(shí)熱損失為Q’，求Q’/Q=？6.3.1對(duì)流給熱過(guò)程分析6.3.2對(duì)流給熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述6.3.3無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式6.3對(duì)流給熱6.3.1對(duì)流給熱過(guò)程分析一、對(duì)流給熱的溫度分布1.熱邊界層或溫度邊界層流體在平壁上流過(guò)時(shí)，流體和壁面間將進(jìn)行換熱，引起壁面法向方向上溫度分布的變化，形成一定的溫度梯度，近壁面處，流體溫度發(fā)生顯著變化的區(qū)域，稱為熱邊界層或溫度邊界層。

2.層流流動(dòng)主要依靠熱傳導(dǎo)方式來(lái)進(jìn)行熱量傳遞3.湍流流動(dòng)層流底層溫度梯度大，熱傳導(dǎo)方式湍流核心溫度梯度小，對(duì)流方式過(guò)渡區(qū)域熱傳導(dǎo)和對(duì)流方式4.對(duì)流給熱過(guò)程的強(qiáng)化減少層流底層的厚度

二、對(duì)流給熱過(guò)程的分類流體在傳熱過(guò)程中是否有相變化流體無(wú)相變的給熱過(guò)程流體有相變的給熱過(guò)程強(qiáng)制對(duì)流給熱自然對(duì)流給熱蒸汽冷凝給熱液體沸騰給熱三、強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流1.強(qiáng)制對(duì)流流體在外力(如泵、風(fēng)機(jī)或其他勢(shì)能差)作用下引起的宏觀流動(dòng)湍流時(shí)對(duì)流給熱的阻力主要集中在壁面附近2.自然對(duì)流—a處的密度研究對(duì)象:一高度為L(zhǎng)的垂直平板與液體間的給熱—b處的密度較小

說(shuō)明：

①自然對(duì)流的強(qiáng)弱與加熱面的位置密切有關(guān)。除上述垂直放置以外，加熱面也可以水平放置。問(wèn)：采暖器、制冷空調(diào)應(yīng)安裝在房間的上方還是下方？為什么？②環(huán)流速度除取決于溫差外，還取決于流動(dòng)阻力。因而與流體的性質(zhì)、流動(dòng)空間的幾何形狀與尺寸有關(guān)。6.3.2對(duì)流給熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述

有效膜理論：在靠近壁面處引起溫度的變化形成溫度邊界層。溫度差主要集中在層流底層中。假設(shè)流體與固體壁面之間的傳熱熱阻全集中在厚度為δt有效膜內(nèi)。一、牛頓冷卻定律TTWttW

t總有效膜厚度湍流區(qū)虛擬膜厚度層流底層膜厚度有效膜是集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜

令

─對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)流體被冷卻：TTWttW

t牛頓冷卻定律：流體被加熱：1.牛頓冷卻定律是一種推論，假設(shè)Q∝

t。2.復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化表示。說(shuō)明：二、獲得給熱系數(shù)的方法1.解析法2.數(shù)學(xué)模型法3.因次分析法4.實(shí)驗(yàn)法三、影響對(duì)流給熱系數(shù)

的因素及無(wú)因次化①引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部密度差而引起流體的流動(dòng)。強(qiáng)制對(duì)流：由于外力和壓差而引起的流動(dòng)。

強(qiáng)

>自

②流體的物性

，

，

，cp

1.影響因素⑤是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變

>無(wú)相變④傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。③流動(dòng)形態(tài)層流、湍流

湍

>層

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速。基本因次：長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度

變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響3.實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理②不同Pr的流體在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以強(qiáng)制湍流為例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流體，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(ARea)定性溫度的取法：四、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng)2．特性尺寸3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．定性溫度:確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為~。取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。a.流體進(jìn)出口溫度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均溫度tw;c.流體與壁面的平均溫度稱為平均膜溫t=(tm+tW)/2。一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流流體被加熱時(shí)，b＝0.4；被冷卻時(shí)，b＝0.3。定性溫度取tm＝(t2＋t1)/2注意事項(xiàng)：

特征尺寸為管內(nèi)徑di

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體

強(qiáng)化措施：(1)高粘度流體

適用范圍:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di液體被加熱1.05液體被冷卻0.95氣體冷卻或加熱1(2)短管l/d<60(3)過(guò)渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管

(5)非圓形管強(qiáng)制湍流a.當(dāng)量直徑法b.實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算適用范圍：例:一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：①管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；②管子換為

19×2mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；③當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性特點(diǎn)：2.圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流①物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。

熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊憿蹖恿饕蟮倪M(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

②層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

適用范圍：定性溫度：二、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外垂直流過(guò)在換熱器內(nèi)單排管：整個(gè)管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do2．流體在換熱器殼程的流動(dòng)擋板形式：圓盤(pán)形、圓缺形殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt流速u(mài)按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；

D——換熱器殼徑，m；

do——管子的外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。注意：換熱器無(wú)折流擋板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，對(duì)流給熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：3）加強(qiáng)湍動(dòng)2）de↓1）u↑缺點(diǎn):阻力損失↑三、大空間的自然對(duì)流傳熱

特征尺寸：垂直的管或板為高度,水平管為管外徑注意：A,b與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫⑤是否發(fā)生相變蒸汽冷凝、液體沸騰

相變

>無(wú)相變④傳熱面的形狀，大小和位置形狀：如管、板、管束等；大?。喝绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置還是水平放置。③流動(dòng)形態(tài)層流、湍流

湍

>層

2.因次分析

式中

l——特性尺寸；

u——特征流速?；疽虼危洪L(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度

變量總數(shù)：8個(gè)由定律（8-4）=4，可知有4個(gè)無(wú)因次數(shù)群。

＝f(u，l，

，

，cp，

，g

t)

Nusselt待定準(zhǔn)數(shù)Reynolds，流動(dòng)型態(tài)對(duì)對(duì)流傳熱的影響Prandtl，流體物性對(duì)對(duì)流傳熱的影響Grashof，自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱的影響3.實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果整理②不同Pr的流體在不同的Re下

lgNu/Prb＝algRe＋lgAPrNubReNu/PrklgAa以強(qiáng)制湍流為例：Nu＝AReaPrb①采用不同Pr的流體，固定Re

lgNu＝blgPr＋lg(Area)定性溫度的取法：四、應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的注意事項(xiàng)2．特性尺寸3．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的適用范圍。1．定性溫度:確定物性參數(shù)數(shù)值的溫度稱為~。取對(duì)流動(dòng)與換熱有主要影響的某一幾何尺寸。a.流體進(jìn)出口溫度的平均值tm＝(t2＋t1)/2；b.壁面的平均溫度tw;c.流體與壁面的平均溫度稱為平均膜溫t=(tm+tW)/2。一、流體在管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流適用范圍：

Re>10000，0.7<Pr<160，

<2mPa.s，l/d>606.3.3無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1．圓形直管內(nèi)的湍流流體被加熱時(shí)，b＝0.4；被冷卻時(shí)，b＝0.3。定性溫度取tm＝(t2＋t1)/2注意事項(xiàng)：

特征尺寸為管內(nèi)徑di

u,u0.8

d,1/d0.2

流體物性的影響，選大的流體

強(qiáng)化措施：(1)高粘度流體

適用范圍:Re>10000，0.7<Pr<160，l/d>60定性溫度取tm；特征尺寸為di流體被加熱1.05流體被冷卻0.95氣體冷卻或加熱1(2)短管l/d<60(3)過(guò)渡流（2000<Re<10000)(4)彎曲管

(5)非圓形管強(qiáng)制湍流a.當(dāng)量直徑法b.直接實(shí)驗(yàn)法套管環(huán)隙:水-空氣系統(tǒng)12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17其中d1為內(nèi)管外徑，d2為外管內(nèi)徑用de代替di計(jì)算，u不同de,要用實(shí)際的流通面積計(jì)算適用范圍：例:一列管式換熱器，由38根

25×2.5mm的無(wú)縫鋼管組成，苯在管內(nèi)流動(dòng)，由20℃加熱到80℃，苯的流量為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱，求：①管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；②管子換為

19×2mm，管壁對(duì)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)；③當(dāng)苯的流量提高一倍，對(duì)流傳熱系數(shù)變化如何？已知：苯的物性特點(diǎn)：2.圓形管內(nèi)強(qiáng)制層流③層流要求的進(jìn)口段長(zhǎng)度長(zhǎng)，實(shí)際進(jìn)口段小時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

②層流的對(duì)流傳熱系數(shù)受自然對(duì)流影響嚴(yán)重使得對(duì)流傳熱系數(shù)提高。

①物性特別是粘度受管內(nèi)溫度不均勻性的影響，導(dǎo)致速度分布受熱流方向影響。

熱流方向?qū)恿魉俣确植嫉挠绊戇m用范圍：若定性溫度：二、管外強(qiáng)制對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)

1.流體在管束外垂直流過(guò)在換熱器內(nèi)單排管：整個(gè)管束：定性溫度：適用范圍：特性尺寸：管的外徑do2．流體在換熱器殼程的流動(dòng)擋板形式：圓形、圓缺形殼程流體的對(duì)流傳熱系數(shù)（圓缺形）：定性溫度：正方形排列：正三角形排列：特征尺寸：當(dāng)量直徑ded0tt流速u(mài)按流通截面最大處的截面計(jì)算：式中h——兩塊折流擋板間距離，m；

D——換熱器殼徑，m；

do——管子的外徑，m；

t——相鄰兩管中心距，m。注意：換熱器無(wú)折流擋板時(shí)，流體平行流過(guò)管束，對(duì)流給熱系數(shù)按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流計(jì)算，但管子的內(nèi)徑換為當(dāng)量直徑。提高殼程對(duì)流傳熱系數(shù)的措施：3）加強(qiáng)湍動(dòng)2）de↓1）u↑缺點(diǎn):阻力損失↑三、大空間的自然對(duì)流傳熱

特征尺寸：垂直的管或板為高度,水平管為管外徑注意：A,b與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平）有關(guān)。定性溫度：膜溫6.4.1沸騰給熱一、沸騰給熱1.概念液體與高溫流體壁面接觸被汽化，并產(chǎn)生汽泡的過(guò)程稱為沸騰。2.工業(yè)應(yīng)用再沸器、蒸發(fā)器、蒸汽鍋爐設(shè)備的尺寸與形狀大容積沸騰

管內(nèi)沸騰(強(qiáng)制對(duì)流沸騰）

管內(nèi)液流的主體溫度是否達(dá)到相應(yīng)壓力下的飽和溫度過(guò)冷沸騰：若液流主體溫度低于飽和溫度，而加熱表面上有氣泡產(chǎn)生，稱為過(guò)冷沸騰熱量的傳遞:通過(guò)汽化—冷凝過(guò)程實(shí)現(xiàn)

飽和沸騰：當(dāng)液流主體溫度達(dá)到飽和溫度，則離開(kāi)加熱面的氣泡不再重新凝結(jié)。這種沸騰稱為飽和沸騰。3.液體在加熱面上沸騰的分類二、氣泡形成的條件過(guò)熱度：

t=tW－ts

汽化核心：一般為粗糙加熱面的細(xì)小凹縫處汽化核心

生成汽泡

長(zhǎng)大

脫離壁面

新汽泡形成

攪動(dòng)液層沸騰給熱時(shí)，氣泡的生成和脫離對(duì)該薄層液體產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，使熱阻大為降低。沸騰給熱的熱阻集中于緊貼加熱表面的液體薄層內(nèi)。三、大容積飽和沸騰曲線

①AB段—表面汽化階段②BC段——核狀沸騰階段2.2C<t<55

C

③CD段——不穩(wěn)定膜狀沸騰階段④DE段——穩(wěn)定膜狀沸騰階段

t＞250C

t<2.2

C

55C<t<250

C

工業(yè)上：核狀沸騰優(yōu)點(diǎn)：

大，tW小四、沸騰傳熱的影響因素及強(qiáng)化措施強(qiáng)化措施：加表面活性劑（乙醇、丙酮等）在核狀沸騰階段溫差提高，

1.液體的性質(zhì)2.溫差3.操作壓強(qiáng)新的、潔凈的、粗糙的加熱面4.加熱面強(qiáng)化措施：將表面腐蝕，燒結(jié)金屬粒6.4.2冷凝給熱一、

冷凝方式：滴狀冷凝和膜狀冷凝二、冷凝過(guò)程的熱阻三、蒸汽冷凝的

1.水平管束外式中n——水平管束在垂直列上的管子數(shù)；

r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。特性尺寸l：定性溫度：膜溫t=(t+tw)/2管外徑do液膜的厚度

湍流2.豎壁或豎管上的冷凝層流適用條件：Re<1800適用條件：Re>1800特性尺寸l：定性溫度：膜溫

管外徑或板高H同向時(shí)，；反向時(shí)，；u四、冷凝傳熱的影響因素和強(qiáng)化措施1.流體物性冷凝液

,

；2.溫差液膜層流流動(dòng)時(shí)，t=t－tW

，,3.不凝性氣體不凝氣體存在，導(dǎo)致，定期排放。4.蒸汽流速與流向（u>10m/s）冷凝液

,；潛熱r

,

5.蒸汽過(guò)熱

6.冷凝面的形狀和位置目的：減少冷凝液膜的厚度垂直板或管：開(kāi)縱向溝槽；水平管束：可采用錯(cuò)列包括冷卻和冷凝兩個(gè)過(guò)程。6.5.1固體輻射6.5.2

高溫設(shè)備及管道的熱損失6.5熱輻射一、基本概念1.輻射：物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程。

2.熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過(guò)程。特點(diǎn)：能量傳遞的同時(shí)還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換；不需要任何介質(zhì)。6.5.1固體輻射能量守恒定律：二、能量守恒定律的應(yīng)用穿透率反射率吸收率黑體：白體（鏡體）：透熱體：a,r,d

=f(物體性質(zhì)、溫度、表面、輻射波長(zhǎng)）固體、液體：氣體：r=0a+d=1d=0

r+a=1a=1r=1d=1三、物體的輻射能力物體在一定溫度下，單位表面積，單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部輻射能（波長(zhǎng)從0到

），W/m2。物體的單色輻射能力：物體在一定溫度下，發(fā)射某種波長(zhǎng)的能力；以E

表示，單位W/m3。輻射能與單色輻射能的關(guān)系：普朗克定律

0──黑體輻射常數(shù)，=5.67×10-8W/(m2.K4)；C0──黑體輻射系數(shù)，=5.67W/(m2.K4)——斯蒂芬-波爾茨曼定律1.輻射能力

四次方定律表明，熱輻射對(duì)溫度特別敏感。四、黑體的輻射能力與吸收能力2.吸收能力

a=1

五、實(shí)際物體的輻射能力與吸收能力1.輻射能力物體的黑度：

<1

說(shuō)明：①黑度表示實(shí)際物體接近黑體的程度②影響物體黑度

的因素

物體的種類、表面溫度、表面狀況、波長(zhǎng)③物體的黑度是物體的一種性質(zhì)，只與物體本身的情況有關(guān)，與外界因素?zé)o關(guān)，其值可用實(shí)驗(yàn)測(cè)定.④物體的黑度不單純是顏色的概念——以黑度表征2.吸收能力①特點(diǎn)a.部分吸收a<1b.對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射能吸收的程度不同

c.影響因素：物體本身的情況(物體種類，表面溫度，表面頭部等)，輻射物體的情況（即所輻射的波長(zhǎng)）②結(jié)論：實(shí)際物體的吸收率a比黑度

更復(fù)雜。六、灰體的輻射能力和吸收能力1.灰體以相同的吸收率吸收所有波長(zhǎng)的輻射能的物體。①灰體的吸收率不隨輻射線的波長(zhǎng)而變。②灰體為不透熱體，即a+r=12.灰體的特點(diǎn)3.灰體的吸收能力——吸收率a克希霍夫定律4.灰體輻射能力表征——黑度

七、兩固體間的相互輻射任意放置的灰體1和2，其面積分別為A1和A2，表面溫度分別為T(mén)1和T2不變。兩灰體表面的輻射能力和吸收率分別為E1、E2和a1、a2。——系統(tǒng)黑度

式中 Q12——高溫物體1向低溫物體2傳遞的熱量，W；

1-2——幾何因子或角系數(shù)；

A——輻射面積，m2；

T1——高溫物體的溫度，K；

T2——低溫物體的溫度，K。討論

①對(duì)兩塊相距很近而面積足夠大的平行板，

1-2=1。即物體的相對(duì)位置對(duì)輻射傳熱已無(wú)影響。②一物體被另一物體包圍時(shí)的輻射A1/A2≈1A1/A2≈0不必知道ε2和A2即可求出Q12。大房間內(nèi)高溫管道的輻射散熱，氣體管道內(nèi)熱電偶測(cè)溫的輻射誤差計(jì)算都屬于此種情況。3.影響輻射傳熱的因素Ｑ

T4，

低溫時(shí)可忽略，高溫時(shí)可能成為主要方式

①溫度的影響②幾何位置的影響③表面黑度的影響Ｑ，可通過(guò)改變黑度的大小強(qiáng)化或減小輻射傳熱。④輻射表面間介質(zhì)的影響減小輻射散熱，在兩換熱面加遮熱板（黑度較小的熱屏）。6.5.2

高溫設(shè)備及管道的熱損失對(duì)流散熱：

輻射散熱：

令

=1

總熱損失：

對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)空氣自然對(duì)流，當(dāng)tW<150

C時(shí)空氣速度u<=5m/s時(shí)管道及圓筒壁保溫層外空氣速度u>5m/s時(shí)平壁保溫層外(2)空氣沿粗糙壁面強(qiáng)制對(duì)流6.6.1傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述6.6.2傳熱過(guò)程基本方程式6.6.3換熱器的設(shè)計(jì)型計(jì)算6.6.4換熱器的操作型計(jì)算6.6.5非定態(tài)傳熱過(guò)程的擬定態(tài)處理6.6.6變系數(shù)的傳熱過(guò)程計(jì)算6.6傳熱過(guò)程的計(jì)算6.6.1傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)描述一、熱量衡算微分方程式研究對(duì)象:微元傳熱面積dA

假設(shè)：①熱、冷流體的質(zhì)量流量為常數(shù)；②熱、冷流體的熱容cp1、cp2及K沿傳熱面不變；③忽略換熱器的熱損失；④過(guò)程系定態(tài)傳熱。熱量衡算式：熱流體：冷流體：二、微元傳熱速率方程式熱流體→壁面內(nèi)壁面→外壁面壁面→冷流體定態(tài)傳熱

twTw對(duì)流對(duì)流導(dǎo)熱冷流體熱流體tTQ總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)總熱阻管內(nèi)熱阻管壁熱阻管外熱阻三、傳熱系數(shù)和熱阻1.K的計(jì)算①圓管基于內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)基于外表面積的總傳熱系數(shù)②平壁dA=dA1=dA2=dAm2.污垢熱阻Rs

傳熱管外側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W傳熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2·K/W3.阻力控制步驟若忽略管壁熱阻與污垢熱阻要提高K，必須設(shè)法提高α2的值。要提高K，必須設(shè)法提高α1的值。四、壁溫的計(jì)算忽略金屬壁的熱阻，即Tw≈tw

6.6.2傳熱過(guò)程基本方程式一、傳熱過(guò)程的積分表達(dá)式傳熱速率方程熱流體放出的熱量冷流體吸收的熱量二、逆流流動(dòng)時(shí)操作線與推動(dòng)力的變化規(guī)律1.操作線控制體：冷流體入口端和任意截面間熱量衡算：——操作線

2推動(dòng)力的變化規(guī)律三、傳熱基本方程式

T1T2t2t1——傳熱過(guò)程基本方程式

——對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力

傳熱過(guò)程基本方程式成立的條件是操作線為直線四、對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力1.通常將溫差較大者作為Δt1,較小者作為Δt2

2.對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力恒小于算術(shù)平均推動(dòng)力

3.當(dāng)0.5＜Δt1/Δt2＜2時(shí)，用算術(shù)平均Δtm=(Δt1+Δt2)/2代替對(duì)數(shù)平均值,其誤差不超過(guò)4%。4.當(dāng)Δt1或Δt2等于零時(shí)，Δtm=04.上式適用于并流及一側(cè)流體有相變的情況。6.6.3換熱器的設(shè)計(jì)型計(jì)算

一、設(shè)計(jì)型計(jì)算的命題方式設(shè)計(jì)任務(wù)（示例)：將流量為qm1的熱流體自給定溫度T1冷卻至指定溫度T2。設(shè)計(jì)條件：可供使用的冷卻介質(zhì)即冷流體的進(jìn)口溫度t1。計(jì)算目的：確定經(jīng)濟(jì)上合理的傳熱面積及換熱器其它有關(guān)尺寸。某列管式冷凝器的列管規(guī)格為Φ25mm×2.5mm。有機(jī)蒸汽在管外冷凝，管內(nèi)通冷卻水，冷卻水的流量為2.5kg/s。在新使用時(shí)，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為20℃和30℃。使用一段時(shí)間后，由于生成垢層，在冷卻水進(jìn)口溫度和流量不變的情況下，冷卻水的出口溫度降為26℃。已知基于外表面的傳熱面積為16.5m2，有機(jī)蒸汽的冷凝溫度為80℃，求水垢層的熱阻。有一套管換熱器，內(nèi)管為φ54ｍｍ×２ｍｍ，外管為φ116ｍｍ×４ｍｍ的鋼管?，F(xiàn)用120℃的飽和水蒸汽加熱苯，將苯由50℃加熱至80℃，苯在內(nèi)管中以4000kg/h的流量流動(dòng)，試求：(1)加熱蒸汽消耗量；(2)所需套管的有效長(zhǎng)度；(3)由于某種原因，加熱蒸汽的溫度降為110℃，苯的出口溫度將變?yōu)槎嗌伲?假設(shè)α苯不變)已知：在50～80℃范圍內(nèi)，苯的物性為：Ｃp

＝1.86kJ/kg·℃，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為45W/m·℃，苯側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)α苯＝980W/(m2℃)，120℃時(shí)水蒸汽冷凝潛熱ｒ＝2205kJ/kg，蒸汽側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)α汽＝10000W/m2·℃，壁兩側(cè)垢層熱阻及換熱器熱損失均可忽略，加熱蒸汽冷凝液在飽和溫度下排出。二、設(shè)計(jì)型問(wèn)題的計(jì)算方法以熱流體的冷卻為例：KT1、T2、t1、t2、流動(dòng)方向流動(dòng)通道三、選擇的依據(jù)①?gòu)膫髻|(zhì)速率看，即從推動(dòng)力看：比較基準(zhǔn)：T1、T2、t1、t2相同

逆流優(yōu)于并流1.流動(dòng)方式的選擇②從平衡看，即從qm2,min看：比較基準(zhǔn)：逆流優(yōu)于并流qm1、T1、T2、t1相同

節(jié)省冷卻介質(zhì)回收熱量的溫位高，可利用價(jià)值大③宜用并流的情況

對(duì)熱敏性物料，并流操作可避免出口溫度過(guò)高而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在某些高溫?fù)Q熱器中，逆流操作因冷卻流體的最高溫度t2和T1集中在一端，會(huì)使該處的壁溫特別高。為降低該處的壁溫可采用并流，以延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。2.冷卻介質(zhì)的出口溫度的選擇目標(biāo)函數(shù)：t2過(guò)高(t2-t1)↑,qm2↓，回收能量?jī)r(jià)值↑動(dòng)力消耗↓，操作費(fèi)用↓△tm↓A↑設(shè)備費(fèi)用↑經(jīng)驗(yàn)：△tm＞10℃t2不宜過(guò)高。t2＜45℃。若水為冷卻介質(zhì)6.6.4換熱器的操作型計(jì)算一、計(jì)算命題與計(jì)算方法1.第一類命題內(nèi)容：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，冷、熱流體的流量和進(jìn)口溫度以及流體的流動(dòng)方式。

求：計(jì)算目的：求某些參數(shù)改變后冷、熱流體的出口溫度及換熱器的傳熱能力。計(jì)算方法:

以熱流體的冷卻為例分析。求T2，t2。計(jì)算目的：求某些參數(shù)改變后所需冷流體（或熱流體）的流量及出口溫度。2.第二類命題

給定條件：換熱器的傳熱面積以及有關(guān)尺寸，冷、熱流體的物理性質(zhì)，熱流體（或冷流體）的流量和進(jìn)、出口溫度，冷流體（或熱流體）的進(jìn)口溫度以及流動(dòng)方式。以熱流體的冷卻為例分析。求qm2，t2。

試差法求出t2

求出qm2計(jì)算目的：判斷現(xiàn)有換熱器對(duì)指定的傳熱任務(wù)是否適用。3.換熱器校核計(jì)算給定條件：換熱器的傳熱面積及有關(guān)尺寸，傳熱任務(wù)。三、傳熱過(guò)程的調(diào)節(jié)措施：增大冷卻劑用量原工況：熱流體

qm1，T1，T2，α1

；冷流體qm2，t1，t2，α2新工況：熱流體

qm1↑，T1，T2

不變，如何調(diào)節(jié)？②

或△tm和K皆有較大變化qm2↑調(diào)節(jié)作用來(lái)自K和△tm△tm↑qm2↑調(diào)節(jié)作用來(lái)自△tm①

調(diào)節(jié)原因分析：qm2↑△

tm基本不變熱流體給熱為控制步驟無(wú)調(diào)節(jié)作用冷流體給熱為控制步驟調(diào)節(jié)作用來(lái)自K的增大③(t2-t1)較小

冷卻介質(zhì)流量的調(diào)節(jié)，改變了換熱器內(nèi)傳熱過(guò)程的速率。傳熱速率的改變，可能來(lái)自△tm的變化，也可能來(lái)自K的變化，而多數(shù)是由兩者共同引起的。

結(jié)論：6.6.5傳熱單元數(shù)法

一、逆流操作

——傳熱單元數(shù)——換熱器的熱效率二、并流操作

蒸汽熱容可視為無(wú)窮大，因此R2=0。三、一側(cè)流體發(fā)生相變6.6.6非定態(tài)傳熱過(guò)程的擬定態(tài)處理一、過(guò)程特點(diǎn)1.熱流體飽和蒸汽的溫度T不變。

2.釜內(nèi)液體混合均勻，液體溫度t保持均一。

3.任何時(shí)刻的熱流密度q與加熱面的位置無(wú)關(guān)。

二、釜內(nèi)液體溫度t與時(shí)間τ的關(guān)系研究范圍：dτ時(shí)間段前提：忽略熱損失與壁面溫升熱量衡算式：

式中m——釜內(nèi)液體的質(zhì)量，kg；

cp——釜內(nèi)液體的比熱容，J/