第五章 传热

第第五五章章 传传 热热第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 两流体间的热两流体间的热 量传递量传递第四节第四节 给热系数给热系数第五节第五节 辐射传热辐射传热2024/5/1传热：就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程。1、化工与传热、化工与传热1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行。为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。第一节第一节 概述概述一、传热在化工生产中的应用一、传热在化工生产中的应用2024/5/12）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。4）对于废热也需合理的利用与回收。2、化工生产中传热过程的两种情况、化工生产中传热过程的两种情况 1）强化传热：）强化传热：各种换热设备中的传热。2）削弱传热：）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失。2024/5/11、热源、热源 1）电热：）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高。2）饱和水蒸气：）饱和水蒸气：优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。二、热源和冷源二、热源和冷源 2024/5/13）烟道气）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度。缺点：传热速度慢，温度不易控制。4）高温载热体）高温载热体 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。2、冷源、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。2024/5/11、热传导、热传导热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。微观机理因物态而异。三、传热的三种基本方式三、传热的三种基本方式 2024/5/12、对流、对流流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流。对流只能发生在流体中。强制对流自然对流 用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热 2024/5/13、辐射、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。2024/5/1传热速率（热流量传热速率（热流量）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为W。热通量（又称为热流密度或传热速度）热通量（又称为热流密度或传热速度）q 单位传热面积的传热速率，单位为w/m2。传热速率与热通量的关系为传热温差以T表示，热阻通常以R或r表示 四、传热速率与热通量四、传热速率与热通量 2024/5/1第二节热传导1、温度场和等温面、温度场和等温面 温度场温度场：物体或系统内部的各点温度分布的总和。温度场的数学表达式为 稳定温度场：不稳定温度场：温度场中各点的温度随时间而改变 温度场中各点的温度不随时间而改变 等温面等温面：温度场中温度相同的点组成的面。一、基本概念和傅立叶定律一、基本概念和傅立叶定律 2024/5/12、温度梯度（、温度梯度（grads）温温度度梯梯度度：等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示。温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向。对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为：3、傅立叶定律、傅立叶定律(Fouriers Law)2024/5/1 比例系数，称为导热系数，单位为W/mK。负号表示热流方向与温度梯度方向相反。傅立叶定律傅立叶定律 2024/5/11、导热系数的定义、导热系数的定义在数值上等于单位温度梯度下的热通量，是物质的物理性质之一。一般地，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。二、导热系数二、导热系数 2024/5/12、固体的导热系数（见、固体的导热系数（见p250 附录四）附录四）纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。3、液体的导热系数、液体的导热系数（见（见p136 图图5-2）在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小。2024/5/1纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。3、气体的导热系数（见、气体的导热系数（见p136 图图5-3）气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。气体的导热系数随温度升高而加大。在相当大的压力范围内，气体的导热系数随压力变化极小。注注意意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。2024/5/11、单层平壁的稳定热传导、单层平壁的稳定热传导边界条件为：x=0时，t=t1 x=b时，t=t2 三、平壁的稳定热传导三、平壁的稳定热传导 2024/5/1 R导热热阻，K/W；r单位面积的导热热阻。传传导导距距离离b越越大大，传传热热面面积积和和导导热热系系数数越越小小，传传导导热热阻阻越越大。大。2024/5/12、多层平壁的稳定热传导、多层平壁的稳定热传导 2024/5/1推广到n层平壁有：多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。2024/5/13、接触热阻、接触热阻 若以r0表示单位传热面的接触热阻，通过两层平壁的热通量变为：接触热阻与接触面的材料，表面粗糙度及接触面上压强等因素有关。2024/5/11、单层圆筒壁的热传导、单层圆筒壁的热传导仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：四、圆筒壁的稳定热传导四、圆筒壁的稳定热传导2024/5/1分离变量积分：圆筒壁的导热热阻 这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式：2024/5/1圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2。当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值。2024/5/12、多层圆筒壁的热传导、多层圆筒壁的热传导 与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：2024/5/1 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。第三节两流体间的热量传递一、两流体通过间壁传热的分析一、两流体通过间壁传热的分析 2024/5/1流体沿固体壁面的流动 层流内层缓冲层湍流主体流体分层运动，相邻层间没有流体的宏观运动。在垂直于流动方向上不存在热对流，该方向上的热传递仅为流体的热传导。该层中温度差较大，即温度梯度较大。热对流和热传导作用大致相同，在该层内温度发生较缓慢的变化。温度梯度很小，各处的温度基本相同。以上换热，既要考虑固体间壁的导热，又要考虑间壁两侧与流体的传热，往往后者更重要。2024/5/1对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。对流传热的热热阻阻主主要要集集中中在在层层流流内内层层。减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。2024/5/11、对流传热速率表达式、对流传热速率表达式 据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：推动力：壁面和流体间的温度差阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。对流传热速率方程可以表示为：牛顿冷却定律牛顿冷却定律 二、传热速率和传热系数二、传热速率和传热系数 2024/5/1 在换热器中，局部对流传热系数随管长而变化，但在工程计算中，常使用平均对流传热系数，此时牛顿冷却定律可以表示为：2、对流传热系数、对流传热系数对流传热系数定义式：表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。单位W/m2.K。反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。2024/5/13、总传热系数、总传热系数1）总传热系数）总传热系数K的来源的来源1)生产实际的经验数据2)实验测定3)分析计算4)2）传热系数）传热系数K的计算的计算 5)流体通过管壁的传热包括：6)1)热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热2024/5/1 2)通过管壁的热传导 3)管壁与流动中的冷流体的对流传热 间壁换热器总传热速率为：2024/5/1利用串联热阻叠加原则：若以外表面为基准 2024/5/1基于外表面积总传热系数计算公式基于外表面积总传热系数计算公式同理：2024/5/1 3）污垢热阻）污垢热阻在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时间等因素有关。若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，根据串联热阻叠加原则，2024/5/1当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，若则总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的。两侧的相差不大时，则必须同时提高两侧的，才能提高K值。污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及时清除污垢。2024/5/1例：有一列管换热器，由252.5的钢管组成。CO2在管内流动，冷却水在管外流动。已知管外的1=2500W/m2K，管内的2=50W/m2K。（1）试求传热系数K；（2）若1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大的百分率；（3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增大的百分率。2024/5/1解：（1）求以外表面积为基准时的传热系数取钢管的导热系数=45W/mK，冷却水测的污垢热阻Rs1=0.5810-3m2K/WCO2侧污垢热阻Rs2=0.510-3m2K/W则：2024/5/1(2)1增大一倍，即1=5000W/m2K时的传热系数K2024/5/1K值增加的百分率（3）2增大一倍，即2=100W/m2K时的传热系数K值增加的百分率2024/5/1恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热 传热温度差随位置而改变的传热 传热流动形式 并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动 两流体平行而反向的流动 两流体垂直交叉的流动 一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流 三、平均温度差和热量衡算三、平均温度差和热量衡算 2024/5/1热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系。对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。即：换热器的热量衡算式应用：计算换热器的传热量若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度下的比热时 1、热量衡算、热量衡算 2024/5/1 若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝液在饱和温度下离开。若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器 2024/5/12、逆流和并流时的传热温差、逆流和并流时的传热温差假定：（1）换热器在稳定情况下操作；（2）流体的比热容均为常量，且传热系数K沿换热面而不变；（3）换热器无热损失。以逆流为例，推导平均温差2024/5/1微元面积dA的传热情况两流体的温差为t 通过微元面dA的传热量为：将（c）、(d)代入(e)式2024/5/1用 分别表示换热器两端的温差，并对(f)积分得 2024/5/1联立(b)和(f)得：积分：即：2024/5/1将（g）式代入对数平均温度差对数平均温度差2024/5/1若两流体并流流动，同样可得到相同的结果。注注意意：在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两端温度差t中数值大的写成t2，小的写成t1当时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。例：在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由100冷却至40，冷却水进口温度15，出口温度30，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。2024/5/1解解：逆流时：热流体：冷流体：70 25并流时：热流体：冷流体：85 102024/5/1可见：在冷、热流体初、终温度相同的条件下，逆流的平均温度差大。3、错流和折流时的平均温度差、错流和折流时的平均温度差错流和折流的平均温度差，常采用安德伍德和鲍曼提出的图算法。先按逆流时计算对数平均温度差tm逆，在乘以考虑流动型式的温度修正系数t，得到实际平均温度差tm。2024/5/1错流和折流时的平均温度差错流和折流时的平均温度差其中计算P，R的值后，可查图得到t的值 2024/5/1 例：通过一单壳程双管程的列管式换热器，用冷却水冷却热流体。两流体进出口温度与上例相同，问此时的传热平均温差为多少?又为了节约用水，将水的出口温度提高到35，平均温差又为多少?解：逆流时 2024/5/1又冷却水终温提到350C，逆流时：2024/5/1查图得：4、不同流动型式的比较、不同流动型式的比较 (1)在进、出口温度相同的条件下，逆流的平均温度差最大，并流的平均温度差最小，其他形式流动的平均温度介于逆流和并流之间。因此，就提高传热推动力而言，逆流优于并流及其他形式流动。当换热器的传热量Q及总传热系数K相同的条件下，采用逆流操作，所需传热面积最小。2024/5/1(2)逆流可以节省冷却介质或加热介质的用量。所以，换热器应当尽量采用逆流流动，尽可能避免并流流动。在某些生产工艺有特殊要求时，如要求冷流体被加热时不得超过某一温度或热流体冷却时不得低于某一温度，应采用并流操作。当换热器有一侧流体发生相变而保持温度不变时，就无所谓并流和逆流了，不论何种流动型式，只要进出口温度相同，平均温度就相等。2024/5/1(3)采用折流和其他复杂流动的目的是为了提高传热系数，其代价是平均温度差相应减小，温度修正系数t是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时最好使t0.9，至少不能使t0.8。否则应另选其他流动型式，以提高 t。2024/5/11、传热效率、传热效率 mscp：流体的热容量流率。四、传热效率四、传热效率-传热单元数法传热单元数法2024/5/1当热流体的热容量流率较小时 若冷流体的热容量流率较小 2024/5/12、传热单元数、传热单元数NTU 1）传热单元数的定义）传热单元数的定义对于冷流体 积分 NTU2：基于冷流体的传热单元数。2024/5/1当K与cp2为常数，且T-t可用平均温度差代替时 同理，基于热流体的传热单元数 当K与cp1为常数时 2024/5/12）传热单元数的含义）传热单元数的含义（1）对于已知的换热器利用处理的物料而言，它表示该换热器的换热能力的大小。K与A大，表示换热器的能力大，可完成更高的换热要求（2）对已知流体的换热器而言，它表示换热要求的高低与换热的难易程度。换热要求高，即流体进出口的温差大；传热的推动力小，换热所需的单元数大。2024/5/13）传热单元数的物理意义）传热单元数的物理意义将改写成2024/5/1基于值小的流体的传热单元长度,可视为(mscp)min的流体温度变化与传热温差相等时的换热器的管长。传热系数K愈大，即热阻愈小，传热单元长度愈小。换热时所需要的传热面积也愈小。换热器的长度（对于一定的管径）等于传热单元数和传热单元长度的乘积。一个传热单元可视为换热器的一段。2024/5/13、传热效率与传热单元数的关系、传热效率与传热单元数的关系 将（2）代入（1），并整理得并流时2024/5/1若冷流体为最小值流体，并令Cmin=ms2cp2,Cmax=ms1cp1，NTUmin=KA/Cmin2024/5/12024/5/1将(4)代入(3)得 逆流时传热效率和传热单元数的关系为：2024/5/1当两流体之一有相变化时，(mscp)max趋于无穷大 当两流体的mscp相等时 并流时：逆流时：2024/5/1已知：管内、外流体的平均温度T、t，忽略管壁热阻求：壁温tw方法：试差法步骤：假设tw求管内、外的i、0核算tw五、壁温的计算五、壁温的计算 2024/5/1例：在列管换热器中，两流体进行换热。若已知管内、外流体的平均温度分别为170和135；管内、外流体的对流传热系数分别为12000W/(m2)及1100W/(m2)。管内、外侧污垢热阻分别为0.0002及0.0005(m2)/W。试估算管壁平均温度。假设管壁热传导热阻可忽略。解：2024/5/1结果表明：结果表明：管壁温度接近于热阻小的那一侧流体的流体温度即接近于值大的那个流体的温度。2024/5/11、流体的种类和相变化的情况、流体的种类和相变化的情况2、流体的物性、流体的物性1）导热系数）导热系数层流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。2）粘度）粘度流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。3）比热和密度）比热和密度第四节第四节 给热系数给热系数一、给热系数的影响因素一、给热系数的影响因素2024/5/1 cp：单位体积流体所具有的热容量。cp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强度愈强。（4）体积膨胀系数）体积膨胀系数 体积膨胀系数值愈大，密度差愈大，有利于自然对流。对强制对流也有一定的影响。3、流体的温度、流体的温度4、流体流动状态流体流动状态 湍流的对流传热系数远比滞流时的大。2024/5/15、流体流动的原因、流体流动的原因 强制对流：自然对流：由于外力的作用 由于流体内部存在温度差，使得各部分的流体密度不同，引起流体质点的位移单位体积的流体所受的浮力为：6、传热面的性状、大小和位置、传热面的性状、大小和位置 2024/5/11、流体无相变时的强制对流传热过程、流体无相变时的强制对流传热过程列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：确定无因次准数的数目二、给热系数与量纲分析二、给热系数与量纲分析2024/5/1确定准数的形式(1)列出物理量的因次物理量因次物理量因 次(2)选择m个物理量作为i个无因次准数的共同物理量不能包括待求的物理量不能同时选用因次相同的物理量选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次。2024/5/1 选择l、u作为三个无因次准数的共同物理量(3)量纲分析 将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数对1而言，实际因次为：2024/5/1流体无相变时强制对流时的准数关系式2024/5/12、自然对流传热过程、自然对流传热过程包括7个变量，涉及4个基本因次，自然对流传热准数关系式2024/5/1准数的符号和意义准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu表示对流传热的系数 雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数2024/5/13、应用准数关联式应注意的问题1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定 2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。3）应用范围：关联式中Re，Pr等准数的数值范围。2024/5/11、流体在管内作强制对流、流体在管内作强制对流1）流体在圆形直管内作强制湍流）流体在圆形直管内作强制湍流a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体 当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。三、流体无相变时的对流传热系数三、流体无相变时的对流传热系数2024/5/1管长与管径比 将计算所得的乘以应用范围：定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。b)高粘度的液体 为考虑热流体方向的校正项。2024/5/1应用范围：定性尺寸：取为管内径di。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。2)流体在圆形直管内作强制滞流流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制滞流的传热的影响可以忽略时2024/5/1应用范围：定性尺寸：管内径di。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。按上式计算出后，再乘以一校正因子2024/5/13）流体在圆形直管内呈过渡流）流体在圆形直管内呈过渡流对于Re=230010000时的过渡流范围，先按湍流的公式计算，然后再乘以校正系数f。4）流体在弯管内作强制对流）流体在弯管内作强制对流 2024/5/15）流体在非圆形管中作强制对流）流体在非圆形管中作强制对流对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是要将圆管内径改为当量直径de。套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：应用范围：Re=12000220000，d1/d2=1.6517 定性尺寸：当量直径de定性温度：流体进出口温度的算术平均值。2024/5/12、流体在管外强制对流、流体在管外强制对流2024/5/11）流体在管束外强制垂直流动）流体在管束外强制垂直流动2024/5/1流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数应用范围：特征尺寸：管外径d0，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距离应在（x1-d0）和2（t-d0）两者中取小者。注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。2024/5/12）流体在换热器的管间流动）流体在换热器的管间流动 当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时，壳方的对流传热系数关联式为：a)多诺呼(Donohue)法2024/5/1应用范围：Re=32104定性尺寸：管外径d0，流速取换热器中心附近管排中最窄通道处的速度定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。b)凯恩（Kern）法2024/5/1应用范围：Re=2103106 定性尺寸：当量直径de。定性温度：除w取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：2024/5/1管子呈正方形排列时：管子呈三角形排列时：管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算 2024/5/13、自然对流、自然对流对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在表4-9中。定性温度：壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。2024/5/14、提高对流传热系数的途径、提高对流传热系数的途径1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系数，并且Re，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数2024/5/1与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比，在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果更为显著。3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比。2024/5/1设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。4)不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具体情况选择最佳的流速。5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此时能耗增加。2024/5/11、蒸汽冷凝时的对流传热系数、蒸汽冷凝时的对流传热系数 1）蒸汽冷凝的方式）蒸汽冷凝的方式 a)膜状冷凝：若冷凝液能够浸润壁面，在壁面上形成一完整的液膜 b)滴状冷凝：若冷凝液体不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下 四、流体有相变时的对流传热系数四、流体有相变时的对流传热系数2024/5/12024/5/1 2）膜状冷凝的传热系数）膜状冷凝的传热系数a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝假设：冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。2024/5/1修正后 定性尺寸：H取垂直管或板的高度。定性温度：蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物性取液膜平均温度。应用范围：2024/5/1若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：若膜层为湍流（Re1800）时滞流时，Re值增加，减小；湍流时，Re值增加，增大；2024/5/12024/5/1b)蒸汽在水平管外冷凝 c)蒸汽在水平管束外冷凝2024/5/13）影响冷凝传热的因素）影响冷凝传热的因素a）冷凝液膜两侧的温度差t当液膜呈滞流流动时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷凝传热系数降低。b）流体物性液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。c)蒸汽的流速和流向蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使增大；蒸汽和液膜逆向流动，减小，摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，急剧增大；2024/5/1d)蒸汽中不凝气体含量的影响蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮盖，增加了一层附加热阻，使急剧下降。e)冷凝壁面的影响若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传热系数下降。例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜逐渐增厚，因此下面管子的要比上排的为低。冷凝面的表面情况对影响也很大，若壁面粗糙不平或有氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，下降。2024/5/12024/5/12、液体沸腾时的对流传热系数、液体沸腾时的对流传热系数 液体沸腾 大容积沸腾 管内沸腾 1）沸腾曲线）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，较小，且随温度升高较慢。当t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局部位置称为气化核心。气泡产生的速度t随上升而增加，急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。2024/5/12024/5/1当t再增大，加热面的气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜。当t在增大，由于加热面具有很高温度，辐射的影响愈来愈显著，又随之增大，这段称为稳定的膜状沸腾。由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点C称为临界点。临界点所对应的温差、热通量、对流传热系数分别称为临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作。2024/5/12）沸腾传热系数的计算）沸腾传热系数的计算式中符号的意义见教材p181。（1）由于影响比较复杂，难以从理论上进行推导，一般采用量纲分析法。以下是教材介绍的两个常用计算式（当然还有其它的计算式）：2024/5/1或3）影响沸腾传热的因素）影响沸腾传热的因素a)液体性质的影响一般情况下，随、的增加而加大，而随和增加而减小。（2）式中符号的意义见教材p182。2024/5/1b）温度差t的影响 c)操作压强的影响提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同t的下，传热系数增加。d)加热表面的影响新的或清洁的加热面，较高。当壁面被油脂沾污后，会使急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。2024/5/11、热辐射、热辐射 热辐射：物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。辐射传热：不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程。2、热射线、热射线 热射线：可见光线和红外光线统称为热射线。服从反射定律和折射定律。能在均一介质中作直线传播。在真空和大多数的气体（惰性气体和对称的双原子气体）中热射线可以完全透过。第第五五节节 辐射传热辐射传热一、基本概念一、基本概念2024/5/13、热辐射对物体的作用、热辐射对物体的作用 A=QA/Q 物体的吸收率 R=QR/Q物体的反射率 D=QD/Q 物体的透过率 2024/5/1 4、黑体、镜体、透热体和灰体、黑体、镜体、透热体和灰体黑体（绝对黑体）：能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体 镜体（绝对白体）：能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体 透热体：能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体 灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 灰体的特点：灰体的特点：它的吸收率A不随辐射线的波长而变。它不是透热体，即A+R=1,D=0。2024/5/1物体发射能力：物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。用E表示，单位：W/m2。单色辐射能力：单位表面积、单位时间内的发射某一特定波长的能力。二、物体的发射能力二、物体的发射能力 斯帝芬斯帝芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律2024/5/1绝对黑体的单色发射能力E0随波长的变化的规律：2024/5/1当=0时，单色发射能力E0均等于零；波长增加时，单色发射能力也随之增加，达到一最高值后，E0又随的增加而减小；=时，又回到零。黑体的发射能力 斯蒂芬斯蒂芬-波尔茨曼定律波尔茨曼定律 2024/5/1黑体的发射常数或斯蒂芬波尔茨曼常数黑体的发射系数绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。灰体的发射能力E：C：灰体的发射系数，取决于物体性质、表面情况和温度。2024/5/1黑度（发射率）：同一温度下，灰体的发射能力与黑体发射能力的比值2024/5/1三、克希霍夫定律三、克希霍夫定律 2024/5/1克希霍夫定律克希霍夫定律 一切物体的发射能力与其吸收率得比值均相等，且等于同温度下的绝对黑体的发射能力，其值只与温度有关。由和在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数2024/5/11、两无限大平行灰体壁面之间的相互辐射两无限大平行灰体壁面之间的相互辐射 从壁面1辐射和反射的能量之和E1四、两固体间的相互辐射四、两固体间的相互辐射2024/5/12024/5/1同理，从壁面2辐射和反射的能量之和E2：2024/5/12024/5/1C1-2总发射系数2024/5/1在面积均为A相距很小的平行面间的辐射传热速率为：当两平行壁面间距离与表面积相比不是很小时，辐射传热速率应写为：2024/5/1C1-2：物体1对物体2的总发射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。例：车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室内温度为27。为了减少热损失，在炉门前50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。：几何因子或角度系数，表示从辐射面积A所发射出的能量为另一物体表面所拦截的分数。数值与两表面的形状、大小、相互位置以及距离有关。2024/5/1解解：(1)放置铝板前因辐射损失的热量取铸铁的黑度为2024/5/1（2）放置铝板后因辐射损失的热量用下标1、2和i分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为TiK，则铝板向房间辐射的热量为：2024/5/1式中：炉门对铝板的辐射传热可视为两无限大平板之间的传热，故放置铝板后因辐射损失的热量为：2024/5/1式中：当传热达到稳定时，2024/5/1放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为：结结论论：设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法，而且挡板材料的黑度愈低，挡板的层数愈多，则热损失愈少。2024/5/1设备的热损失等于对流传热和辐射传热之和。由于对流散失的热量：由于辐射而散失的热量：设备向大气辐射传热，六、辐射、对流联合传热六、辐射、对流联合传热 2024/5/1改成对流传热系数的形式辐射传热系数2024/5/1总热损失量为：对流辐射联合传热系数对于有保温层的设备、管道等，外面对周围环境的对流、辐射联合传热系数可用近似公式估算。2024/5/1