第四章_傳熱過程及換熱器

1、化學(xué)與材料工程學(xué)院第四章第四章傳熱過程及換熱器傳熱過程及換熱器蔣天智蔣天智化學(xué)與材料工程學(xué)院4.1 化工生產(chǎn)中的傳熱過程及換熱器化工生產(chǎn)中的傳熱過程及換熱器 1、化工生產(chǎn)中的傳熱過程化工生產(chǎn)中的傳熱過程傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞傳熱是自然界和工程領(lǐng)域中較為普遍的一種傳遞過程，通常來說有溫度差的過程，通常來說有溫度差的 存在就有熱的傳遞，存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在是實(shí)現(xiàn)傳熱的也就是說溫差的存在是實(shí)現(xiàn)傳熱的 前提條件或者前提條件或者說是推動(dòng)力，在化工中很多過程都直接或間接的說是推動(dòng)力，在化工中很多過程都直接或間接的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的與傳熱有關(guān)。但是進(jìn)行傳熱的 目的

2、不外乎是以下目的不外乎是以下三種：三種： 1.加熱或冷卻加熱或冷卻 2.換熱換熱 3.保溫保溫可見，傳熱過程是普遍存在的。可見，傳熱過程是普遍存在的。 化學(xué)與材料工程學(xué)院2 2、 傳熱基本方式傳熱基本方式 一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只要存在溫度差一個(gè)物系或一個(gè)設(shè)備只要存在溫度差就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒有外功加入時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，當(dāng)沒有外功加入時(shí)，熱量熱量 就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳遞到就總是會(huì)自動(dòng)地從高溫物體傳遞到低溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳低溫物體。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)傳熱，對(duì)流傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)傳熱，對(duì)流傳熱和熱輻射?；どa(chǎn)中碰到的各種傳熱和熱輻射?；ど?/p>

3、產(chǎn)中碰到的各種傳熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式。熱現(xiàn)象都屬于這三種基本方式?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院（1 1）傳導(dǎo)傳熱）傳導(dǎo)傳熱 一個(gè)物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高一個(gè)物體的兩部分連續(xù)存在溫差，熱就要從高溫部分向低溫部分傳遞，直到個(gè)部分的溫度相等溫部分向低溫部分傳遞，直到個(gè)部分的溫度相等為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。為止，這種傳熱方式就稱為熱傳導(dǎo)。物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的物質(zhì)的三態(tài)均可以充當(dāng)熱傳導(dǎo)介質(zhì)，但導(dǎo)熱的機(jī)理因物質(zhì)種類不同而異，具體為：機(jī)理因物質(zhì)種類不同而異，具體為： 固體金屬：自由電子運(yùn)動(dòng)在晶格之間；固體金屬：自由電子運(yùn)動(dòng)在晶格之間； 液體和非金屬固體：個(gè)別分子的動(dòng)量傳遞

4、；液體和非金屬固體：個(gè)別分子的動(dòng)量傳遞； 氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。氣體：分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院（2 2） 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引熱對(duì)流是指物體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)的位移而引起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱起的熱量交換，熱對(duì)流是流體所特有的一種傳熱的方式，即存在氣體或液體中，在固體中的方式，即存在氣體或液體中，在固體中 不存不存在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生的在這種傳熱方式。其中只有流體的質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生的相對(duì)位移。據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然相對(duì)位移。據(jù)引起對(duì)流的原因不同可分為：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。 熱對(duì)流與流體運(yùn)動(dòng)狀

5、況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有熱對(duì)流與流體運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)，熱對(duì)流還伴隨有流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)，工程上通常將流體與固體之間的熱交換稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和之間的熱交換稱為對(duì)流傳熱，即包含了熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。熱對(duì)流。化學(xué)與材料工程學(xué)院（3 3）輻射傳熱）輻射傳熱 熱輻射是一種通過電磁波傳遞能熱輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。一切物體都能以這種方量的過程。一切物體都能以這種方式傳遞能量，而不借助任何傳遞介式傳遞能量，而不借助任何傳遞介質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要質(zhì)。通常在高溫下熱輻射才是主要方式。方式。化學(xué)與材料工程學(xué)院3、間壁式換熱器、間壁式換熱器單程列管式

6、換熱器單程列管式換熱器1 外殼外殼 2管束管束 3、4接管接管 5封頭封頭 6管板管板 7擋板擋板 化學(xué)與材料工程學(xué)院 套管式換熱器套管式換熱器1內(nèi)管內(nèi)管 2外管外管熱熱冷冷間壁間壁化學(xué)與材料工程學(xué)院雙程列管式換熱器雙程列管式換熱器1殼體殼體 2管束管束 3擋板擋板 4隔板隔板化學(xué)與材料工程學(xué)院4.2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱傳熱的一些基本概念傳熱的一些基本概念1 1、溫度場(chǎng)、溫度場(chǎng) 物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況，稱為溫度場(chǎng)。由于物物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況，稱為溫度場(chǎng)。由于物體內(nèi)任一點(diǎn)的溫度是該點(diǎn)的位置和時(shí)間的函數(shù)，因而溫度場(chǎng)可體內(nèi)任一點(diǎn)的溫度是該點(diǎn)的位置和時(shí)間的函數(shù)，因而溫度場(chǎng)可表為：表為：t=f(x,

7、y,z,) 式中式中 t-溫度；溫度；x,y,z-任一點(diǎn)的空間座標(biāo)；任一點(diǎn)的空間座標(biāo)；-時(shí)間；時(shí)間； 如果溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變化，此溫度場(chǎng)稱為不如果溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變化，此溫度場(chǎng)稱為不穩(wěn)定溫度場(chǎng)，如果各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化，則稱為穩(wěn)定溫度穩(wěn)定溫度場(chǎng)，如果各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化，則稱為穩(wěn)定溫度場(chǎng)，由于物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況一般都比較復(fù)雜，因而一場(chǎng)，由于物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況一般都比較復(fù)雜，因而一般情況下很難找到其數(shù)學(xué)表達(dá)式。般情況下很難找到其數(shù)學(xué)表達(dá)式?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 2 2、等溫面、等溫面 在某個(gè)時(shí)刻相同溫度的各點(diǎn)所組成的平面稱為在某個(gè)時(shí)刻相同溫度的各點(diǎn)所組成的平面稱

8、為等溫面。等溫面可以是平面，也可以是一曲面，本課程中所等溫面。等溫面可以是平面，也可以是一曲面，本課程中所指的等溫面一般是平面。指的等溫面一般是平面。 3 3、溫度梯度、溫度梯度 從任一點(diǎn)起，沿等溫面移動(dòng)，由于溫度不發(fā)從任一點(diǎn)起，沿等溫面移動(dòng)，由于溫度不發(fā)生變化，因而無熱量傳遞；而沿與等溫面相交的任何方向移生變化，因而無熱量傳遞；而沿與等溫面相交的任何方向移動(dòng)，溫度要發(fā)生變化，即有熱量傳遞，這種溫度隨距離的變動(dòng)，溫度要發(fā)生變化，即有熱量傳遞，這種溫度隨距離的變化在與等溫面垂直的方向最大。如圖所示化在與等溫面垂直的方向最大。如圖所示?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 對(duì)于冷熱流體分別流過管外和管內(nèi)時(shí)發(fā)生的對(duì)于

9、冷熱流體分別流過管外和管內(nèi)時(shí)發(fā)生的熱量傳遞的情況，其傳熱面積為熱量傳遞的情況，其傳熱面積為A=dLA=dL，d d可可為管內(nèi)徑或外徑，為管內(nèi)徑或外徑，L L為管長(zhǎng)，可人為指定，如為管長(zhǎng)，可人為指定，如圖中的圖中的B B。4、傳熱面積、傳熱面積A 在傳熱在傳熱過程中，垂直于熱量過程中，垂直于熱量傳遞方向的截面積，傳遞方向的截面積，稱為傳熱面積，以稱為傳熱面積，以A表表示。對(duì)于平面壁，傳示。對(duì)于平面壁，傳熱面積即為熱面積即為A，如圖，如圖3-6中的中的A；化學(xué)與材料工程學(xué)院 5、傳熱速率、傳熱速率Q 單位時(shí)間內(nèi)通過全部傳熱面單位時(shí)間內(nèi)通過全部傳熱面積所傳遞的熱量稱為傳熱速率以積所傳遞的熱量稱為傳熱

10、速率以Q表示，單表示，單位為位為J/s或或w即瓦。顯然，即瓦。顯然，Q數(shù)值的大小即表數(shù)值的大小即表示傳熱過程的快與慢。示傳熱過程的快與慢。 6、恒壓比熱、恒壓比熱Cp 指壓強(qiáng)恒定時(shí)（常指指壓強(qiáng)恒定時(shí)（常指1atm絕對(duì)壓）單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高絕對(duì)壓）單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高1K時(shí)所需的時(shí)所需的熱量，單位為熱量，單位為J/kgK。Cp值一般是溫度的函值一般是溫度的函數(shù)，但本課程把它作常數(shù)來處理，或者采用數(shù)，但本課程把它作常數(shù)來處理，或者采用平均值。平均值?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 7、定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱、定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱 與流體流動(dòng)中有與流體流動(dòng)中有定態(tài)定態(tài)流動(dòng)和非流動(dòng)和非定態(tài)定態(tài)流動(dòng)一樣，流動(dòng)一樣，

11、傳熱過程有定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱，若傳熱系傳熱過程有定態(tài)傳熱與非定態(tài)傳熱，若傳熱系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度僅隨著位置變化而不隨時(shí)間變統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度僅隨著位置變化而不隨時(shí)間變化，則稱此傳熱過程為定化，則稱此傳熱過程為定態(tài)態(tài)傳熱。其特點(diǎn)是單傳熱。其特點(diǎn)是單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面積的熱量是常量，即傳熱位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面積的熱量是常量，即傳熱速率不變。連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)過程中的傳熱一般屬速率不變。連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)過程中的傳熱一般屬于定于定態(tài)態(tài)傳熱。若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既隨位傳熱。若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既隨位置變化又隨時(shí)間變化，則稱此傳熱過程為非定置變化又隨時(shí)間變化，則稱此傳熱過程為非定態(tài)傳熱過程，在這種情況下，傳熱速率不再是

12、態(tài)傳熱過程，在這種情況下，傳熱速率不再是常量，它隨時(shí)間而變化，因而較復(fù)雜。間歇生常量，它隨時(shí)間而變化，因而較復(fù)雜。間歇生產(chǎn)以及連續(xù)生產(chǎn)中開車和停車階段的傳熱都屬產(chǎn)以及連續(xù)生產(chǎn)中開車和停車階段的傳熱都屬于非定態(tài)傳熱。于非定態(tài)傳熱?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 8 8、加熱劑與冷卻劑、加熱劑與冷卻劑 在傳熱過程中，按照傳熱的目的可將載在傳熱過程中，按照傳熱的目的可將載熱體分為加熱劑和冷卻劑。用來對(duì)物料進(jìn)熱體分為加熱劑和冷卻劑。用來對(duì)物料進(jìn)行加熱的載熱體，稱為加熱劑，常用來作行加熱的載熱體，稱為加熱劑，常用來作加熱劑的有蒸汽和熱水等；反之，用來使加熱劑的有蒸汽和熱水等；反之，用來使物料冷卻的載熱體，稱為冷卻劑

13、，常用來物料冷卻的載熱體，稱為冷卻劑，常用來作冷卻劑的有冷水，空氣等；如果要把物作冷卻劑的有冷水，空氣等；如果要把物料的溫度降到料的溫度降到00以下，此時(shí)的冷卻劑又稱以下，此時(shí)的冷卻劑又稱冷凍劑，如液氨等。在什么樣的條件下，冷凍劑，如液氨等。在什么樣的條件下，使用何種物質(zhì)作加熱劑或冷卻劑，是需要使用何種物質(zhì)作加熱劑或冷卻劑，是需要仔細(xì)的權(quán)衡和選擇。仔細(xì)的權(quán)衡和選擇?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院1 1、傳導(dǎo)傳熱的基本方程式、傳導(dǎo)傳熱的基本方程式-傅立葉定律傅立葉定律在一質(zhì)量均勻的平板內(nèi)，當(dāng)在一質(zhì)量均勻的平板內(nèi)，當(dāng)t t1 1 t t2 2熱量以導(dǎo)熱熱量以導(dǎo)熱方式通過物體方式通過物體, ,從從t t1 1向

14、向t t2 2方向傳遞方向傳遞, ,如圖所示。如圖所示?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 取熱流方向微分長(zhǎng)度取熱流方向微分長(zhǎng)度d d，在，在dtdt的瞬時(shí)傳遞的的瞬時(shí)傳遞的熱量為熱量為Q Q，實(shí)驗(yàn)證明，單位時(shí)間內(nèi)通過平板傳導(dǎo)的，實(shí)驗(yàn)證明，單位時(shí)間內(nèi)通過平板傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度和傳熱面積成正比，即：熱量與溫度梯度和傳熱面積成正比，即： dQdAdQdAdt/ddt/d寫成等式為：寫成等式為： dQ/d= -Adt/ d = Q/ = -Adt/ d式中式中 Q-Q-導(dǎo)熱速率，導(dǎo)熱速率，w;A-w;A-導(dǎo)熱面積，導(dǎo)熱面積，m m2 2；dt/ddt/d- -溫度梯度，溫度梯度，K/mK/m；-比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱

15、比例系數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，系數(shù)，w/mw/mK K；由于溫度梯度的方向指向溫度升高；由于溫度梯度的方向指向溫度升高的方向，而熱流方向與之相反，稱為導(dǎo)熱基本方的方向，而熱流方向與之相反，稱為導(dǎo)熱基本方程式，也稱為傅立葉定律，對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱和不穩(wěn)程式，也稱為傅立葉定律，對(duì)于穩(wěn)定導(dǎo)熱和不穩(wěn)定導(dǎo)熱均適用。定導(dǎo)熱均適用?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物質(zhì)的物理性導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。導(dǎo)熱系數(shù)質(zhì)之一。導(dǎo)熱系數(shù)的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好。物的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好。物質(zhì)的導(dǎo)熱性能，也就是質(zhì)的導(dǎo)熱性能，也就是數(shù)值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、數(shù)

16、值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度以及壓力等有關(guān)。密度、溫度以及壓力等有關(guān)。的物理意義為：當(dāng)溫度梯的物理意義為：當(dāng)溫度梯度為度為1K/m時(shí)，每秒鐘通過時(shí)，每秒鐘通過1m2的導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，的導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，其單位為其單位為W/mK或或W/m。各種物質(zhì)的各種物質(zhì)的可用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。一般來說，金屬的可用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定。一般來說，金屬的值最大，固體非金屬的值最大，固體非金屬的值較小，液體更小，而氣體的值較小，液體更小，而氣體的值最小。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍如下：值最小。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍如下： 金屬金屬 2.3420 w/mK； 建筑材料建筑材料 0.253 w/m

17、K 絕緣材料絕緣材料 0.0250.25 w/mK；液體液體 0.090.6 w/mK 氣體氣體 0.0060.4 w/mK?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 物物 料料 w/m 物物 料料w/m鋁鋁204204石棉石棉0.150.15紫銅紫銅6565混凝土混凝土1.281.28黃銅黃銅9393絨毛毯絨毛毯0.0460.046銅銅383383松木松木0.140.140.380.38鉛鉛3535建筑用磚砌建筑用磚砌0.70.70.80.8鋼鋼4545耐火磚砌耐火磚砌1.041.04不銹鋼不銹鋼1717絕熱磚砌絕熱磚砌0.120.120.120.12鑄鐵鑄鐵4545909085%85%氧化鎂粉氧化鎂粉0.070

18、.07銀銀411411鋸木屑鋸木屑0.070.07鎳鎳8888軟木軟木0.0430.043鋁鋁204204石棉石棉0.150.15化學(xué)與材料工程學(xué)院2、間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo)、間壁式換熱器壁面的熱傳導(dǎo) (1) (1) 平面壁的平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)定態(tài)熱傳導(dǎo)同一材料的單層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其同一材料的單層平面壁，在定態(tài)傳熱條件下，其熱導(dǎo)率不隨時(shí)間發(fā)生變化，傳熱面的溫度僅沿垂熱導(dǎo)率不隨時(shí)間發(fā)生變化，傳熱面的溫度僅沿垂直于壁面的熱量傳遞方向變化、但不隨時(shí)間變化。直于壁面的熱量傳遞方向變化、但不隨時(shí)間變化?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院，傳熱面積，傳熱面積A A和導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù) 也是常量，也是常量，按

19、按傅里葉定律分離變量并積分可得傅里葉定律分離變量并積分可得 = Q/= Q/= A(t= A(t1 1-t-t2 2)/)/ 化學(xué)與材料工程學(xué)院(2)圓筒壁的定態(tài)傳熱圓筒壁的定態(tài)傳熱 圓筒的內(nèi)半徑為圓筒的內(nèi)半徑為r1,外半徑外半徑為為r2，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。若在半徑。若在半徑為為r處取一微分厚度處取一微分厚度dr，則，則傳熱面積傳熱面積A=2rL可以看成可以看成是常數(shù)。由傅立葉定律，是常數(shù)。由傅立葉定律，通過這一微分厚度通過這一微分厚度dr的圓的圓筒壁的導(dǎo)熱速率為：筒壁的導(dǎo)熱速率為：=-Adtd =-2rldt/dr化學(xué)與材料工程學(xué)院將將作常數(shù)處理，則可積分：作常數(shù)處理，則可積分：22112r

20、trtdrldtr 12212()1/lnl ttrr整理得：改寫之 = 122()/ml ttr 12/()mmtttAA 12rr2121lnmrrrrr2121lnmAAAAA筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時(shí)，即筒壁面的半徑較大且其厚度較薄時(shí)，即 2的情況下，的情況下，可以用算術(shù)平均值取代對(duì)數(shù)平均值計(jì)算圓筒壁的可以用算術(shù)平均值取代對(duì)數(shù)平均值計(jì)算圓筒壁的rm和和Am， 21/rr化學(xué)與材料工程學(xué)院(3)(3)多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo) A1 2 3 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3= =ti ii iAi化學(xué)與材料工程學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院過程的總推動(dòng)力為各層推動(dòng)

21、力之和，總阻過程的總推動(dòng)力為各層推動(dòng)力之和，總阻力為各層熱阻之和力為各層熱阻之和，即對(duì)多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，傳熱推動(dòng)力和傳熱阻力具有熱推動(dòng)力和傳熱阻力具有加和性。加和性。由過程分析還可得到： 此式說明多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫此式說明多層壁面的定態(tài)熱傳導(dǎo)，各分層溫度降與該層的熱阻呈正比。度降與該層的熱阻呈正比。 這些結(jié)論也適用于多層圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)。這些結(jié)論也適用于多層圓筒壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)。 化學(xué)與材料工程學(xué)院多層圓筒壁多層圓筒壁 與多層平面壁相同的推導(dǎo)方法，從單層圓筒壁與多層平面壁相同的推導(dǎo)方法，從單層圓筒壁的熱傳導(dǎo)公式可推得多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)公式如的熱傳導(dǎo)公式可推得多層圓筒壁的熱傳導(dǎo)公

22、式如下：下：化學(xué)與材料工程學(xué)院4.34.3 對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱 1 1、對(duì)流傳熱的機(jī)理、對(duì)流傳熱的機(jī)理 對(duì)流傳熱是流體各部份質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀的對(duì)流傳熱是流體各部份質(zhì)點(diǎn)發(fā)生宏觀的相對(duì)位移所產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量的相對(duì)位移所產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)來傳遞熱量的過程。在化工生產(chǎn)中常遇到流體流經(jīng)固體過程。在化工生產(chǎn)中常遇到流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，溫度較高的熱流體將熱量傳遞給壁面時(shí)，溫度較高的熱流體將熱量傳遞給固體壁面，或溫度較高的固體壁面將熱量固體壁面，或溫度較高的固體壁面將熱量傳遞給流經(jīng)它的冷流體。這兩種情況都屬傳遞給流經(jīng)它的冷流體。這兩種情況都屬于對(duì)流傳熱，工程中常稱為給熱于對(duì)流傳熱，工程中常稱為給熱 ?；瘜W(xué)與材料

23、工程學(xué)院 由于對(duì)流傳熱是在流體流動(dòng)過程中發(fā)生的熱量傳遞由于對(duì)流傳熱是在流體流動(dòng)過程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，而且流體流動(dòng)過程中又與固體壁面接觸，那么流體現(xiàn)象，而且流體流動(dòng)過程中又與固體壁面接觸，那么流體流動(dòng)的狀況就與對(duì)流傳熱有密切的關(guān)系。流體流經(jīng)固體壁流動(dòng)的狀況就與對(duì)流傳熱有密切的關(guān)系。流體流經(jīng)固體壁面時(shí)，形成流動(dòng)邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度；當(dāng)流體面時(shí)，形成流動(dòng)邊界層，邊界層內(nèi)存在速度梯度；當(dāng)流體呈湍流流動(dòng)時(shí)形成湍流邊界層，但靠近壁面處總有一層滯呈湍流流動(dòng)時(shí)形成湍流邊界層，但靠近壁面處總有一層滯流內(nèi)層（或稱為層流底層）存在。在此薄層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)是流內(nèi)層（或稱為層流底層）存在。在此薄層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)是沿

24、管壁成平行運(yùn)動(dòng)的而互不相混的滯流流動(dòng)。無論是熱流沿管壁成平行運(yùn)動(dòng)的而互不相混的滯流流動(dòng)。無論是熱流體把熱量傳遞給壁面，還是壁面把熱量傳遞給流經(jīng)它的冷體把熱量傳遞給壁面，還是壁面把熱量傳遞給流經(jīng)它的冷流體，都必然要通過滯流內(nèi)層。流體作湍流流動(dòng)時(shí)，主體流體，都必然要通過滯流內(nèi)層。流體作湍流流動(dòng)時(shí)，主體流中各部份質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、混合、作不規(guī)則的脈動(dòng)，并有流中各部份質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、混合、作不規(guī)則的脈動(dòng)，并有旋渦生成，溫度趨于一致，故熱阻很小。而在滯流內(nèi)層中，旋渦生成，溫度趨于一致，故熱阻很小。而在滯流內(nèi)層中，層與層的流體不發(fā)生徑向的相互位移，無任何宏觀的混合。層與層的流體不發(fā)生徑向的相互位移，無任何宏觀的

25、混合。熱量?jī)H能通過傳導(dǎo)傳熱的方式通過滯流內(nèi)層。由于流體的熱量?jī)H能通過傳導(dǎo)傳熱的方式通過滯流內(nèi)層。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)小，故滯流內(nèi)層的熱阻大，通過滯流內(nèi)層的溫度導(dǎo)熱系數(shù)小，故滯流內(nèi)層的熱阻大，通過滯流內(nèi)層的溫度急劇下降。急劇下降。 化學(xué)與材料工程學(xué)院 對(duì)流傳熱時(shí)沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r及傳熱邊界對(duì)流傳熱時(shí)沿?zé)崃鞣较虻臏囟确植记闆r及傳熱邊界層的厚度層的厚度化學(xué)與材料工程學(xué)院對(duì)流傳熱方程式對(duì)流傳熱方程式-牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律根據(jù)以上對(duì)對(duì)流傳熱機(jī)理的分析，可將復(fù)根據(jù)以上對(duì)對(duì)流傳熱機(jī)理的分析，可將復(fù)雜的對(duì)流傳熱過程用較為成熟的導(dǎo)熱原理雜的對(duì)流傳熱過程用較為成熟的導(dǎo)熱原理來處理。據(jù)傅立葉定律，當(dāng)高溫流體

26、與固來處理。據(jù)傅立葉定律，當(dāng)高溫流體與固體壁面對(duì)流傳熱時(shí)，可得：體壁面對(duì)流傳熱時(shí)，可得：由于傳熱邊界層厚度難以確定。工程上令：由于傳熱邊界層厚度難以確定。工程上令： h=/h=/t t =hA(T-t) =hAtA-傳熱面積；傳熱面積；m2T-熱流體主體溫度，熱流體主體溫度，K；t-冷流體主體溫度，冷流體主體溫度，K；h-表面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，傳熱系數(shù)，W/（m2K););t -冷熱流體溫差冷熱流體溫差;= A(t1-t2)/化學(xué)與材料工程學(xué)院2 2、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取、對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素及其求取傳熱系數(shù)傳熱系數(shù) 在對(duì)流傳熱機(jī)理的分析中，把對(duì)流傳熱看作是通在對(duì)流傳熱機(jī)理的分析中，把

27、對(duì)流傳熱看作是通過熱邊界層的導(dǎo)熱，而熱邊界層一般情況下是很薄的。過熱邊界層的導(dǎo)熱，而熱邊界層一般情況下是很薄的。它象一層很薄的膜它象一層很薄的膜 一樣附在傳熱壁上，故傳熱分系一樣附在傳熱壁上，故傳熱分系數(shù)又稱為傳熱膜系數(shù)。傳熱分系數(shù)的物理意義，可由數(shù)又稱為傳熱膜系數(shù)。傳熱分系數(shù)的物理意義，可由牛頓冷卻定律得到牛頓冷卻定律得到 傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)h表示當(dāng)流體與壁面間的溫度差為表示當(dāng)流體與壁面間的溫度差為1K時(shí)，時(shí)，單位時(shí)間通過單位傳熱面積所能傳遞的熱量。顯然，單位時(shí)間通過單位傳熱面積所能傳遞的熱量。顯然，h越大，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量就越多，所以傳熱越大，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量就越多，所以傳熱系數(shù)反映

28、對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。系數(shù)反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。 h=At化學(xué)與材料工程學(xué)院傳熱情況傳熱情況h h范圍范圍h h常用值常用值備注備注蒸汽的滴狀冷凝蒸汽的滴狀冷凝40000400001200001200004000040000蒸汽的膜狀冷凝蒸汽的膜狀冷凝5000500015000150001000010000氨的冷凝氨的冷凝93009300臥式冷凝器臥式冷凝器 苯蒸汽冷凝苯蒸汽冷凝70070016001600C C3 3C C4 4的冷凝的冷凝93093012401240汽油的冷凝汽油的冷凝93093012101210水的沸騰水的沸騰1000100030000300003000300050005000強(qiáng)

29、制對(duì)流有強(qiáng)制對(duì)流有較大值較大值 水的加熱或冷卻水的加熱或冷卻2002005000500040040010001000油的加熱或冷卻油的加熱或冷卻505010001000200200500500一些流體的一些流體的h h值值W/W/（m m2 2K K）化學(xué)與材料工程學(xué)院影響傳熱分系數(shù)的因素影響傳熱分系數(shù)的因素 實(shí)驗(yàn)證明，影響傳熱分系數(shù)的主要因素有：實(shí)驗(yàn)證明，影響傳熱分系數(shù)的主要因素有： （1） 流體的流動(dòng)型態(tài)流體的流動(dòng)型態(tài) 流體的流動(dòng)型態(tài)分為滯流和湍流，流體的流動(dòng)型態(tài)分為滯流和湍流，這兩種型態(tài)的傳熱機(jī)理有本質(zhì)的不同。滯流時(shí)傳熱過程以導(dǎo)這兩種型態(tài)的傳熱機(jī)理有本質(zhì)的不同。滯流時(shí)傳熱過程以導(dǎo)熱方式進(jìn)

30、行，傳熱強(qiáng)度低，傳熱分系數(shù)小，湍流時(shí)傳熱過程熱方式進(jìn)行，傳熱強(qiáng)度低，傳熱分系數(shù)小，湍流時(shí)傳熱過程以對(duì)流方式進(jìn)行，傳熱強(qiáng)度高，傳熱分系數(shù)大。在一定的流以對(duì)流方式進(jìn)行，傳熱強(qiáng)度高，傳熱分系數(shù)大。在一定的流道內(nèi)，流動(dòng)時(shí)型態(tài)由道內(nèi)，流動(dòng)時(shí)型態(tài)由Re數(shù)決定，數(shù)決定，Re數(shù)越大，流體的湍動(dòng)程度數(shù)越大，流體的湍動(dòng)程度越大，滯流底層越薄，傳熱邊界層也越薄，傳熱分系數(shù)就越越大，滯流底層越薄，傳熱邊界層也越薄，傳熱分系數(shù)就越大。大。 對(duì)一定的流體和設(shè)備來說。對(duì)一定的流體和設(shè)備來說。Re數(shù)主要決定于流體的流速數(shù)主要決定于流體的流速u。因此，若使因此，若使Re數(shù)提高，必然會(huì)使流體的流速增加，流動(dòng)阻力數(shù)提高，必然會(huì)使流

31、體的流速增加，流動(dòng)阻力也會(huì)增加，消耗于流體的輸送功率亦隨之增加。為了防止功也會(huì)增加，消耗于流體的輸送功率亦隨之增加。為了防止功率消耗過大，通常要使熱交換器里流體的率消耗過大，通常要使熱交換器里流體的Re數(shù)在數(shù)在50000以下。以下。對(duì)于粘度很高的流體即使對(duì)于粘度很高的流體即使Re數(shù)在數(shù)在50000時(shí)，功率消耗也過大，時(shí)，功率消耗也過大，只能采用較小的只能采用較小的Re數(shù)。數(shù)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院（2）流體的對(duì)流情況）流體的對(duì)流情況 分自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是分自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。自然對(duì)流是由于密度差而引起的流動(dòng)，流速較低；而強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，流由于密度差而引起的流動(dòng)，流速較低；而強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，流體

32、是在處力強(qiáng)制作用下流動(dòng)，流速較大。因此，強(qiáng)制對(duì)流體是在處力強(qiáng)制作用下流動(dòng)，流速較大。因此，強(qiáng)制對(duì)流有較大的傳熱分系數(shù)。有較大的傳熱分系數(shù)。（3）流體的物理性質(zhì)）流體的物理性質(zhì) 流體的物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過程也有流體的物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過程也有影響。影響較大的物性參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)影響。影響較大的物性參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、比熱cp、密度、密度、和粘度和粘度等。其中等。其中、cp、值增大對(duì)傳熱有利，而值增大對(duì)傳熱有利，而值增大值增大則對(duì)傳熱過程不利。這些物性參數(shù)又都是溫度的函數(shù)，當(dāng)則對(duì)傳熱過程不利。這些物性參數(shù)又都是溫度的函數(shù)，當(dāng)流體和壁面間的溫度差比較大時(shí)，同一截面上流體的溫度流體和壁面間的溫度差比較

33、大時(shí)，同一截面上流體的溫度分布就會(huì)發(fā)生明顯變化，引起物性參數(shù)的變化，從而對(duì)傳分布就會(huì)發(fā)生明顯變化，引起物性參數(shù)的變化，從而對(duì)傳熱過程產(chǎn)生影響。熱過程產(chǎn)生影響。 流體在管內(nèi)被加熱時(shí)，管壁附近的流體層（傳熱邊界層）流體在管內(nèi)被加熱時(shí)，管壁附近的流體層（傳熱邊界層）的溫度就會(huì)比管道中心處流體的溫度高。對(duì)于液體，溫度的溫度就會(huì)比管道中心處流體的溫度高。對(duì)于液體，溫度升高會(huì)使粘度下降，從而使流體的流速增加，滯流底層厚升高會(huì)使粘度下降，從而使流體的流速增加，滯流底層厚度減小，對(duì)傳熱過程有利。反之，若流體在管內(nèi)被冷卻，度減小，對(duì)傳熱過程有利。反之，若流體在管內(nèi)被冷卻，則會(huì)對(duì)傳熱過程不利。對(duì)氣體來說，溫度變化

34、不僅影響到則會(huì)對(duì)傳熱過程不利。對(duì)氣體來說，溫度變化不僅影響到氣體的粘度，還影響到氣體的密度，情況更為復(fù)雜。氣體的粘度，還影響到氣體的密度，情況更為復(fù)雜?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 （4）傳熱面的形狀、大小和位置）傳熱面的形狀、大小和位置 流體流流體流過曲面或局部障礙地方，由于出現(xiàn)邊界層過曲面或局部障礙地方，由于出現(xiàn)邊界層分離，漩渦而使湍動(dòng)更加激烈。這樣，流分離，漩渦而使湍動(dòng)更加激烈。這樣，流體微團(tuán)的漩渦運(yùn)動(dòng)能更深地滲入到鄰近壁體微團(tuán)的漩渦運(yùn)動(dòng)能更深地滲入到鄰近壁面的地方，使滯流底層厚度減薄。因此，面的地方，使滯流底層厚度減薄。因此，傳熱壁面的形狀、大小和位置對(duì)傳熱過程傳熱壁面的形狀、大小和位置對(duì)傳熱過

35、程都有影響。流體在管外橫向流過管束時(shí)，都有影響。流體在管外橫向流過管束時(shí)，從滯流向湍流過渡的臨界從滯流向湍流過渡的臨界Re數(shù)只在數(shù)只在200左左右，管子尺寸愈小，則邊界層脫離愈早，右，管子尺寸愈小，則邊界層脫離愈早，邊界層愈薄，因此，傳熱分系數(shù)越大。這邊界層愈薄，因此，傳熱分系數(shù)越大。這個(gè)結(jié)論對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)也相同。個(gè)結(jié)論對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)也相同。 化學(xué)與材料工程學(xué)院準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)的形式準(zhǔn)數(shù)的形式準(zhǔn)數(shù)的物理涵義準(zhǔn)數(shù)的物理涵義ReRe雷諾雷諾ReynoldsReynoldsRe=du/Re=du/流體流動(dòng)形態(tài)和湍動(dòng)程度流體流動(dòng)形態(tài)和湍動(dòng)程度P rP r 普 蘭 德普 蘭 德PrandtlPrandtlPr=

36、CPr=Cp p/流體的物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳流體的物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱的影響熱的影響GrGr格拉斯霍夫格拉斯霍夫GrashofGrashofGr=LGr=L3 32 2ggt/t/2 2自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)自然對(duì)流對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響的影響N uN u 努 賽 爾努 賽 爾NusseltNusseltNu=hNu=hd/d/被決定準(zhǔn)數(shù)，包括有對(duì)流被決定準(zhǔn)數(shù)，包括有對(duì)流傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)。反映的準(zhǔn)數(shù)。反映對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度無因次準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義無因次準(zhǔn)數(shù)符號(hào)及意義化學(xué)與材料工程學(xué)院式中各準(zhǔn)數(shù)所含的物理量：式中各準(zhǔn)數(shù)所含的物理量：h-對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)流傳熱系數(shù)，w/m2K；u-流速

37、，流速，m/s；-流體的密度，流體的密度，kg/m3；d-傳熱壁面上有代表性的幾何尺寸，可以是管內(nèi)徑，管外傳熱壁面上有代表性的幾何尺寸，可以是管內(nèi)徑，管外徑或平板高度，徑或平板高度，m；-導(dǎo)熱數(shù)，導(dǎo)熱數(shù)，w/mk；-流體的粘度，流體的粘度，kg/ms；Cp-流體的定壓比熱，流體的定壓比熱，J/kgk；-流體的體積膨脹系數(shù)，流體的體積膨脹系數(shù)，1/或或1/K；g-重力加速度，重力加速度，m/s2；t-流體與壁面的溫度差，流體與壁面的溫度差，或或K。化學(xué)與材料工程學(xué)院 a a、無相變，強(qiáng)制對(duì)流時(shí)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式、無相變，強(qiáng)制對(duì)流時(shí)傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式流體在圓管中作強(qiáng)制湍流時(shí)，流體在圓管中作強(qiáng)制

38、湍流時(shí)，GrGr準(zhǔn)數(shù)影響可忽略，準(zhǔn)數(shù)影響可忽略，故：故： Nu=f(Re,Pr)Nu=f(Re,Pr)對(duì)于氣體和粘度小于水粘度兩倍的液體，可采用下對(duì)于氣體和粘度小于水粘度兩倍的液體，可采用下式計(jì)算傳熱分系數(shù)：式計(jì)算傳熱分系數(shù)： Nu=0.023ReNu=0.023Re0.80.8PrPrn n 或或 h應(yīng)用范圍：（應(yīng)用范圍：（1）Re104；（；（2）Pr=0.7120；（；（3 3）管子的長(zhǎng)徑）管子的長(zhǎng)徑比比L/d 50L/d 50；（4 4）定性溫度取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值；）定性溫度取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值；（5 5）管內(nèi)流體被加熱時(shí)，）管內(nèi)流體被加熱時(shí)，n=0.4n=0.4；管

39、內(nèi)流體被冷卻時(shí)，；管內(nèi)流體被冷卻時(shí)，n=0.3n=0.3；（6 6）d d為管子內(nèi)徑為管子內(nèi)徑化學(xué)與材料工程學(xué)院 b、有相變時(shí)的傳熱系數(shù)、有相變時(shí)的傳熱系數(shù) 化工生產(chǎn)中蒸餾、蒸發(fā)、用蒸汽加熱、冷凝等操作中化工生產(chǎn)中蒸餾、蒸發(fā)、用蒸汽加熱、冷凝等操作中都涉及有相變情況下的對(duì)流傳熱過程，下面分別介紹沸騰都涉及有相變情況下的對(duì)流傳熱過程，下面分別介紹沸騰和冷凝時(shí)的情況和冷凝時(shí)的情況 。 如液體通過固體壁面被加熱而沸騰時(shí)，液體吸收大量如液體通過固體壁面被加熱而沸騰時(shí)，液體吸收大量的熱而發(fā)生相變，沸騰傳熱過程中最主要的特征是液體內(nèi)的熱而發(fā)生相變，沸騰傳熱過程中最主要的特征是液體內(nèi)部有氣泡生成。在一般情況

40、下氣液兩相處于平衡狀態(tài)，液部有氣泡生成。在一般情況下氣液兩相處于平衡狀態(tài)，液體的沸點(diǎn)等于該液體所處壓力下相對(duì)應(yīng)的飽和溫度體的沸點(diǎn)等于該液體所處壓力下相對(duì)應(yīng)的飽和溫度ts。如。如果固體壁面的溫度高于液體的飽和溫度果固體壁面的溫度高于液體的飽和溫度ts,則就可能發(fā)生沸則就可能發(fā)生沸騰。如果液體的溫度低于飽和溫度騰。如果液體的溫度低于飽和溫度ts，則這個(gè)過程稱為過，則這個(gè)過程稱為過冷沸騰或局部沸騰。如果液體保持飽和溫度，這樣的過程冷沸騰或局部沸騰。如果液體保持飽和溫度，這樣的過程就是通常所說的飽和沸騰或整體。就是通常所說的飽和沸騰或整體?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 以水為例，如圖中，在自然對(duì)流區(qū)，當(dāng)壁面溫度

41、以水為例，如圖中，在自然對(duì)流區(qū)，當(dāng)壁面溫度tw與與1atm下水的飽和溫度下水的飽和溫度ts的溫差較小，靠近壁面的液體是略微過熱的，由于溫度相對(duì)高些，體積的溫差較小，靠近壁面的液體是略微過熱的，由于溫度相對(duì)高些，體積膨脹，密度下降，形成自然對(duì)流，當(dāng)液體上升到表面時(shí)就發(fā)生氣化。在區(qū)膨脹，密度下降，形成自然對(duì)流，當(dāng)液體上升到表面時(shí)就發(fā)生氣化。在區(qū)域域、泡核沸騰區(qū)內(nèi)，由于溫差加大，在加熱的固體壁面上某些凸凹不平、泡核沸騰區(qū)內(nèi)，由于溫差加大，在加熱的固體壁面上某些凸凹不平的過熱度較大的點(diǎn)上形成氣泡，這些形成氣泡的點(diǎn)稱為氣化核心，當(dāng)形成的過熱度較大的點(diǎn)上形成氣泡，這些形成氣泡的點(diǎn)稱為氣化核心，當(dāng)形成氣泡核

42、心后，由于壁溫較高，周圍過熱液體的溫度也略高于氣泡內(nèi)的溫度，氣泡核心后，由于壁溫較高，周圍過熱液體的溫度也略高于氣泡內(nèi)的溫度，熱量不斷傳入，使氣泡周圍的液體繼續(xù)氣化而體積不斷增大，當(dāng)氣泡長(zhǎng)大熱量不斷傳入，使氣泡周圍的液體繼續(xù)氣化而體積不斷增大，當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到某一直徑后它就會(huì)脫離壁面上升。到某一直徑后它就會(huì)脫離壁面上升。 h化學(xué)與材料工程學(xué)院 開始?xì)馀莺苌伲S著溫度差的加大，氣泡的形成加快，開始?xì)馀莺苌?，隨著溫度差的加大，氣泡的形成加快，由于氣泡脫離壁面上升，讓出的空間被周圍溫度較低的液體由于氣泡脫離壁面上升，讓出的空間被周圍溫度較低的液體所占據(jù)，又生成氣泡。從一批氣泡脫離壁面到另一批氣泡在所占據(jù)

43、，又生成氣泡。從一批氣泡脫離壁面到另一批氣泡在壁面上生成，有一段重新過熱的間隔時(shí)間，也隨溫度差的加壁面上生成，有一段重新過熱的間隔時(shí)間，也隨溫度差的加大而氣泡減少，這樣氣泡不斷的形成，長(zhǎng)大和脫離壁面引起大而氣泡減少，這樣氣泡不斷的形成，長(zhǎng)大和脫離壁面引起靠近壁面的滯流內(nèi)層的劇烈的攪動(dòng)，從而使液體沸騰（有相靠近壁面的滯流內(nèi)層的劇烈的攪動(dòng)，從而使液體沸騰（有相變）的對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大得多。當(dāng)變）的對(duì)流傳熱系數(shù)比無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)大得多。當(dāng)tw-ts溫度差再增大，氣泡的形成是那樣迅速，以致大量氣泡溫度差再增大，氣泡的形成是那樣迅速，以致大量氣泡在加熱壁面上匯合，形成一層蒸汽膜

44、把壁面遮蓋起來。蒸汽在加熱壁面上匯合，形成一層蒸汽膜把壁面遮蓋起來。蒸汽膜阻止液體與壁面接觸，而壁面的熱量必然通過這層蒸汽膜膜阻止液體與壁面接觸，而壁面的熱量必然通過這層蒸汽膜才能傳遞到液體中去從而使對(duì)流傳熱系數(shù)降低。這就是第才能傳遞到液體中去從而使對(duì)流傳熱系數(shù)降低。這就是第區(qū)域膜狀沸騰。而當(dāng)溫度差再加大，由于加熱壁面有很高的區(qū)域膜狀沸騰。而當(dāng)溫度差再加大，由于加熱壁面有很高的溫度，輻射的影響加大，對(duì)流傳熱系數(shù)又增大。溫度，輻射的影響加大，對(duì)流傳熱系數(shù)又增大?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 在冷凝過程中，管壁或板壁的溫度比蒸汽的飽和溫度低，則在冷凝過程中，管壁或板壁的溫度比蒸汽的飽和溫度低，則冷凝液就在管

45、或板壁面上形成。當(dāng)飽和蒸汽在壁面冷凝時(shí)放出冷凝液就在管或板壁面上形成。當(dāng)飽和蒸汽在壁面冷凝時(shí)放出潛熱，凝結(jié)為液體。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下潛熱，凝結(jié)為液體。冷凝液在壁面上形成后就在重力作用向下流動(dòng)，如果冷凝液能潤(rùn)濕壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力流動(dòng)，如果冷凝液能潤(rùn)濕壁面而形成平滑的液膜，液膜在重力作用下聚厚而流下，這種冷凝稱為膜狀冷凝。在膜狀冷凝時(shí)放作用下聚厚而流下，這種冷凝稱為膜狀冷凝。在膜狀冷凝時(shí)放出的潛熱就要通過液膜才能傳遞給冷卻壁面。在液膜中存在溫出的潛熱就要通過液膜才能傳遞給冷卻壁面。在液膜中存在溫度梯度，故這層液膜就有一定的熱阻。若液體不潤(rùn)濕壁面，在度梯度，故這層液膜

46、就有一定的熱阻。若液體不潤(rùn)濕壁面，在壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成雜亂無章的珠滴，壁面上冷凝液不是形成液膜而是在壁面上形成雜亂無章的珠滴，并在重力作用下沿壁面落下，這種過程稱為滴狀凝結(jié)。由于滴并在重力作用下沿壁面落下，這種過程稱為滴狀凝結(jié)。由于滴狀冷凝的固體壁面大部分面積直接暴露在蒸汽中，故滴狀冷凝狀冷凝的固體壁面大部分面積直接暴露在蒸汽中，故滴狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)要高。為了使對(duì)流的對(duì)流傳熱系數(shù)比膜狀冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)要高。為了使對(duì)流傳熱系數(shù)高，就必須使冷凝保持滴狀冷凝。為此采取不同的表傳熱系數(shù)高，就必須使冷凝保持滴狀冷凝。為此采取不同的表面涂層和蒸汽添加劑，

47、使液滴不能潤(rùn)濕冷凝壁面。面涂層和蒸汽添加劑，使液滴不能潤(rùn)濕冷凝壁面。 無論是沸騰或冷凝，相變一側(cè)的傳熱分系數(shù)的值都很大，故無論是沸騰或冷凝，相變一側(cè)的傳熱分系數(shù)的值都很大，故在一般的傳熱計(jì)算中，相變一側(cè)的熱阻可忽略不計(jì)。在一般的傳熱計(jì)算中，相變一側(cè)的熱阻可忽略不計(jì)?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 例例: 列管式冷凝器中，用水冷凝有有機(jī)物蒸汽，水以列管式冷凝器中，用水冷凝有有機(jī)物蒸汽，水以0.5m/s的的流速在流速在252的鋼管中流動(dòng)，進(jìn)出管的溫度分別為的鋼管中流動(dòng)，進(jìn)出管的溫度分別為20和和40。試求管壁對(duì)水的傳熱分系數(shù)試求管壁對(duì)水的傳熱分系數(shù)。 解：據(jù)題意水在圓直管中流動(dòng)，須判斷其流動(dòng)型態(tài)，水的定解：據(jù)

48、題意水在圓直管中流動(dòng)，須判斷其流動(dòng)型態(tài)，水的定性溫度為：性溫度為：t定定(20+40)/2=3030的水的各種物性數(shù)據(jù)查附表得：的水的各種物性數(shù)據(jù)查附表得：=995.7kg/m3 =80.0710-5Pas CP=4.174kJ/kg =61.7610-2w/m 以上條件滿足以上條件滿足Dittus公式，水被加公式，水被加熱，熱，n=0.4，將各項(xiàng)數(shù)值代入：，將各項(xiàng)數(shù)值代入： h=0.023(61.7610-2/2110-3)130570.85.410.4=2607w/m2=2.607kw/m2化學(xué)與材料工程學(xué)院 4.44.4間壁式熱交換體計(jì)算間壁式熱交換體計(jì)算 1 1、傳熱、傳熱總方程總方程

49、 化工生產(chǎn)中最常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁向冷化工生產(chǎn)中最常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁向冷流體傳熱的過程。該過程稱為熱交換或換熱，這種間壁流體傳熱的過程。該過程稱為熱交換或換熱，這種間壁兩側(cè)流體的傳熱如圖所示。兩側(cè)流體的傳熱如圖所示。 當(dāng)冷、熱流體分別從間壁（管壁或當(dāng)冷、熱流體分別從間壁（管壁或平面壁）兩側(cè)流過的時(shí)候熱流體一邊流動(dòng)平面壁）兩側(cè)流過的時(shí)候熱流體一邊流動(dòng)溫度逐漸降低，而冷流體則一邊流動(dòng)溫度溫度逐漸降低，而冷流體則一邊流動(dòng)溫度逐漸升高。很顯然，熱流體將熱量從熱流逐漸升高。很顯然，熱流體將熱量從熱流體主體以對(duì)流傳熱的方式傳遞給間壁，而體主體以對(duì)流傳熱的方式傳遞給間壁，而后熱量以導(dǎo)熱

50、的方式從間壁的一側(cè)傳向另后熱量以導(dǎo)熱的方式從間壁的一側(cè)傳向另一側(cè)，最后熱量從冷流體一側(cè)的間壁以一側(cè)，最后熱量從冷流體一側(cè)的間壁以 對(duì)對(duì)流傳熱的方式傳遞到冷流體的主體，這就流傳熱的方式傳遞到冷流體的主體，這就是熱交換的總的過程。整個(gè)傳熱過程由對(duì)是熱交換的總的過程。整個(gè)傳熱過程由對(duì)流流-導(dǎo)熱導(dǎo)熱-對(duì)流三個(gè)部分串聯(lián)組成，因而對(duì)流三個(gè)部分串聯(lián)組成，因而整個(gè)過程也稱總傳熱。整個(gè)過程也稱總傳熱?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 1 2 3 1 = h1A(T-Tw)=2 = A(A(Tw-t-tw w)/)/= Tw-t-tw/w/T-Tw1h1A = 1 =2 =3=T-t/A A 13 = tw - t /h2A

51、111+h1A1A Ah2A2 =KAt化學(xué)與材料工程學(xué)院 2、傳熱系數(shù)、傳熱系數(shù)K 例例: 夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為夾套反應(yīng)釜的內(nèi)徑為800mm，釜壁碳鋼板，釜壁碳鋼板厚厚8mm(=50w/mk),襯搪瓷厚襯搪瓷厚3mm（1.0w/mk)，夾套中通入飽和蒸汽，夾套中通入飽和蒸汽（=10000w/m2k)，蒸汽溫度為，蒸汽溫度為120，釜內(nèi)，釜內(nèi)有機(jī)物（有機(jī)物（=250w/m2k)溫度為溫度為80，試求該，試求該條件下的條件下的K值。值。化學(xué)與材料工程學(xué)院 3 3、傳熱過程平均溫度差、傳熱過程平均溫度差 傳熱平均溫度差傳熱平均溫度差tm是指熱交換器里參予熱交換的冷熱是指熱交換器里參予熱交換的冷熱流體

52、溫度的差值。根據(jù)兩流體沿傳熱壁面流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度的流體溫度的差值。根據(jù)兩流體沿傳熱壁面流動(dòng)時(shí)各點(diǎn)溫度的變化，可分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩種情況，現(xiàn)分別予以討變化，可分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩種情況，現(xiàn)分別予以討論。論。 (1)(1)、定態(tài)恒溫傳熱、定態(tài)恒溫傳熱 若兩側(cè)流體皆為恒溫，此時(shí)傳熱平均溫度差就顯得十分簡(jiǎn)若兩側(cè)流體皆為恒溫，此時(shí)傳熱平均溫度差就顯得十分簡(jiǎn)單，即為兩流體溫度之差：?jiǎn)?，即為兩流體溫度之差： t tm m=T-t=T-t 這種情況是很特殊的，它只是在間壁兩側(cè)的流體均發(fā)生相變這種情況是很特殊的，它只是在間壁兩側(cè)的流體均發(fā)生相變的情況才出現(xiàn)。例如傳熱壁的一側(cè)飽和蒸汽冷凝另一側(cè)則是的情況才

53、出現(xiàn)。例如傳熱壁的一側(cè)飽和蒸汽冷凝另一側(cè)則是液體沸騰氣化，在化工中在蒸發(fā)和蒸餾中就會(huì)有這種恒溫傳液體沸騰氣化，在化工中在蒸發(fā)和蒸餾中就會(huì)有這種恒溫傳熱的例子。熱的例子。化學(xué)與材料工程學(xué)院 (2)、定態(tài)變溫傳熱、定態(tài)變溫傳熱 間壁兩側(cè)流體的溫度隨傳熱面位置而變，這種情況稱為變間壁兩側(cè)流體的溫度隨傳熱面位置而變，這種情況稱為變溫傳熱，這是熱交換中較為常見的情形。溫傳熱，這是熱交換中較為常見的情形。 變溫傳熱時(shí)，兩流體的溫度差變溫傳熱時(shí)，兩流體的溫度差t t也是沿傳熱壁面不斷變也是沿傳熱壁面不斷變化的。因此，傳熱計(jì)算中應(yīng)使用平均溫度差化的。因此，傳熱計(jì)算中應(yīng)使用平均溫度差t tm m，t tm m是

54、指整是指整個(gè)傳熱壁面的溫度差的平均值。個(gè)傳熱壁面的溫度差的平均值。t tm m計(jì)算方法不僅與冷熱流體計(jì)算方法不僅與冷熱流體的進(jìn)出口溫度有關(guān)，還與熱交換器中冷熱流體的相對(duì)流動(dòng)方向的進(jìn)出口溫度有關(guān)，還與熱交換器中冷熱流體的相對(duì)流動(dòng)方向有關(guān)。生產(chǎn)中常見的流體流向有四種類型，如圖所示。有關(guān)。生產(chǎn)中常見的流體流向有四種類型，如圖所示。（1）并流）并流 參與熱交換的參與熱交換的兩流體流向相同。兩流體流向相同。 （2）逆流）逆流 參與熱交換的參與熱交換的兩流體流向相反。兩流體流向相反。（3）錯(cuò)流）錯(cuò)流 參與熱交換的參與熱交換的兩流體流向相互垂直。兩流體流向相互垂直。（4）折流）折流 分簡(jiǎn)單折流和分簡(jiǎn)單折流和

55、復(fù)雜折流兩種情況。復(fù)雜折流兩種情況。 化學(xué)與材料工程學(xué)院 錯(cuò)流和折流的情況比較復(fù)雜，本課程不予討論，僅討論錯(cuò)流和折流的情況比較復(fù)雜，本課程不予討論，僅討論并流和逆流傳熱平均溫度差的計(jì)算。并流和逆流傳熱平均溫度差的計(jì)算。 化學(xué)與材料工程學(xué)院 122112121212lnlnmttTTtttttTttT 121212111222lnlnmttTTtttttTttT 化學(xué)與材料工程學(xué)院 平均溫差平均溫差: 例例: 在套管式換熱器中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，熱流體溫度從在套管式換熱器中，冷熱流體進(jìn)行熱交換，熱流體溫度從120降到降到70，冷流體溫度由，冷流體溫度由20升到升到60，試比較并流與逆，試比較并

56、流與逆流的傳熱平均溫度差。流的傳熱平均溫度差。解：并流傳熱時(shí)：解：并流傳熱時(shí)： t1=120-20=100120-70 t2=70-60=1020-60 tm=(100-10)/ln(100/10)=39.1逆流傳熱時(shí)：逆流傳熱時(shí)：120-70 t1=120-60=6060100即可達(dá)到湍流。 1 流體流經(jīng)的路徑選擇流體流經(jīng)的路徑選擇(一) 選用和設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題選擇的原則化學(xué)與材料工程學(xué)院系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用252.5mm,192mm兩種規(guī)格的管子。鋼管長(zhǎng)度多為6米，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用的管長(zhǎng)有1.5、2、3、6米四種規(guī)格，其中以3米和6米最為普遍。換熱管的排列方式有等邊三角形和正方形兩種，等邊三

57、角形排列比正方形排列更為緊湊, 但正方形排列的管束清洗方便。換熱管規(guī)格及排列換熱管規(guī)格及排列抓住主要矛盾進(jìn)行選擇，例如，首先從流體的壓力、腐蝕性及清洗等方面的要求來考慮，然后再考慮滿足其他方面的要求?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院折流擋板折流擋板化學(xué)與材料工程學(xué)院 確定流動(dòng)路徑，根據(jù)任務(wù)計(jì)算傳熱負(fù)荷，確定流體進(jìn)、出的溫度，選定換熱器形式，計(jì)算定性溫度，查取物性，計(jì)算平均溫差，根據(jù)溫度校正系數(shù)不小于0.8的原則，確定殼程數(shù)。 依據(jù)總傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際選定總傳熱系數(shù)K估值，估算傳熱面積A估。選定換熱器的基本尺寸，如管徑、管長(zhǎng)、管數(shù)及排列等；若選用，在標(biāo)準(zhǔn)中選擇換熱器型號(hào)。 計(jì)算管程和殼程的壓降，

58、根據(jù)初選設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管、殼程流體壓降，檢查結(jié)果是否滿足工藝要求，若壓降不合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或擋板間距，或選擇另一規(guī)格的設(shè)備，重新計(jì)算壓降至滿足要求。(二二) 列管換熱器的選用和設(shè)計(jì)的步驟列管換熱器的選用和設(shè)計(jì)的步驟 計(jì)算總傳熱系數(shù)，核算傳熱面積，計(jì)算管、殼程的給熱系數(shù)h1和h2，確定污垢熱阻Rs1和Rs2, 計(jì)算總傳熱系數(shù)K計(jì)，并計(jì)算傳熱面積A計(jì)，比較A估和A計(jì)，若A估/A計(jì)=1.151.25，則初選的設(shè)備合適，否則需另設(shè)K估值，重復(fù)以上步驟?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院 強(qiáng)化傳熱的途徑強(qiáng)化傳熱的途徑 一、增大傳熱面積一、增大傳熱面積A A傳熱速率與傳熱面積成正比，傳熱面積增加可以使傳熱

59、強(qiáng)傳熱速率與傳熱面積成正比，傳熱面積增加可以使傳熱強(qiáng)化。需要注意的是，只有熱交換器單位體積內(nèi)傳熱面積增化。需要注意的是，只有熱交換器單位體積內(nèi)傳熱面積增大，傳熱才能強(qiáng)化。這只有改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)才能做到。例大，傳熱才能強(qiáng)化。這只有改進(jìn)傳熱面結(jié)構(gòu)才能做到。例如，采用小直徑管，或采用翅片管、螺紋管等代替光滑管，如，采用小直徑管，或采用翅片管、螺紋管等代替光滑管，可以提高單位體積熱交換器的傳熱面積。我國(guó)浮頭式熱交可以提高單位體積熱交換器的傳熱面積。我國(guó)浮頭式熱交換器系列由換器系列由2525管改為管改為1919管后，在殼徑管后，在殼徑D=500D=500900mm900mm時(shí)，時(shí)，傳熱面積可增加傳熱面積可

60、增加42%42%，單位傳熱面積的金屬消耗量可降低，單位傳熱面積的金屬消耗量可降低212131%31%。一些新型的熱交換器，象板式、翅片式在增大。一些新型的熱交換器，象板式、翅片式在增大傳熱面積方面取得了較好的效果。列管式熱交換器每立方傳熱面積方面取得了較好的效果。列管式熱交換器每立方米體積內(nèi)的傳熱面積為米體積內(nèi)的傳熱面積為4040160m160m2 2, ,而板式熱交換器每立方而板式熱交換器每立方米體積內(nèi)能布置的傳熱面積為米體積內(nèi)能布置的傳熱面積為2502501500m1500m2 2, ,板翅式更高，板翅式更高，一般能達(dá)到一般能達(dá)到2500m2500m2 2, ,高的可達(dá)高的可達(dá)4350m4