化工原理 傳熱

第五章傳熱

第一節(jié)概述1、化工生產(chǎn)的傳熱問題化工生產(chǎn)需要大規(guī)模地改變物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，而這些性質(zhì)的變化大都涉及熱能的傳遞。傳熱：有溫差存在時，熱量由高溫物體傳向低溫物體生活中的傳熱現(xiàn)象：暖氣、空調(diào)、風(fēng)扇等（1）加熱或冷卻；（2）換熱；

（3）保溫（或保冷）

涉及傳熱的單元操作:蒸發(fā),蒸餾,干燥等熱源和冷源（1）熱源：電加熱：便于控制、使用方便、清潔，價格昂貴飽和蒸汽：其優(yōu)點(diǎn)是飽和水蒸汽的冷凝溫度和壓強(qiáng)有一一對應(yīng)關(guān)系，調(diào)節(jié)水蒸汽的壓強(qiáng)就可以控制加熱溫度，使用方便。但使用溫度受限，蒸汽溫度通常不超過180℃，此時對應(yīng)壓力為1MPa。煙道氣：溫度可高達(dá)700℃，可將物料加熱到較高溫度，但傳熱速度慢，溫度不易控制。（2）冷源：水、空氣、冷凍鹽水等。2、熱量傳遞的方式熱傳導(dǎo)：發(fā)生在基本靜止的物體中，其原因是通過物質(zhì)的分子、原子和電子的振動、位移和相互碰撞發(fā)生能量的傳遞。在金屬中自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動對于導(dǎo)熱起主導(dǎo)作用。對流傳熱：流體質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）發(fā)生宏觀相對位移而引起的傳熱現(xiàn)象，發(fā)生在流動的物體中，化工中常見的是流體流過固體表面的傳熱；熱輻射：不需要中間媒介物，熱以電磁波的形式傳給另一物體，物體全部或部分吸收電磁波并轉(zhuǎn)化為熱能。在高溫情況下，輻射傳熱成為主要傳熱方式。3、典型的換熱設(shè)備直接混合式傳熱：冷熱兩種流體直接接觸，在混合過程中進(jìn)行熱交換。不常用，如涼水塔。蓄熱式傳熱：設(shè)備內(nèi)裝有蓄熱用的填充物，冷、熱流體交替通過蓄熱材料進(jìn)行熱量交換。間壁式換熱：參與傳熱的兩種流體被隔開在固體間壁的兩側(cè)，冷、熱兩流體在不直接接觸的條件下通過固體間壁進(jìn)行熱量的交換。套管式換熱器冷溶液進(jìn)冷溶液出熱溶液進(jìn)熱溶液出列管式換熱器單程列管式換熱器雙程列管式換熱器12336654457傳熱面積冷熱兩種流體通過列管換熱器的管壁進(jìn)行熱量交換，管壁表面積即為傳熱面積，若已知管數(shù)n、管外徑d2和管長l，則可求得基于管外表面的傳熱面積：若換熱管內(nèi)徑為d1，管程數(shù)為m，則管程流體的流通截面積為：4、傳熱過程的基本問題⑴載熱體用量的確定；⑵設(shè)計新的換熱器；⑶核算現(xiàn)有換熱器的傳熱性能；⑷強(qiáng)化或削弱傳熱的方法。解決這些問題需要兩個基本關(guān)系式熱量恒算式若忽略過程熱損失傳熱速率關(guān)系傳熱速率(熱流量)Q：單位時間內(nèi)所交換的熱量(W)傳熱通量(熱流密度)q：單位時間單位傳熱面積上傳遞的熱量(W/m2)傳熱速率與傳熱推動力成正比，與傳熱阻力成反比，即穩(wěn)定傳熱：傳熱系統(tǒng)中各處溫度只隨位置變化，與時間無關(guān)，T=f(x,y,z)不穩(wěn)定傳熱：傳熱系統(tǒng)中各處溫度既隨位置變化，也隨時間而變，T=f(x,y,z,θ)。以下主要討論穩(wěn)定傳熱5、穩(wěn)定傳熱和不穩(wěn)定傳熱第二節(jié)固體中的熱傳導(dǎo)一、導(dǎo)熱速率方程――傅立葉定律物體或系統(tǒng)內(nèi)兩點(diǎn)間的溫度差是熱傳導(dǎo)的必要條件。熱傳導(dǎo)是靜止物體的一種傳熱方式。1、溫度場與溫度梯度（1）溫度場：T=f(x,y,z,θ)，描述任一時刻，物體各點(diǎn)的溫度分布情況。對穩(wěn)定導(dǎo)熱，物體各點(diǎn)溫度均不隨時間而變化，故溫度場的表達(dá)式變?yōu)椋篢=f(x,y,z)一維穩(wěn)定導(dǎo)熱：溫度僅沿一個坐標(biāo)方向而變的情況（2）等溫面：物體內(nèi)具有相同溫度的點(diǎn)連成的曲面。同一等溫面上無傳熱現(xiàn)象（適用于不發(fā)生相變的情況）（3）溫度梯度：兩等溫面溫差與垂直距離之比的極限（或叫等溫面法線方向上的溫度變化率）對一維導(dǎo)熱：溫度梯度＝dt/dy溫度梯度是向量，其方向垂直于等溫面，并以溫度增加的方向為正。熱量傳遞的方向與溫度降低的方向一致，與溫度梯度的方向相反。2、傅立葉定律熱傳導(dǎo)的宏觀規(guī)律為：導(dǎo)熱速率與物體內(nèi)的溫度梯度及導(dǎo)熱面積成正比，即或?qū)σ痪S穩(wěn)定導(dǎo)熱－－傅立葉定律負(fù)號表示q與溫度梯度方向相反上式中比例系數(shù)k，稱為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)也常用希臘字母λ表示3、導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)，k值的大小反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，值越大，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。k與物質(zhì)的溫度、密度、結(jié)構(gòu)、組成和壓強(qiáng)等有關(guān)k值的影響因素（1）物質(zhì)的化學(xué)組成不同，即不同種類的物質(zhì)，k不同；（2）同種物質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，k不同；（3）同種物質(zhì)，所處狀態(tài)不同，k不同；（4）材料處于不同的溫度，k不同；固體的導(dǎo)熱系數(shù)：純金屬：良導(dǎo)體，依靠自由電子遷移傳導(dǎo)熱能，導(dǎo)熱能力大。T↑則k↓，合金的導(dǎo)熱系數(shù)一般較純金屬低非金屬：依靠晶格振動傳導(dǎo)熱能，導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)小于金屬。T↑則k↑對大多數(shù)的固體，其導(dǎo)熱系數(shù)在一定的溫度范圍內(nèi)與溫度成直線關(guān)系，可用下式表示:k0固體在0℃時的導(dǎo)熱系數(shù)，α溫度系數(shù)，對大多數(shù)金屬材料為負(fù)值；而對大多數(shù)非金屬固體材料為正值。液體的導(dǎo)熱系數(shù)主要依靠分子熱振蕩導(dǎo)熱，通常導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于固體。液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)>水＞非金屬液體，T↑，則k↓，水和甘油除外各種物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍:(單位W/(m·K)

)金屬1~400建筑材料0.1~1絕熱材料0.01~0.1液體0.1~0.6氣體0.005~0.05氣體的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱機(jī)理主要是分子隨機(jī)熱運(yùn)動，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，對導(dǎo)熱不利，但有利于絕熱、保溫。T↑則k↑，一般與壓強(qiáng)無關(guān)，數(shù)量級10-2

二、通過平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)bxoQAT1T21、通過單層平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱(P86)

（1）厚度b<<長和寬（2）k為常數(shù)，或取平均值（3）忽略邊緣的傳熱，因而是一維導(dǎo)熱（4）壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的x方向變化，溫度場為一維溫度場，即所有的等溫面都是垂直于x軸的平面由傅立葉定律若x=0和x=b處的溫度分別為T1

和T2，則對A積分，得平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱的熱流量正比于內(nèi)外壁面的溫差和傳熱面積，反比于壁厚。對T和x積分，得討論：1、速率＝推動力/阻力，即式中R為熱阻，可見熱阻與傳熱距離、導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱面積有關(guān)。2、當(dāng)k＝const時，T與x成線性關(guān)系2、通過多層平壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱（1）界面接觸良好，可忽略層間空氣熱阻（2）各層的k1、k2、k3均為常數(shù)（3）各層界面溫度分別為t1、t2、t3、t4，厚度分別為b1、b2、b3假定三層平壁由于是穩(wěn)定導(dǎo)熱Q＝Q1＝Q2＝Q3，所以有由等比定律得討論：（1）導(dǎo)熱速率Q＝總溫差/總熱阻，與物理中的Ω定律相似I＝U/R熱阻大的層，其上的溫差也大（說明保溫材料要求熱阻大）（2）k一定，Q與各層放置次序無關(guān)（3）對n層【例】工廠某工業(yè)爐的爐壁，由下列三層組成：耐火磚k1=1.4W/(m·K)，b1=225mm保溫磚k2=0.15W/(m·K)，b2=115mm保溫磚k3=0.8W/(m·K)，b3=225mm今測得其內(nèi)壁溫度為930℃，外壁溫度為55℃，試求：（1）單位面積的熱損失；（2）溫度差在各層中的分配。解：（1）根據(jù)串聯(lián)熱阻的概念，三層爐壁的導(dǎo)熱速率為即爐壁單位面積的熱損失為724W/m2。（2）熱通量的表達(dá)式還可寫成各層的溫差為Δt1=930-813.6=116.4℃

Δt2=813.6-258.6=555℃

Δt3=258.6-55=203.6℃

三、通過圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)通過圓筒壁的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱為工程傳熱問題所常見1、通過單層圓筒壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱(P87)R1R2T1T2LQ假設(shè)(1)圓筒壁內(nèi)外半徑為R1、R2，T1>T2(2)k=const(3)L>>(R2-R1)，沿軸向的散熱可忽略由傅立葉定律先對L積分，L：0→L，Q：0→Q，則分離變量，積分r：R1→R2,T：T1→T2，得討論：（1）取對數(shù)平均半徑：若或（2）當(dāng)R2/R1≤2時，可以Rm=(R1+R2)/2代替對數(shù)平均值圓筒壁穩(wěn)定導(dǎo)熱的熱流量正比于內(nèi)外壁面的溫差和圓筒的對數(shù)平均傳熱面積，反比于壁厚假定（1）r1，r2，r3，r4（2）t1>t2>t3>t4（3）k=const（4）L>>r1，r2，r3，r4，表明是一維導(dǎo)熱（5）層與層之間接觸良好2、通過多層圓筒壁的穩(wěn)定導(dǎo)熱則討論：（1）總熱阻不僅與k有關(guān)，且與各層放置次序有關(guān)（與平壁不同）；保溫時，各保溫層厚度相同時，k小的放里層好還是外層好？（2）雖然各層的速率Q相同，但是q不同(因為面積A不同)；接觸熱阻:多層平壁相接觸時，在接觸面上不可能是理想光滑的，粗糙的界面含空氣必增加傳導(dǎo)的熱阻（因為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小），接觸熱阻使兩接觸面溫度不等。習(xí)題：有一外徑為100mm的鋼管，外面包有兩層導(dǎo)熱系數(shù)不同但厚度均為20mm的保溫材料，其中A材料的導(dǎo)熱系數(shù)為10W/(m·K)，B材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2W/(m·K)，鋼管內(nèi)通水蒸氣，已知鋼管外壁溫度為150℃，最外層保溫層外壁的溫度為50℃，求（1）A材料在內(nèi)層，B材料在外層時每米管長的熱損失；（2）若將B材料置于內(nèi)層，A材料置于外層，求每米管長的熱損失(最外層保溫層外壁的溫度仍為50℃)?！纠?.12】170×5mm的蒸汽管外包有一層厚度為80mm的石棉保溫材料，鋼管和石棉保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)分別為k1=45W/(m·K)和k2=0.21W/(m·K)。當(dāng)管內(nèi)輸送的飽和蒸汽溫度為180℃時，測得保溫層內(nèi)壁溫度為177℃，外壁溫度為40℃，試求：(1)每米管長的熱損失；(2)蒸汽管內(nèi)壁面溫度TW；(3)保溫層距內(nèi)壁為40mm處的溫度及溫度梯度。解：(1)根據(jù)已知的保溫層材料的導(dǎo)熱性質(zhì)和幾何條件，每米管長的熱損失為805mm80mm177oC40oC180oCTW(2)管壁與保溫層系串聯(lián)導(dǎo)熱，通過二者的熱流量必相等，設(shè)蒸汽管內(nèi)壁溫度為TW

，有(3)保溫層內(nèi)r=170/2+40=125mm處的溫度和溫度梯度為第三節(jié)對流傳熱一、概述對流傳熱：又叫給熱(工程術(shù)語)，指流體與固體壁面之間的傳熱分類：對流傳熱有相變傳熱無相變傳熱蒸汽冷凝傳熱液體沸騰傳熱自然對流強(qiáng)制對流

管外對流管內(nèi)對流非圓管道彎管圓管湍流過渡流層流流層流動形態(tài)傳熱方式熱阻溫差層流底層

層流導(dǎo)熱為主

大大緩沖層

過渡流

導(dǎo)熱＋對流

中中湍流主體

湍流

對流為主小小圓管內(nèi)不同流層傳熱情況對比對流傳熱速率與流體性質(zhì)及邊界層的狀況密切相關(guān)。假設(shè)流體與壁面的溫度差全部集中在厚度為δH的有效膜內(nèi)，該膜是一集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜。虛擬膜內(nèi)溫度為線性分布，其內(nèi)緣溫度為粘附在固體壁面上的流體溫度TW，外緣溫度Tb為流體的主體溫度。

二、給熱方程――牛頓冷卻定律(P78)由傅立葉定律：上式中δH是虛擬值，而虛擬膜內(nèi)k也難求取，因此簡化處理則流體被加熱時——牛頓冷卻定律——對流傳熱膜系數(shù)（α）對流傳熱膜系數(shù)，可簡稱為對流傳熱系數(shù)，或稱為給熱系數(shù)h表示在單位溫差下，單位傳熱面積的對流傳熱速率，單位W/(m2·℃)，它反映了對流傳熱的快慢，對流傳熱系數(shù)大的傳熱快。流體被冷卻時牛頓冷卻定律也可寫成討論：（1）在換熱器內(nèi)，h隨管長處處不等，因此取平均值；（2）傳熱面積A，若流體在管內(nèi)流動，則A為管內(nèi)表面積，若在管外，則A為管外表面積；R為給熱熱阻（3）寫成三、給熱系數(shù)的影響因素流體的性質(zhì)及相狀態(tài)：直接影響對流傳熱系數(shù)的物性有流體的導(dǎo)熱系數(shù)k，比熱容Cp，密度ρ和粘度μ,都隨溫度而變，不同相狀態(tài)下物性差別很大。流動狀態(tài)：湍流、層流差很多。引起流動的原因：強(qiáng)制對流或自然對流。傳熱面的形狀、位置與尺寸：如圓管、螺紋管，放置方式（垂直或水平放置），尺寸：如管長、管徑等。傳熱過程中有無相變：有相變，過程復(fù)雜化，多是經(jīng)驗公式。綜上所述，無相變對流時，h=f(u,ρ,l,μ,Cp,k,βg?t)。其中βg?t表征自然對流的影響，是單位質(zhì)量流體的浮力，β是體積膨脹系數(shù)（1/K）四、因次分析法π定理：i=n-mi:獨(dú)立無因次數(shù)群的個數(shù)，n:總變量數(shù)，m:基本因次數(shù)對h=f(u,ρ,l,μ,Cp,k,βg?t)，n=8,m=4，分別是長度L、質(zhì)量M、時間θ和溫度T，∴i=4使用因次分析法得到Nu=f(Re,Pr,Gr)=ARexPryGrz，Nu，給熱準(zhǔn)數(shù)，又叫努塞爾準(zhǔn)數(shù)Re，流型準(zhǔn)數(shù)，又叫雷諾數(shù)Pr，物性準(zhǔn)數(shù)，又叫普朗特數(shù)Gr，升力準(zhǔn)數(shù)，又叫格拉曉夫數(shù)實(shí)驗法求取h時，變化一個準(zhǔn)數(shù)，如改變Re，測不同Re下的Re~Nu關(guān)系，可求出x，以下同。當(dāng)Gr/Re2≤0.1時，忽略Gr的影響，Nu=f(Re,Pr)，此時為強(qiáng)制對流當(dāng)Gr/Re2≥10時，單純自然對流，Nu=f(Re,Gr)，此時為自然對流當(dāng)Gr/Re2大于0.1且小于10時，Pr和Gr都要關(guān)聯(lián)進(jìn)去。注意：（1）公式的適用范圍：Re,Pr,Gr的范圍（2）定型尺寸(特征尺寸)l

的選取：通常取對流動與換熱有主要影響的某一幾何尺寸作為定型尺寸。如管內(nèi)流動取管內(nèi)徑d。（3）定性溫度：定性溫度的選取根據(jù)情況而異，原則上要取一個有代表性的溫度以確定物性參數(shù)的數(shù)值，一般可取液體進(jìn)出口溫度的平均值。五、流體無相變的給熱系數(shù)1、流體強(qiáng)制對流給熱系數(shù)(1)流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流時的對流給熱系數(shù)對低粘度液體（μ≤2mPa·s），在光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流條件下的傳熱實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到的經(jīng)驗方程是公式適用條件：長徑比L/d>30，0.7<Pr<160，Re≥10,000對粘度變化大的油，要求特征尺寸l：管內(nèi)徑d定性溫度：進(jìn)出口溫度的平均值或高粘度或情況下μ和μw分別是流體在主體溫度和壁溫下的粘度。適用條件：Re≥10,000,0.7<Pr<16700,管徑比l/d>60定性尺寸：管內(nèi)徑定性溫度：μw取壁溫作定性溫度，其余取液體進(jìn)出口溫度的平均值。在液體被加熱時有在液體被冷卻時有非圓形管道、入口修正等不要求【例】有一10m長的套管換熱器，在套管環(huán)隙用低壓蒸汽加熱內(nèi)管中流動的液態(tài)苯。苯的質(zhì)量通量為200kg/m2·s

，平均溫度為45℃，內(nèi)管內(nèi)壁溫度為55℃，內(nèi)管內(nèi)徑為45mm，試計算(1)對流傳熱的熱通量；(2)若苯的流量增加50%，在其他條件相同的情況下，對流傳熱的熱通量提高的倍數(shù)。冷溶液進(jìn)熱溶液出低壓蒸汽冷凝水解：該例的傳熱熱阻集中在內(nèi)管一側(cè)。查物性數(shù)據(jù)手冊，45℃時苯的物性常數(shù)為冷溶液進(jìn)熱溶液出低壓蒸汽冷凝水(1)苯的質(zhì)量通量為200kg/(m2·

s)時根據(jù)題設(shè)條件，苯被加熱，n取0.4，則取流體平均溫度與壁溫之差為傳熱推動力，則熱通量為(2)其它條件相同，苯的流量增加50%，即Re2/Re1=1.5，則冷溶液進(jìn)熱溶液出低壓蒸汽冷凝水【例】在一列管換熱器中用水冷卻煤油，冷卻水以39700kg/h的流量從管內(nèi)通過，進(jìn)出口水溫分別為28℃及36℃。已知該換熱器的管子規(guī)格為Φ25×2.5mm，管長6m，每程管子根數(shù)60根。試求：（1）管內(nèi)壁至水的給熱系數(shù)；（2）當(dāng)水流量增加一倍（物理性質(zhì)近似不變）時，給熱系數(shù)的變化。解：（1）先確定管內(nèi)流動狀態(tài)。水在管內(nèi)的平均溫度由附錄查得水在32℃下的物理性質(zhì)：ρ=995kg/m3，k=0.62W/(m·K)，μ=0.7679mPa·s，Pr=5.2計算水在管內(nèi)的流速式中Si為管程流通面積屬湍流流動。已知l/di=6/0.02=300>30,Pr=5.2，符合應(yīng)用條件，水在管內(nèi)被加熱，故n=0.4，于是（2）流量增加一倍，若物性及其它條件不變，仍為湍流，可見所以有流量加倍后，給熱系數(shù)增至原來的1.74倍（2）圓形直管內(nèi)強(qiáng)制層流時的給熱系數(shù)在水平管中，對小管徑（d:10~40mm），低溫差的情況（忽略自然對流）定性：層流h＜湍流h適用條件：Re＜2300，Pr＞0.6定性溫度：μw取壁溫下的值，其他物性參數(shù)取流體進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：管內(nèi)徑di。層流時h較小，因此在工程上盡量避免層流傳熱（3）過渡狀態(tài)下的給熱系數(shù)Re=2300~10000時，可近似采用湍流關(guān)聯(lián)式，其結(jié)果乘以一個小于1的修正系數(shù)注意：(1)分析所處理的問題屬于哪一類，如：是強(qiáng)制對流或是自然對流，是否有相變化等。(2)選定相應(yīng)的對流傳熱系數(shù)計算式時，應(yīng)特別注意所選用的公式所規(guī)定的使用范圍，包括規(guī)定的特性尺寸、定性溫度等。(3)注意公式中物性數(shù)據(jù)的單位，特別是經(jīng)驗式中的單位。(4)一般情況下，對流傳熱系數(shù)值大致如下：換熱方式空氣自然對流氣體強(qiáng)制對流水自然對流h(W/(m2·℃))5~2520~100200~1000水強(qiáng)制對流水蒸汽冷凝有機(jī)蒸汽冷凝水沸騰1000~150005000~15000500~20002500~25000六、有相變的傳熱過程1、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。冷凝放出的熱量可用于冷流體加熱。（1）冷凝方式膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面，在壁面上鋪展成膜。特點(diǎn)：（1）蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面，液膜層為壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻。

（2）冷凝給熱隨液膜厚度、位置而變化滴狀冷凝：凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成小液滴，且不斷成長變大，在下滾過程中合并成更大的液滴，使壁面重新暴露在蒸汽中。特點(diǎn)：滴狀冷凝時沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的5~10倍甚至更高。實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的方法：在壁面上涂一層油類物質(zhì)；在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì)；對管表面進(jìn)行改性處理。（2）膜狀冷凝給熱系數(shù)(自學(xué))蒸汽在垂直管外或垂直板側(cè)的冷凝當(dāng)Re＜2100，膜內(nèi)為滯流，則k、、—分別為凝液的導(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，℃。若Re＞2100，膜層為湍流，則特征尺寸：l取垂直管或板的高度。定性溫度：蒸汽冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值，其余物性參數(shù)取液膜平均溫度(ts+tw)/2下的值。蒸汽在水平單管及水平管束外冷凝蒸汽在水平單管外冷凝時，凝液受重力作用沿管周向下流動并脫離管壁。單管平均給熱系數(shù)可用下式計算：式中：h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)，其值與總管數(shù)N和管束放置方位有關(guān)。影響冷凝傳熱的其它因素蒸汽的流速和流動方向

蒸汽與液膜的流向相同:加速液膜流動，使其減薄，h增加。當(dāng)蒸汽流速>40~50m/s時，h提高30%左右。蒸汽與液膜的流向相反:液膜的流動受到阻滯而變厚，h下降，若蒸汽的流速很高，將液膜吹離壁面，h將大大增加。(2)

不凝性氣體

不凝性氣體會在液膜外側(cè)聚積形成一層氣膜，蒸汽必須以擴(kuò)散的方式穿過此氣膜才能到達(dá)液膜進(jìn)行冷凝，熱阻增大，h下降。例如水蒸汽中含有1%的空氣能使h下降60%。(3)

過熱蒸汽

在大氣壓力下，過熱30℃的蒸汽較飽和蒸汽的h高1%，而過熱540℃的蒸汽的h高30%。2、沸騰傳熱大容積沸騰(池內(nèi)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(yùn)動由自然對流和汽泡擾動引起。強(qiáng)制對流沸騰(管內(nèi)沸騰)：液體在管內(nèi)流動過程中受熱沸騰。產(chǎn)生的汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動，形成汽-液兩相流動。大容積飽和沸騰曲線飽和沸騰：液體主體達(dá)到飽和溫度ts，加熱壁面的溫度tw高于飽和溫度所發(fā)生的沸騰。隨壁面過熱度t=tw-ts增加，沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的規(guī)律。沸騰曲線：沸騰傳熱熱流密度q、給熱系數(shù)h與壁面過熱度t的變化關(guān)系自然對流沸騰區(qū)AB：t較小，壁面處液體輕微過熱，產(chǎn)生的少量汽泡尚未升至自由液面就放熱再冷凝而消失。液體的運(yùn)動主要決定于自然對流，q和h僅比無相變時的自然對流略大。核狀（泡狀）沸騰區(qū)BC：t增大，加熱面上汽泡數(shù)量增加，促進(jìn)液體擾動，h和q都迅速增加。在C點(diǎn)h超過104

W/(m2·℃)，q高達(dá)106W/m2。過渡沸騰區(qū)CD：

t增大過C點(diǎn)，汽泡數(shù)大大增加，且生成速率大于脫離速率，汽泡連成汽膜，h與q均下降。因汽膜很不穩(wěn)定，屬于核狀沸騰和膜狀沸騰共存的過渡區(qū)。膜狀沸騰DE：

t繼續(xù)增大，汽泡迅速形成并互相結(jié)合成汽膜覆蓋在加熱壁面上，產(chǎn)生穩(wěn)定的膜狀沸騰。但由于膜內(nèi)輻射傳熱的逐漸增強(qiáng)，h和q又隨t的增加而升高。大容積飽和核狀沸騰的計算(自學(xué))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(shí)驗數(shù)據(jù)回歸Cwl—取決于加熱表面—液體組合情況的經(jīng)驗常數(shù)；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=ht,t=tw-ts；—飽和液體的粘度，N·s/m2；l、v—分別為飽和液體和汽體的密度，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。管內(nèi)沸騰傳熱垂直管沸騰過程中的流動型態(tài)和傳熱類型液體無相變加熱過程：液體進(jìn)入管內(nèi)至開始產(chǎn)生汽泡；過冷沸騰：液體在過冷狀態(tài)下(<ts)開始產(chǎn)生汽泡；泡狀沸騰：ts時形成泡狀流和塊狀流(汽泡匯合成塊)；環(huán)狀流：蒸汽含量，大汽塊在管中心合并形成汽芯；蒸干：環(huán)狀液膜受熱蒸發(fā)，逐漸變薄，直至液膜消失；干蒸汽單相傳熱區(qū)：對濕蒸汽繼續(xù)加熱使其成為過熱蒸汽。第四節(jié)輻射傳熱一、基本概念輻射：不直接接觸的物體間以電磁波的方式傳遞能量的過程。輻射能：以輻射的形式所傳遞的能量。輻射傳熱：不同物體間相互輻射和吸收的綜合結(jié)果。自然界中凡是溫度高于絕對零度的物體，都會不停的向四周發(fā)射輻射能，熱射線在物理本質(zhì)上與光射線一樣，所不同的是波長范圍。從理論上講，熱輻射的波長范圍為0~，但具有實(shí)際意義的波長為0.38~20m?？梢姽猓?.38~0.76m

很高溫度下才有明顯作用紅外線：0.76~20m

在熱輻射中起決定作用根據(jù)能量守恒定律：QQRQAQD熱射線也服從反射和折射定律。當(dāng)物體發(fā)射的輻射能Q投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收(QA),一部分被反射(QR),一部分透過物體(QD)。A:物體吸收率R

:

物體反射率

D:物體透過率黑體(絕對黑體)：能將輻射能全部吸收的物體，即A=1,R=D=0。自然界中并不存在絕對黑體，例如沒有光澤的黑墨表面，其吸收率A=0.96~0.98。鏡體(絕對白體)：能將輻射能全部反射的物體，即R=1,A=D=0。自然界中也不存在絕對鏡體，例如表面拋光的銅，其反射率R=0.97。透熱體：輻射能全部透過的物體，即D=1,A=R=0。例如對稱雙原子氣體O2、N2、H2等都可看作是透熱體。灰體：能夠以相等的吸收率吸收所有波長輻射能的物體?；殷w也是理想物體，其特點(diǎn)為：吸收率A與波長無關(guān)；為不透熱體(A+R=1)。工業(yè)上常見的固體材料均可視為灰體。Eb——黑體的輻射能力，W/m2；C0——黑體的輻射系數(shù)=5.67W/(m2·K4)。二、黑體輻射的基本定律灰體的輻射能力除與物體的溫度有關(guān)外，還與物體的吸收率有關(guān)。斯蒂芬-波爾茨曼定律黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。隨著溫度的升高，輻射能力急劇增大，因而在高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式。黑體的輻射能力：單位時間單位黑體表面向外界輻射的全部波長的總能量灰體的輻射能力板1(灰體)能量平衡：單位時間單位面積發(fā)射E1，獲得A1Eb，向板2的凈的輻射傳熱量為q=E1-A1Eb。輻射傳熱達(dá)平衡(兩物體溫度相等)時，q=0，E1=A1Eb或E1/A1=Eb。若板1用任意灰體板來代替，則得克?；舴?Kirchhoff)定律E1,A1,

T1Eb,T2E1板1(灰體)板2(黑體)EbA1Eb(1-A1)EbC——灰體的輻射系數(shù)灰體輻射能力與吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射能力T1>

T2灰體的黑度灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比上式為灰體輻射能力的計算公式，為求灰體的輻射能力，需知灰體的黑度。黑度值可以通過實(shí)驗測定，其值與材料的性質(zhì)、溫度和表面狀況有關(guān)。某些工業(yè)材料的黑度材料溫度[℃]紅磚200.93耐火磚—0.8~0.9鋼板(氧化的)200~6000.8鋼板(拋光的)940~11000.55~0.61鋁(氧化的)200~6000.11~0.19鋁(拋光的)225~5750.039~0.057銅(氧化的)200~6000.57~0.87銅(拋光的)—0.03鑄鐵(氧化的)200~6000.64~0.78鑄鐵(拋光的)330~9100.6~0.7三、兩固體間的輻射傳熱若兩物體的溫度分別為T1和T2，且T1＞T2，物體1發(fā)射E1至物體2，部分被吸收，其余被反射，經(jīng)過多次吸收與反射，直至E1全被吸收為止。兩物體的空間位置是任意的，部分發(fā)射或反射的能量不一定投射到對方物體上，因此，計算兩固體間的輻射傳熱時，必須考慮兩物體的吸收率與反射率、形狀、大小、以及兩者間的距離和位置，一般用下式表示：C1-2為總輻射系數(shù)，與兩灰體的黑度和相對位置有關(guān)Aw為輻射面積Φ為角系數(shù)，表示物體1發(fā)射的能量被物體2截獲的百分率E1,R1,

T1E2,R2,T2E1板1(灰體)板2(灰體)T1>

T2E1R2E1R1R2E1R12R22E1R1R22Aw，和C1-2的計算方法（P326）序號輻射情況面積Aw角系數(shù)總輻射系數(shù)C1-21面積極大相距很近的兩平行面Aw1或Aw212面積有限且大小相等的兩平行面Aw1＜13很大的物體2包住物體1Aw114物體2恰好包住物體1，Aw1=Aw2Aw115界于3、4兩種情況之間Aw11四、高溫設(shè)備的熱損失（自學(xué)）熱損失為對流和輻射傳熱量之和輻射損失熱量(牛頓冷卻定律的形式)：——輻射給熱系數(shù)因設(shè)備壁面被環(huán)境大氣所包圍，=1在平壁保溫層外：在管道或圓筒壁保溫層外：上兩式適用于tw<150℃場合。對流損失熱量：總熱量損失：對流-輻射聯(lián)合給熱系數(shù)第五節(jié)兩流體間壁傳熱計算傳熱負(fù)荷：生產(chǎn)上對物料加熱(冷卻)時所需提供(移除)的熱量，即生產(chǎn)工藝需要的傳熱速率(傳熱任務(wù))。一、熱量衡算在換熱器中進(jìn)行的傳熱過程總是熱流體的被冷卻和冷流體的被加熱同時進(jìn)行的W2,Cp2,t1

t2

W1,Cp1,T1T2無相變：若有相變：若忽略熱損失，則熱流體放出的熱量等于冷流體吸收的熱量單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量為單位時間內(nèi)冷流體吸收的熱量為Q—傳熱速率，W；W1、W2—熱、冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；Cp1、Cp2—熱、冷流體的比熱，J/(kg·K)；T1、T2—熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃；t1、t2—冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃；r—流體的汽化或冷凝潛熱，kJ/kg。二、傳熱速率方程實(shí)踐表明，換熱器的傳熱速率Q與傳熱面積A和冷熱流體的平均溫差Δtm成正比，引入比例系數(shù)K，則得其中K稱作總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。－－傳熱速率方程三、傳熱平均溫差：推動力換熱過程中，熱流體溫度沿程降低，冷流體溫度沿程升高，故冷熱流體溫度差在換熱器表面各點(diǎn)不同。當(dāng)用傳熱基本方程式計算整個換熱器的傳熱速率時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫差。1、傳熱平均溫差的概念按照參與熱交換的兩種流體在沿著換熱器壁面流動時各點(diǎn)溫度變化的情況，可將傳熱分為恒溫傳熱與變溫傳熱兩類。2、恒溫傳熱兩種流體進(jìn)行熱交換時，在沿傳熱壁面的不同位置上，在任何時間兩種流體的溫度皆不變化，這稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。3、變溫傳熱在傳熱過程中，間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面，在不同位置時溫度不同，但各點(diǎn)的溫度皆不隨時間而變化，即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。參與換熱的兩種流體流動方式不同，平均溫差亦不同。即平均溫差與兩種流體的流向有關(guān)。逆流并流t1

t2

T1T2dldATt以逆流情況為例推導(dǎo)傳熱平均溫差的計算公式。對此傳熱過程做如下假定：（1）在傳熱過程中，熱損失忽略不計；（2）兩流體的比熱容為常數(shù)，不隨溫度而變；（3）總傳熱系數(shù)K為常數(shù)，不沿傳熱表面變化。在換熱器中取一微元段為研究對象，其傳熱面積為dA。在dA面積內(nèi)熱流體因放熱而溫度下降dT，冷流體因受熱而溫度上升dt，在該處兩流體溫度差設(shè)熱流體的質(zhì)量流量為W1，比熱為Cp1，進(jìn)口溫度為T1，出口溫度為T2，冷流體的質(zhì)量流量為W2，比熱為Cp2，進(jìn)口溫度為t1，出口溫度為t2。在穩(wěn)定傳熱條件下，W1、W2是常數(shù)，Cp1

、Cp2取流體平均溫度下的數(shù)值，也視作常數(shù)。由傳熱速率方程，兩流體通過微分面積dA交換的熱量為dA段內(nèi)熱流體放出的熱量dA段內(nèi)冷流體吸收的熱量兩式相減dldATt將上式與聯(lián)立，得由假定可知，在給定操作條件下，W1Cp1，W2Cp2，及K都是常數(shù)，積分同樣可推出并流傳熱平均溫差計算式對熱流體有對冷流體有將上式與比較【例】現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油，原油在管外流動，進(jìn)口溫度為100℃,出口溫度為160℃；某熱介質(zhì)在管內(nèi)流動，進(jìn)口溫度為250℃，出口溫度為180℃。試分別計算并流與逆流時的平均溫度差。解：T1=250℃，T2=180℃，t1=100℃，t2=160℃并流逆流

逆流操作時，因Δt1/Δt2=90/80<2，故可以用算術(shù)平均值，Δtm=(Δt1+Δt2)/2=(90+80)/2=85℃注意：當(dāng)參與換熱的兩種流體中只有一種流體變溫時，傳熱平均溫差仍可采用上面的對數(shù)平均法進(jìn)行計算，但無需區(qū)分并流與逆流。逆流和并流傳熱的平均溫差的特點(diǎn)T1、T2、t1、t2相同時，逆流平均溫差大于并流平均溫差。當(dāng)傳熱量一定時，逆流操作所需的傳熱面積小于并流操作。逆流時熱流體的出口溫度可低于冷流體的出口溫度（高于冷流體的入口溫度），并流時熱流體的出口溫度必大于冷流體的出口溫度。并流也有它的特點(diǎn)，例如工藝上要求被加熱的流體不得高于某一溫度，或被冷卻的流體不得低于某一溫度，采用并流較易控制。錯流和折流時的平均溫差（自學(xué)）列管式換熱器中兩種流體的流動比較復(fù)雜的多程流動?！獪夭钚拚禂?shù)與冷熱兩流體溫度變化有關(guān)，表示為P和R兩參數(shù)的函數(shù)對于錯流或折流平均溫差，通常是先按逆流求算，然后再根據(jù)流動型式加以修正，即錯流：參與換熱的兩流體在傳熱面的兩側(cè)彼此呈垂直方向流動。折流：參與換熱的兩流體在傳熱面的兩側(cè)，其中一側(cè)流體只沿一個方向流動，而另一側(cè)的流體則先沿一個方向流動，然后折回以相反方向流動，如此反復(fù)地作折流，使兩側(cè)流體間有并流與逆流的交替存在。此種情況稱為簡單折流。若參與熱交換的雙方流體均作折流，則稱為復(fù)雜折流。溫差修正曲線(p337)四、總傳熱系數(shù)K總傳熱系數(shù)K綜合反映傳熱設(shè)備性能、流動狀況和流體物性對傳熱過程的影響，倒數(shù)1/K稱為傳熱過程的總熱阻。對間壁式換熱器，可將傳熱視為對流-導(dǎo)熱-對流的串聯(lián)過程

根據(jù)牛頓冷卻定律根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律串聯(lián)過程，dQ相等：由傳熱基本方程：對比兩式有：冷熱兩流體通過間壁進(jìn)行熱交換的總熱阻等于兩個對流熱阻與一個導(dǎo)熱熱阻之和。若傳熱面積以換熱管外表面為基準(zhǔn)，則：因為：有：當(dāng)間壁為平壁，或管壁很薄或管徑較大時，dA1、dA2、dAm相等或近似相等，則：若傳熱面積以換熱管內(nèi)表面計算，則：討論：（1）由上式可見，K的數(shù)值必定比h2、（2）在不同的換熱過程中，三項對傳熱系數(shù)的影響會有較大差異：如，用飽和水蒸氣加熱空氣的設(shè)備中，空氣側(cè)的給熱系數(shù)遠(yuǎn)較水蒸氣冷凝側(cè)的給熱系數(shù)小得多。（3）一般說來，金屬壁的導(dǎo)熱阻力很小，常可忽略，但在兩側(cè)給熱系數(shù)值都大時不可忽略。（4）忽略導(dǎo)熱的影響，當(dāng)兩個給熱系數(shù)值相差較大時，如h2<<h1時，則有K≈h2，這個極小的給熱系數(shù)對整個傳熱影響甚大，可稱之為控制性熱阻。欲提高總傳熱系數(shù)，必須設(shè)法提高h(yuǎn)2的值。一項均小，而非三項的平均值。、h1三者中任何獲取K的另外兩種途徑查取K值在有關(guān)傳熱的圖表、手冊中載有某些情況下K的經(jīng)驗數(shù)值，可供設(shè)計參考。注意應(yīng)選用工藝條件接近、傳熱設(shè)備類似的較為成熟的經(jīng)驗K值作為設(shè)計依據(jù)。流體種類總傳熱系數(shù)KW/(m2·K)水—?dú)怏w12~60水—水800~1800水—煤油350左右水—有機(jī)溶劑280~850氣體—?dú)怏w12~35飽和水蒸氣—水1400~4700飽和水蒸氣—?dú)怏w30~300飽和水蒸氣—油60~350飽和水蒸氣—沸騰油290~870(2)實(shí)驗測定通過實(shí)驗測定現(xiàn)有換熱器的流體流量和溫度，再由傳熱基本方程計算K值：實(shí)測的K值較為可靠。實(shí)測K值的方法可在缺乏工業(yè)實(shí)驗數(shù)據(jù)時提供設(shè)計依據(jù)，還可借助實(shí)測的K值判斷換熱器的工作狀況，從而尋求強(qiáng)化傳熱的措施。計算得到的K值與查取或?qū)崪y值相差較大，主要原因是給熱系數(shù)h的關(guān)聯(lián)式有一定誤差和污垢熱阻不易估計準(zhǔn)確?！纠吭趩喂艹塘泄軗Q熱器中用水將流量為20,000kg/h的某溶液從80℃冷卻至35℃，溶液走管程，冷卻水走殼程，兩者呈逆流流動，冷卻水的溫度從20℃升至40℃，換熱器內(nèi)裝有46根Φ25mm×2.5mm的管子，已知溶液的定壓比熱容cp=2.8kJ/(kg·K)，密度ρ=850kg/m3，基于管外表面的總傳熱系數(shù)K2=2000W/(m2·K)，水的定壓比熱容cp=4.174kJ/(kg·K)，忽略換熱器的熱損失，試確定：（1）溶液在管內(nèi)的流速；（2）冷卻水的消耗量；（3）換熱管的長度。解：（1）溶液的體積流量為管程流通截面積為管內(nèi)平均流速為（2）根據(jù)熱量衡算式，可得冷卻水的消耗量為（3）平均傳熱溫差為根據(jù)傳熱速率方程所以，換熱管長度為五、污垢熱阻換熱器長時間運(yùn)行后，由于流體中污垢的沉積，或由于換熱面受流體腐蝕而形成垢層。垢層產(chǎn)生附加熱阻，使總傳熱系數(shù)減小，傳熱速率顯著下降。因垢層大多是多孔性物質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)很小，即使厚度不大，垢層熱阻也較大，有時會成為主要熱阻，必須給予足夠重視。如管壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)的污垢熱阻分別是Rs1和Rs2，則總熱阻換熱器設(shè)計時必須考慮污垢熱阻，同時，為了保證污垢熱阻不超過最大容許值，換熱器的定期清洗非常重要，或?qū)⑴c換熱的流體進(jìn)行防垢處理。污垢熱阻的大致數(shù)值流體種類污垢熱阻m2·℃/W流體種類污垢熱阻m2·℃/W水(u<1m/s,t<50℃)

蒸氣

海水0.0001有機(jī)蒸汽0.0002河水0.0006水蒸氣(不含油)0.0001井水0.00058水蒸氣廢氣(含油)0.0002蒸餾水0.0001制冷劑蒸汽(含油)0.0004鍋爐給水0.00026氣體

未處理的涼水塔用水0.00058空氣0.0003經(jīng)處理的涼水塔用水0.00026壓縮氣體0.0004多泥沙的水0.0006天然氣0.002鹽水0.0004焦?fàn)t氣0.002六、換熱器計算的變量分析設(shè)計型計算：在給定的工藝條件下，設(shè)計一臺新的換熱器。設(shè)計原則：技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理。例：熱流體的冷卻:將一定流量W1的熱流體由給定溫度T1冷卻至指定溫度T2，設(shè)計條件：可供使用的冷卻介質(zhì)溫度，即冷流體的進(jìn)口溫度。計算目的：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。設(shè)計步驟：（1）首先由傳熱任務(wù)計算換熱器的熱負(fù)荷：（2）作出適當(dāng)?shù)倪x擇并計算平均推動力確定冷流體出口溫度及流動方向。一般不小于10℃，水出口溫度不超過45℃。根據(jù)計算得出的A和選定的流動方式選出適合的換熱器（3）計算冷、熱流體與管壁的對流傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)K：確定流動空間（走管內(nèi)還是管外）及計算流速，防止層流傳熱。同時還需選定適當(dāng)?shù)奈酃笩嶙琛＃?）由傳熱基本方程計算傳熱面積流體流動通道的選擇：(1)不清潔或易結(jié)垢的物料應(yīng)當(dāng)流過易于清洗的一側(cè)，對于直管管束，一般通過管內(nèi)，直管內(nèi)易于清洗；(2)需通過增大流速提高h(yuǎn)的流體應(yīng)選管程，因管程流通截面積小于殼程，且易采用多程來提高流速；(3)腐蝕性流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；(4)壓力高的流體宜選管程，以防止殼體受壓；(5)飽和蒸汽宜走殼程，冷凝液易于排出，其h與流速無關(guān)；(6)被冷卻的流體一般走殼程，便于散熱；(7)粘度大、流量小的流體宜選殼程，因殼程的流道截面和流向都在不斷變化，在Re>100即可達(dá)到湍流。以上各點(diǎn)往往不可能同時滿足，應(yīng)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。校核型計算：核算已有換熱器在非設(shè)計工況下的傳熱性能(1)產(chǎn)量改變造成工藝流體流量的變化，要求預(yù)測現(xiàn)有換熱器在冷流體流量和進(jìn)口溫度不變的條件下，工藝流體的出口溫度T2。(2)上游設(shè)備工況改變而引起工藝流體的進(jìn)口溫度發(fā)生變化，需預(yù)測出口參數(shù)的變化。(3)冷卻劑水的進(jìn)口溫度受季節(jié)和氣候影響，從而會使工藝流體的出口參數(shù)產(chǎn)生波動，需預(yù)測出口溫度的波動值。(4)新?lián)Q熱器剛投入使用時，垢層尚未形成，其總傳熱量系數(shù)K大于考慮了污垢熱阻的設(shè)計值，需要預(yù)測K的這種變化對傳熱的影響。使用的基本計算公式仍為熱量衡算和傳熱速率方程【例】：有一列管式換熱器，外表面積為40m2，列管為Φ25×2.5mm的鋼管。用飽和水蒸氣將處理量為2.5×104kg/h的油從40℃加熱到80℃。油走管程，流動狀態(tài)為湍流。水蒸氣走殼程，水蒸氣壓力為2atm(絕壓)，冷凝傳熱膜系數(shù)h＝1.2×104W/(m2·K)，油的平均比熱cp=2.1×103J/(kg·K)。試求：（1）當(dāng)油的處理量增加一倍時，油的出口溫度為多少？(此時保持水蒸氣側(cè)溫度不變)（2）若要保持油的出口溫度仍為80℃，換熱器是否夠用？解：（1）加熱水蒸氣為2atm時，查表得飽和溫度T=120℃已知t1=40℃，t2=80℃K2為基于管外表面積A2的總傳熱系數(shù)，則已知，h2=12000W/(m2·K),鋼管的k=45W/(m·K)，d2=25mm,d1=20mm當(dāng)油的流量增加一倍時，u’=2u，則流量增加后與增加前傳熱速率之比為（2）若油出口溫度仍為80℃，則當(dāng)處理量增加一倍，而油出口溫度保持不變時，需47.2m2的換熱器面積，而原有的換熱器面積40m2，所以換熱器面積不夠。解，得tx=75.5℃七、傳熱的強(qiáng)化與削弱根據(jù)傳熱基本方程傳熱強(qiáng)化

增加傳熱溫差飽和水蒸氣加熱時，蒸汽壓力，蒸汽溫度，溫差；用水冷卻時，水溫，溫差；在冷熱流體進(jìn)出口溫度固定不變時，可采用逆流操作代替并流以增加傳熱溫差，等等。物料溫度一般由工藝條件給定，不能任意變動，而加熱劑(或冷卻劑)的進(jìn)口溫度往往也不能隨意改動，如冷卻水的初溫決定于環(huán)境氣候，而出口溫度雖可通過增大水流量而降低，但會導(dǎo)致流動阻力的迅速增加，操作費(fèi)用升高。因此，需綜合考慮。提高總傳熱系數(shù)(1)提高冷熱流體的兩個給熱系數(shù)；(2)降低間壁熱阻和污垢熱阻。金屬壁的導(dǎo)熱一般不構(gòu)成主要熱阻；垢層熱阻隨使用時間而變大，常成為控制傳熱速率的主要因素，應(yīng)防止結(jié)垢和經(jīng)常除垢；間壁兩側(cè)的對流傳熱熱阻，若兩個h存在數(shù)量級的差別時，應(yīng)設(shè)法增加小的h(薄弱環(huán)節(jié))，若兩個h數(shù)值相近，應(yīng)同時予以提高。提高對流傳熱系數(shù)的方法(1)提高流動速度：h∝u0.8。如列管式換熱器，可增加管程數(shù)來提高流速；增加折流擋板數(shù)來提高殼程流速。但p∝u2，用增加流速的方法來強(qiáng)化傳熱，是以增大泵耗為代價的，強(qiáng)化具有局限性。(2)改變流動狀態(tài)：通過特殊設(shè)計的傳熱壁面不斷改變流體的流動速度和方向，從而增強(qiáng)邊界層的擾動，如：粗糙換熱表面；管內(nèi)表面上加工螺紋槽，制成螺紋管或螺旋槽管，管內(nèi)安裝插入物(麻花紐帶)等。(3)引入機(jī)械振動：使傳熱表面振動，或使流體振動，或是施加電場作用，目的是加強(qiáng)滯流底層的湍動。增大傳熱面積增加傳熱面積的方法：用螺紋管或螺旋槽管代替光管；在圓管外表面上加螺旋翅片，或在管壁上加工軸向肋片。由于擴(kuò)展表面的溫度低于基管的溫度，傳熱量的增加率低于傳熱面積的增加率。保溫隔熱技術(shù)利用保溫隔熱材料對高溫和低溫設(shè)備進(jìn)行保溫隔熱，以減少設(shè)備與環(huán)境間的熱交換。保溫材料：導(dǎo)熱系數(shù)很低、導(dǎo)熱熱阻很大的材料。判斷熱力管道保溫效果的方法：Q0—單位長度裸管的散熱量，W/m；Q—保溫層厚度為的單位長度管子的散熱量，W/m?！匦实诹?jié)換熱器按傳熱特征分：間壁式：冷、熱流體由固體間壁隔開，傳熱面積固定，熱量傳遞為對流-導(dǎo)熱-對流的串聯(lián)過程。混合式：通過冷、熱兩流體的直接混合來進(jìn)行熱量交換。蓄熱式(蓄熱器)：由熱容量較大的蓄熱室構(gòu)成，使冷、熱流體交替通過換熱器的同一蓄熱室。按用途分：加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。按結(jié)構(gòu)分：夾套式、蛇管式、套管式和管殼式等。直接混合式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；傳熱效率高。還可用于氣體的除塵、增濕、冷卻及蒸汽的冷凝。冷熱流體在設(shè)備內(nèi)直接接觸混合換熱。蓄熱式：設(shè)備內(nèi)裝有蓄熱用的填充物，冷、熱流體交替通過蓄熱材料進(jìn)行熱量交換。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，耐高溫；可改進(jìn)間歇式操作為切換式操作；缺點(diǎn)：冷、熱流體難免有一定程度的混合。間壁式：冷、熱流體通過管壁進(jìn)行換熱，不直接進(jìn)行接觸，使用最多。優(yōu)點(diǎn)：兩種流體不會相互混合，不影響各自的濃度及質(zhì)量。廣泛使用一、間壁式換熱器1、夾套式換熱器結(jié)構(gòu)：夾套式換熱器主要用于反應(yīng)過程的加熱或冷卻，是在容器外壁安裝夾套制成。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)：夾套內(nèi)清洗不便，傳熱系數(shù)小，傳熱面積受限。2、蛇管換熱器(1)沉浸式蛇管換熱