傳熱過程基礎(chǔ)E

第5章傳熱過程基礎(chǔ)

chapter5thebasisofheattransferprocess5.1傳熱過程導(dǎo)論5.3熱傳導(dǎo)5.4對流傳熱5.5輻射傳熱2023/2/415.1傳熱過程導(dǎo)論物體或者系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而使熱量發(fā)生轉(zhuǎn)移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要有溫度差就將有熱量自發(fā)地從高溫處傳到低溫處Theheatflowisalwaysinthedirectionofthetemperaturedecrease，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種物理現(xiàn)象。2023/2/42第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.1傳熱在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱是重要的化工單元操作之一，其應(yīng)用主要包括以下幾方面：1.加熱或冷卻流體，符合化學(xué)反應(yīng)或單元操作的需要2.對設(shè)備或管道進(jìn)行保溫、隔熱，以減少熱量(或冷量)損失。

3.合理使用熱源，進(jìn)行熱量的綜合回收利用。

2023/2/43第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.2傳熱的基本方式根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，傳熱分為三種基本方式：5.1.2.1.熱傳導(dǎo)(導(dǎo)熱)

Conduction定義：熱量從物質(zhì)中溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物質(zhì)傳遞到與之相鄰的低溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象。2023/2/44第5章傳熱過程基礎(chǔ)熱傳導(dǎo)特點：由于物質(zhì)微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞，在傳熱方向上無物質(zhì)的宏觀位移。存在于固體、靜止流體及滯流流體中。發(fā)生熱傳導(dǎo)的條件是有溫度差存在，其結(jié)果是熱量從高溫部分傳向低溫部分。2023/2/45第5章傳熱過程基礎(chǔ)從微觀角度看，氣體、液體、導(dǎo)電固體和非導(dǎo)電固體的機(jī)理各不相同。氣體：是氣體分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結(jié)果。氣體分子的動能與其溫度有關(guān)，高溫區(qū)的分子運動速度比低溫區(qū)的大。熱量水平較高的分子與熱量水平較低的分子相互碰撞的結(jié)果，熱量就由高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)。導(dǎo)電固體：有許多的自由分子在晶格之間運動，正如這些自由電子能傳導(dǎo)電能一樣，它們也能將熱量從高溫處傳遞到低溫區(qū)。2023/2/46第5章傳熱過程基礎(chǔ)非導(dǎo)電固體：導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動(即原子、分子在其平衡位置附近的振動)來實現(xiàn)的。物體中溫度較高部分的分子，因振動而與相鄰的分子相碰撞，并將熱能的一部分傳遞給后者。一般，通過晶格振動傳遞的熱量比依靠自由電子遷移傳遞的熱量少，這就是良好的導(dǎo)電體也是良好導(dǎo)熱體的原因。2023/2/47第5章傳熱過程基礎(chǔ)液體：一種觀點認(rèn)為它定性地和氣體類似，即依靠分子不規(guī)則熱運動傳遞熱量，只是液體分子間的距離比較近，分子間的作用力對碰撞過程的影響比氣體大得多，因而更復(fù)雜。另一種觀點認(rèn)為其導(dǎo)熱機(jī)理類似于非導(dǎo)電固體，即主要依靠原子、分子在其平衡位置附近的振動，只是振動的平衡位置間歇地發(fā)生移動?？偟膩碚f，關(guān)于導(dǎo)熱過程的微觀機(jī)理，目前仍不很清楚。本章只討論導(dǎo)熱現(xiàn)象的宏觀規(guī)律。2023/2/48第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.2.2.熱對流(對流)Convection定義：由于流體質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程特點：熱對流只發(fā)生在流體中。流體各部分間產(chǎn)生相對位移

2023/2/49第5章傳熱過程基礎(chǔ)產(chǎn)生對流的原因:由于流體內(nèi)部溫度不同形成密度的差異，在浮力的作用下產(chǎn)生流體質(zhì)點的相對位移，使輕者上浮，重者下沉，稱為自然對流naturalconvection

；由于泵、風(fēng)機(jī)或攪拌等外力作用而引起的質(zhì)點強(qiáng)制運動，稱為強(qiáng)制對流forceconvection

。

流動的原因不同，熱對流的規(guī)律也不同。在強(qiáng)制對流的同時常常伴隨有自然對流。2023/2/410第5章傳熱過程基礎(chǔ)化工生產(chǎn)中，常遇到的并非是單純的熱對流方式，而是流體流過固體表面時發(fā)生的熱對流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過程，即熱由流體傳遞到固體表面(或反之)的過程，通常將它稱為對流傳熱(也稱給熱)。其特點是靠近固體壁面附近的流體中依靠熱傳導(dǎo)方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱?？梢?，對流傳熱與流體流動狀況密切相關(guān)。2023/2/411第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.2.3.熱輻射Radiation定義：因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞。自然界中一切物體都在不停地發(fā)射輻射能，同時又不斷地吸收來自其它物體的輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果，稱為輻射傳熱。由于高溫物體發(fā)射的能量比吸收的多，而低溫物體則相反，從而使凈熱量從高溫物體傳遞向低溫物體。特點：可在真空中傳播能量傳遞同時伴隨有能量的轉(zhuǎn)換2023/2/412第5章傳熱過程基礎(chǔ)任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，但是只有在物體溫度較高時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。實際進(jìn)行的傳熱過程，往往不是上述三種基本方式單獨出現(xiàn)，而是兩種或三種傳熱的組合，而又以其中一種或兩種方式為主。2023/2/413第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.3典型的傳熱設(shè)備實現(xiàn)兩流體換熱過程的設(shè)備稱為換熱器化工生產(chǎn)中遇到的多是兩流體間的熱交換。熱交換是指熱流體經(jīng)固體壁面(間壁)將熱量傳給冷流體的過程。熱流方向間壁熱流體冷流體對流對流導(dǎo)熱冷、熱流體被間壁隔開，它們分別在壁面兩側(cè)流動。此壁面即構(gòu)成間壁式換熱器。熱由熱流體以對流方式傳遞到壁面一側(cè)，通過間壁的導(dǎo)熱，在由壁面另一側(cè)以對流形式傳遞到冷流體。2023/2/414第5章傳熱過程基礎(chǔ)現(xiàn)討論典型的間壁式換熱器結(jié)構(gòu)及其操作原理1.套管式換熱器組成：內(nèi)管，外管程：每段套管優(yōu)點：采用標(biāo)準(zhǔn)管子與管件。構(gòu)造簡單，加工方便，排數(shù)和程數(shù)可增減。兩流體可始終以逆流方向流動。缺點：接頭多易泄漏，占地面積大，單位面積消耗金屬量大。傳熱面積：S=πdL2023/2/415第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.列管式換熱器

組成：殼體、管束、管板和封頭等部分。流體流經(jīng)管束的過程，稱為流經(jīng)管程，將該流體稱為管程(管方)流體；流體流經(jīng)殼體環(huán)隙的過程，稱為流經(jīng)殼程，將該流體稱為殼程(殼方)流體。2023/2/416第5章傳熱過程基礎(chǔ)若流體只在管程內(nèi)流過一次的，稱為單管程；只在殼程內(nèi)流過一次的，稱為單殼程。若列管換熱器的傳熱面積較大，而需要的管數(shù)很多時，有時流體在管內(nèi)的流速便較低，結(jié)果使流體的對流傳熱系數(shù)減小。為了提高管程流速，可在換熱器封頭內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子平均分成若干組，流體在管束內(nèi)來回流過多次后排出，稱為多(管)程列管式換熱器，如圖示。程數(shù)增多，雖然提高了管內(nèi)流體的流速，增大了管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，但同時也使流動阻力增大，平均溫度差降低。此外，設(shè)置隔板后占去部分布管面積而減少了傳熱面積。因此，程數(shù)不宜過多，一般為雙程、四程、六程。傳熱面積：S=nπdL2023/2/417第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.4傳熱速率與熱通量衡量傳熱的快慢用傳熱速率及熱通量表示。傳熱速率Rateofheattransfer

Q：單位時間內(nèi)通過傳熱面的熱量，W熱通量Heatflux

Q/S：每單位面積的傳熱速率，W/m2〖說明〗傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標(biāo)。q↑，換熱器性能愈好由于傳熱面積具有不同的表示形式，因此同一傳熱速率所對應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相同。計算時應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。對不同的傳熱方式，傳熱速率、熱通量的名稱略有差異。傳熱方式傳熱速率Q熱通量Q/S導(dǎo)熱導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱熱通量對流傳熱對流傳熱速率對流傳熱熱通量輻射傳熱輻射傳熱速率輻射傳熱熱通量2023/2/418第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.1.5穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度僅隨位置變化而不隨時間變化的傳熱方式。顯著特點是傳熱速率Q為常量。連續(xù)傳熱過程屬于穩(wěn)態(tài)傳熱。非穩(wěn)態(tài)傳熱：溫度既隨位置變化又隨時間變化的傳熱方式。顯著特點是傳熱速率Q為變量。間歇傳熱過程屬于非穩(wěn)態(tài)傳熱。2023/2/419第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3熱傳導(dǎo)5.3.1熱傳導(dǎo)的基本概念5.3.1.1溫度場

一物體或系統(tǒng)內(nèi)部，只要各點存在溫度差，熱就可以從高溫點向低溫點傳導(dǎo)，即產(chǎn)生熱流。因此物體或系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布情況決定著由熱傳導(dǎo)方式引起的傳熱速率(導(dǎo)熱速率)溫度場：在任一瞬間，物體或系統(tǒng)內(nèi)各點的溫度分布總和。因此：t=f(x,y,z,θ)

2023/2/420第5章傳熱過程基礎(chǔ)t=f(x,y,z,θ)

〖說明〗若溫度場內(nèi)各點的溫度隨時間變化，此溫度場為非穩(wěn)態(tài)溫度場，對應(yīng)于非穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。t=f(x,y,z,θ)

若溫度場內(nèi)各點的溫度不隨時間變化，此溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場，對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱狀態(tài)。t=f(x,y,z)若物體內(nèi)的溫度僅沿一個坐標(biāo)方向發(fā)生變化，且不隨時間變化，此溫度場為一維穩(wěn)態(tài)溫度場t=f(x)2023/2/421第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.1.2等溫面在同一時刻，具有相同溫度的各點組成的面稱為等溫面。因為在空間同一點不可能同時有兩個不同的溫度，所以溫度不同的等溫面不會相交。2023/2/422第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.1.3溫度梯度從任一點起沿等溫面移動，溫度無變化，故無熱量傳遞；而沿和等溫面相交的任一方向移動，溫度發(fā)生變化，即有熱量傳遞。溫度隨距離的變化程度沿法向最大。溫度梯度：相鄰兩等溫面間溫差△t與其距離△n之比的極限：t+Δttt-ΔtgradtQΔn2023/2/423第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗溫度梯度為向量，其正方向為溫度增加的方向，與傳熱方向相反。穩(wěn)定的一維溫度場，溫度梯度可表示為：

2023/2/424第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.2熱傳導(dǎo)基本定律-傅立葉定律Fourierlaw

物體或系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)熱速率的產(chǎn)生，是由于存在溫度梯度的結(jié)果，且熱流方向和溫度降低的方向一致，即與負(fù)的溫度梯度方向一致，后者稱為溫度降度。傅立葉定律是用以確定在物體各點存在溫度差時，因熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的導(dǎo)熱速率大小的定律。定義：通過等溫面導(dǎo)熱速率，與其等溫面的面積及溫度梯度成正比：2023/2/425第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.3熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))將傅立葉定律整理，得熱導(dǎo)率定義式：物理意義：熱導(dǎo)率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。因此，熱導(dǎo)率表征物體導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物性常數(shù)之一。其大小取決于物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、溫度和壓強(qiáng)等。2023/2/426第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.3熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率大小由實驗測定，其數(shù)值隨狀態(tài)變化很大。kvaryoverawiderange.Theyarehighestformetalsandlowestforgases.

2023/2/427第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.3.1固體的熱導(dǎo)率金屬：35～420W/(m·℃)，非金屬：0.2～3.0W/(m·℃)〖說明〗固體中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。kofmetalsaregenerallynearlyconstantordecreaseslightlyasthetemperatureisincreased.Theconductivityofalloysislessthanthatofpuremetals.2023/2/428第5章傳熱過程基礎(chǔ)

純金屬：t↑，k↓金屬：純度↑，k↑非金屬：ρ，t↑，k↑對大多數(shù)固體，k值與溫度大致成線性關(guān)系：式中：k、k0－固體在溫度為t℃、0℃時的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)

β－溫度系數(shù)。大多數(shù)金屬：β<0大多數(shù)非金屬：β>02023/2/429第5章傳熱過程基礎(chǔ)在熱傳導(dǎo)計算中，用物體的平均熱導(dǎo)率代替各點處的熱導(dǎo)率，以簡化計算，引起的誤差很小。方法：2023/2/430第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.3.2液體的熱導(dǎo)率液體熱導(dǎo)率：0.07～0.7W/(m·℃)

t↑，k↓(水、甘油除外)金屬液體：其k比一般液體高，其中純Na最高非金屬液體：純液體的k比其溶液的大在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，溶液的熱導(dǎo)率可按經(jīng)驗公式估算（見書）。Formostliquidkislowerthanthatforsolids,withtypicalvaluesofabout0.17,andkdecreasesby3to4percentfora10oCriseintemperature.2023/2/431第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.3.3氣體的熱導(dǎo)率氣體的熱導(dǎo)率：0.006～0.67W/(m·℃)溫度的影響：t↑，k↑P的影響一般壓強(qiáng)范圍內(nèi)，k隨壓強(qiáng)變化很小，可忽略過高(>2×105kPa)、過低(<3kPa)時，P↑，k↑氣體的熱導(dǎo)率小，對導(dǎo)熱不利，但有利于保溫、絕熱常壓下氣體混合物的熱導(dǎo)率的估算式：2023/2/432第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.4平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)steady-stateconduction

throughflatwall5.3.4.1單層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

前提條件：平壁內(nèi)材料均勻，熱導(dǎo)率k取平均值為常數(shù)；平壁內(nèi)溫度只沿垂直于壁面的x方向變化，等溫面均為垂直于x軸的平面平壁兩側(cè)溫度分別為t1、t2，且不隨時間而變化，過程為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱速率Q為常量。S>>b,故從壁的邊緣處損失的熱量可忽略，S為常量。SQbt1t22023/2/433第5章傳熱過程基礎(chǔ)傅立葉定律可簡化為：積分限：x=0~b，t=t1~t2積分txb0t1t22023/2/434第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗推動力為Δt，阻力為R(R′)

WhereR=b/Skisthermalresistancebetweenpoints1and2.導(dǎo)熱速率與溫度差、傳熱面積、熱導(dǎo)率成正比，而與平壁厚度成反比。k↓，R↑；Q＝常數(shù)時，Δt∝Rk＝常數(shù)：t=f(x)為直線；k=k0(1+βt)：t=f(x)為曲線熱阻概念的應(yīng)用：計算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布從溫度分布判斷各部分熱阻的大小2023/2/435第5章傳熱過程基礎(chǔ)例某平壁厚度為0.37m，內(nèi)表面溫度t1為1650℃，外表面溫度t2為300℃，平壁材料熱導(dǎo)率k=0.815+0.00076t(t的單位為℃，k的單位為W/(m·℃))。若將熱導(dǎo)率分別按常量和變量處理時，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。解：(1)熱導(dǎo)率按常量處理結(jié)論：熱導(dǎo)率按常量處理時，溫度分布為直線txtt1t2bx02023/2/436第5章傳熱過程基礎(chǔ)(2)熱導(dǎo)率按變量處理結(jié)論：熱導(dǎo)率按變量處理時，溫度分布為曲線txtt1t2bx02023/2/437第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.4.2多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)以三層平壁為例。前提條件：層間接觸良好，即相互接觸的兩表面溫度相同，且t1>t2>t3>t4各層平壁面積均為S，厚度分別為b1，b2，b3Qt1t2t3t4b1b2b3各層熱導(dǎo)率為常數(shù)，分別為k1、k2、k3

傳熱為穩(wěn)態(tài)一維熱傳導(dǎo)：Q1=Q2=Q3=Q據(jù)此，由傅立葉定律，得：2023/2/438第5章傳熱過程基礎(chǔ)2023/2/439第5章傳熱過程基礎(chǔ)

〖說明〗多層平壁熱傳導(dǎo)的總推動力為各層溫度差之和，即總溫度差；總熱阻為各層熱阻之和。Q計>Q測：(t1-tn+1)一定，Q↓，∑R↑。說明實際情況層間接觸不良，存在附加的熱阻t1>tn+1，Q>0，熱量損失

t1<tn+1，Q<0，冷量損失Q=常數(shù)時，Δt1:Δt2:Δt3=R1:R2:R32023/2/440第5章傳熱過程基礎(chǔ)問題：什么樣的保暖內(nèi)衣更保暖？答案：更厚、更蓬松的2023/2/441第5章傳熱過程基礎(chǔ)例4-1某冷庫的墻壁由三層材料構(gòu)成，內(nèi)層為軟木，厚15mm，熱導(dǎo)率0.043W/(m·℃)，中層為石棉板，厚40mm,熱導(dǎo)率0.10W/(m·℃)，外層為混凝土，厚200mm,熱導(dǎo)率1.3W/(m·℃)，測得內(nèi)墻表面為-18℃，外墻表面溫度為24℃，計算每平方米墻面的冷損失量；若將內(nèi)、中層材料互換而厚度不變，冷損失量將如何變化。解:互換材料前：t1＝-18℃,t4=24℃,k1=0.043W/(m·℃)，k2=0.10W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)2023/2/442第5章傳熱過程基礎(chǔ)互換材料后：t1＝-18℃,t4=24℃,k1′=0.10W/(m·℃)，k2′=0.043W/(m·℃)，k3=1.3W/(m·℃)互換材料后，由于導(dǎo)熱熱阻的增大，使得冷量損失減少。在使用多層材料保溫時要注意熱阻的分配。

2023/2/443第5章傳熱過程基礎(chǔ)6.外衣內(nèi)穿、內(nèi)衣外穿就只為美觀嗎？2023/2/444第0章緒論5.3.5圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)steady-stateconduction

throughacylinder

化工生產(chǎn)中常見的為圓筒壁(圓管)的熱傳導(dǎo)，其特點是:傳熱面積、熱通量、溫度均隨半徑變化，均非常量。Qdrrr1r2t1t2L2023/2/445第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.5.1單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)Qdrrr1r2t1t2L前提條件：圓筒內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長度為L，內(nèi)外壁溫度t1>t2，在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：S=2πrL圓筒很長，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。圓筒壁材質(zhì)均勻，熱導(dǎo)率k為常數(shù)2023/2/446第5章傳熱過程基礎(chǔ)單層圓筒壁導(dǎo)熱速率計算式2023/2/447第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時，傳熱速率Q為常量，但由于S與r有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量；在任一半徑r處，溫度表示為:表明溫度沿r方向為對數(shù)曲線分布；2023/2/448第5章傳熱過程基礎(chǔ)

表明導(dǎo)熱速率與推動力△t成正比，而與導(dǎo)熱熱阻R成反比。

誤差不超過4％，工程上允許。2023/2/449第5章傳熱過程基礎(chǔ)單層圓筒壁導(dǎo)熱計算舉例例4-2在外徑為133mm的蒸汽管道外包扎一層石棉保溫材料，熱導(dǎo)率為0.2W/(m·℃)，蒸汽管外壁溫度為160℃，要求保溫層外側(cè)溫度40℃，若每米管長熱損失控制在240W/m下，求保溫層厚度。解：單層圓筒壁熱傳導(dǎo)速率方程故保溫層厚度b=r2-r1＝0.125-0.0665＝0.058m2023/2/450第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.3.5.2多層圓筒壁穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)以三層為例。前提條件：各層間接觸良好各層熱導(dǎo)率k1、k2、k3均為常數(shù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)據(jù)多層平壁熱傳導(dǎo)計算公式：2023/2/451第5章傳熱過程基礎(chǔ)2023/2/452第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和?？偟膶?dǎo)熱速率與總推動力成正比，而和總阻力成反比。對各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導(dǎo)熱速率Q和Q/L為常量，但Q/S不為常量；其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同；2023/2/453第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4對流傳熱5.4.1對流傳熱機(jī)理對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時的傳熱，是流體的對流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動狀況有密切關(guān)系。考察湍流流體：流體流過固體壁面時，由于流體的粘性作用，使靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線方向沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的熱導(dǎo)率較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。在湍流主體中，由于流體質(zhì)點的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，熱量主要以熱對流的方式傳遞，各處的溫度基本相同。在湍流主體與滯流底層的過渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對流均起作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩慢的變化。2023/2/454第5章傳熱過程基礎(chǔ)在熱流體的湍流主體中，由于流體質(zhì)點充分混合，溫度基本一致，即圖中T；在過渡層中，溫度由T緩慢下降至Tw；在滯流底層中，由于熱阻較大，溫度由Tw急劇下降至Ts，再往右，通過管壁，因其材料為金屬，熱阻較小，因此，管壁兩側(cè)的溫度Ts和ts相差很小。此后，在冷流體中，又順序通過滯流底層、過渡層而到達(dá)湍流主體，溫度由ts經(jīng)tw下降至t。湍流流體中的溫度分布由以上分析可知，對流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。TTWTSttWtS熱流體冷流體2023/2/455第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.2對流傳熱系數(shù)據(jù)前分析，對流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對流及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)h內(nèi)。5.4.2.1對流傳熱速率方程將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點與壁面距離為δ′，此膜層稱為虛擬膜或有效膜。湍流主體區(qū)過渡區(qū)滯流底層虛擬膜δ′說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為牛頓冷卻定律式中：dQ

—局部對流傳熱速率，W；dS—微分傳熱面積；m2；△t

—

換熱器任一截面上流體的傳熱溫度差，℃；α—局部對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。2023/2/456第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗1.h取平均值在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)h隨管長而變化，但在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數(shù)，一般也用α表示，此時牛頓冷卻定律可表示為：Q=αhSΔt式中：

Q—

對流傳熱速率，W；

S—

總傳熱面積；m2；△t—流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，℃；

α—平均對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。2023/2/457第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實際換熱情況有關(guān)換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如：熱流體、管程：dQ=αi(Tb-Ts)dSi熱流體、殼程：dQ=αo(Tb-Ts)dSo冷流體、管程：dQ=αi(ts-tb)dSi冷流體、殼程：dQ=αo(ts-tb)dSo可見，對流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對應(yīng)的Tb，tb：熱、冷流體的主體溫度或平均溫度，℃2023/2/458第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.2.2對流傳熱系數(shù)定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得即：在單位溫度差下，對流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對流傳熱參數(shù)的熱通量。但該式并未揭示出影響對流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩?，所以無法通過此式計算對流傳熱系數(shù)α。2023/2/459第5章傳熱過程基礎(chǔ)定義式二：據(jù)前述，在壁面附近的滯流底層中，傳熱方式只有熱傳導(dǎo)，故傳熱速率方程可以用傅立葉定律表示，即：〖上式作用〗對于一定的流體和溫度差，只要知道壁面附近流體層的溫度梯度，就能求得α?？梢姡耸绞窃诶碚撋戏治龊陀嬎悝恋幕A(chǔ)。2023/2/460第5章傳熱過程基礎(chǔ)〖說明〗熱邊界層的厚薄，影響層內(nèi)的溫度分布，因而影響溫度梯度。當(dāng)熱邊界層內(nèi)、外側(cè)溫度差一定時：而熱邊界層的厚薄，受流動邊界層的劇烈影響?！冀Y(jié)論〗減薄熱邊界層的厚度，有利于對流傳熱過程的進(jìn)行。2023/2/461第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.4對流傳熱過程的量綱分析5.4.4.1對流傳熱系數(shù)的影響因素對流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動時與固體壁面之間的傳熱過程，因此影響α的主要因素是：1.流體的種類和相變化情況α氣體<α液體α有相變>α無相變2023/2/462第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.流體的物性對h影響較大的流體物性有熱導(dǎo)率k、粘度μ、比熱Cp、密度ρ及對自然對流影響較大的體積膨脹系數(shù)β。具體地：

k↑、μ↓、Cp↑、ρ↑、β↑→α↑3.流體的溫度流體溫度對對流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差Δt，流體物性隨溫度變化程度及附加自然對流等方面的綜合影響。故計算中要修正溫度對物性的影響。在傳熱計算過程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時用以確定物性所規(guī)定的溫度稱為定性溫度。2023/2/463第5章傳熱過程基礎(chǔ)4.流體的流動狀態(tài)流體呈湍流時，隨著Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低，α增大。流體呈滯流時，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故α較湍流時小。即：

α滯流<α湍流

5.流體流動的原因自然對流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質(zhì)點的相對位移。強(qiáng)制對流：由于外來的作用，迫使流體流動。

α自然對流<α強(qiáng)制對流

2023/2/464第5章傳熱過程基礎(chǔ)6.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流傳熱。如流體流過平板與管內(nèi)的流動就不同，在自然對流時垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計算依據(jù)，稱為定性尺寸。2023/2/465第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.4.2對流傳熱過程的量綱分析由于影響對流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個通式來描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數(shù)群(準(zhǔn)數(shù))，然后用實驗的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。本節(jié)采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變量較多的情況。5.4.4.2.1流體無相變時的強(qiáng)制對流傳熱過程步驟：1.列出影響該過程的物理量據(jù)理論分析及實驗研究，知影響α的因素有：定性尺寸l，流體的密度ρ，粘度μ，比熱Cp，熱導(dǎo)率k，流速u，可將其表示為：α＝f(l,ρ，μ，Cp，k，u)2023/2/466第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目π定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示成一個隱函數(shù)的形式，即：f(π1,π2,π3，···，πi)=0其中：i=j-m

i—無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目

j－變量數(shù)

m－基本量綱數(shù)(長度L、質(zhì)量M、時間θ、溫度T)∴i=7-4=3有三個準(zhǔn)數(shù)2023/2/467第5章傳熱過程基礎(chǔ)3.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式(1)列出各物理量的量綱(2)選擇m(即4)個共同物理量選擇時遵循的原則：不能包括待求的物理量－－如不能選α不能同時選用量綱相同的物理量－－如不能選d,l選擇的共同物理量中應(yīng)包括該過程中所有的基本量綱－－如不能選l,u,ρ,μ，因為不包括量綱T據(jù)此，選擇l,k,μ,u為3個無量綱準(zhǔn)數(shù)的共同物理量LukCpμρlα2023/2/468第5章傳熱過程基礎(chǔ)(3)量綱分析將共同物理量與余下的物理量分別組成無量綱數(shù)群，即2023/2/469第5章傳熱過程基礎(chǔ)4.確定具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式通過實驗進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式流體無相變時強(qiáng)制對流傳熱時的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2023/2/470第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.4.2.2自然對流傳熱過程自然對流中，引起流動的原因是單位體積流體的升力，大小為ρgβΔt，其它因素與強(qiáng)制對流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為：α＝f(l,ρ，μ，Cp，k，ρgβΔt)方法同前，可得：通過實驗進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2023/2/471第5章傳熱過程基礎(chǔ)各準(zhǔn)數(shù)的名稱、符合、意義如下：準(zhǔn)數(shù)式符號名稱意義Nu努寒爾特準(zhǔn)數(shù)(Nusselt)表示對流傳熱強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù)Re雷諾準(zhǔn)數(shù)(Reynolds)反映流體流動湍動程度的準(zhǔn)數(shù)Pr普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Prandtl)反映物性對傳熱影響的準(zhǔn)數(shù)Gr格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)(Grashof)反映自然對流強(qiáng)弱程度的準(zhǔn)數(shù)2023/2/472第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.4.2.3應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題對應(yīng)各種不同情況下的對流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由實驗確定的，在整理實驗結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問題：1.應(yīng)用范圍關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。2.定性溫度各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有3種表示方法：取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2為定性溫度取壁面平均溫度t=(tw+Tw)/2為定性溫度取流體和壁面的平均溫度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2為定性溫度壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法3.特征尺寸無量綱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸l。通常選取對流體流動和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。2023/2/473第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.5流體無相變時的對流傳熱系數(shù)Heattransfertofluidswithoutphasechange5.4.5.1流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對流1.流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流(1)低粘度流體(μ<2×10-3Pa·s的氣體及大部分液體)2023/2/474第5章傳熱過程基礎(chǔ)(2)高粘度流體2023/2/475第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制滯流

2023/2/476第5章傳熱過程基礎(chǔ)3.流體在圓形彎管內(nèi)強(qiáng)制對流

流體流過彎管時，將受到離心力的作用，致使湍動程度加大。在同樣Re數(shù)下，對流傳熱系數(shù)較直管中為大，因此先按直管計算，然后再乘以一大于1的校正系數(shù)，即：其中：α'－彎管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

α－直管中的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)r'－彎管軸的彎曲半徑，m2023/2/477第5章傳熱過程基礎(chǔ)4.流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流

當(dāng)流體在管內(nèi)呈過渡狀態(tài)流動時，即2300<Re<10000，其傳熱情況比較復(fù)雜。通常先按湍流時的公式計算，然后再將計算結(jié)果乘以一小于1的修正系數(shù)φ，即：5.流體在非圓形管中強(qiáng)制對流流體在非圓形管中呈強(qiáng)制湍流、過渡流以及層流時，仍可應(yīng)用上述相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計算，只將其中管子內(nèi)徑di用當(dāng)量直徑de代替即可。2023/2/478第5章傳熱過程基礎(chǔ)例4-13列管換熱器由254根φ25×2.5mm，長6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)流動的苯，苯的流量為50kg/s，進(jìn)出口溫度分別為20℃和80℃，試求管內(nèi)苯的對流傳熱系數(shù)。若將苯的流量增加50%，而仍維持原來的出口溫度，對流傳熱系數(shù)將如何變化。解：定性溫度t=(20+80)/2=50℃，查得苯的物性數(shù)據(jù)：ρ=860kg/m3，cP=1.80kJ/kg·℃，μ=0.45×10-3Pa·s，k=0.14W/m·℃2023/2/479第5章傳熱過程基礎(chǔ)2023/2/480第5章傳熱過程基礎(chǔ)二、流體在管外強(qiáng)制對流時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式1流體在管束外強(qiáng)制垂直流動管束的排列方式有直列和錯列兩種，錯列中又有正方形和等邊三角形兩種。直列正方形錯列等邊三角形錯列2023/2/481第5章傳熱過程基礎(chǔ)2流體在列管式換熱器管間流動當(dāng)流體流過換熱器管間時，由于殼體是圓筒，管束中各列的管數(shù)不等，且一般都安裝有折流擋板，故流體在換熱器殼程流動時，流向和流速的不斷變化，使得Re>100時即可能形成湍流，對流傳熱系數(shù)加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。(1)換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為25%的殼體內(nèi)截面)時，殼程流體的h關(guān)聯(lián)式多諾呼法2023/2/482第5章傳熱過程基礎(chǔ)凱恩法(2)無折流擋板按管內(nèi)強(qiáng)制對流公式計算，將di用管間當(dāng)量直徑de代替即可。2023/2/483第5章傳熱過程基礎(chǔ)三、自然對流時對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式自然對流時的對流傳熱系數(shù)僅與反映流體自然對流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)及Pr準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為：Nu＝Ｃ(Ｇr·Pr)n

定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。式中的系數(shù)C和指數(shù)n值

加熱表面形狀特征尺寸Ｇr·PrCn水平圓管外徑do104~1090.531/4109~10120.131/3垂直管或板高度L104~1090.591/4109~10120.101/32023/2/484第5章傳熱過程基礎(chǔ)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計算示例例4-4一水平蒸汽管，長20m，外徑為159mm，管外壁溫度為120℃，周圍空氣溫度為20℃，計算該管段由于自然對流散失的熱量。定性溫度：t＝(120+20)/2＝70℃70℃下空氣物性：ρ＝1.03kg/m3，μ＝2.06×10-5Pa·sk＝0.0297W/m·K，β=1/(273+70)=1/3401/K，Pr=0.694

2023/2/485第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.8流體有相變時的對流傳熱系數(shù)蒸汽冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對流傳熱過程。這類傳熱過程的特點是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度基本不變。因此在壁面附近流體層中的溫度梯度較高，從而對流傳熱系數(shù)比無相變時的更大。2023/2/486第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.8.1蒸汽冷凝傳熱當(dāng)飽和蒸汽和低于飽和溫度的壁面相接觸時，將放出潛熱，冷凝成液體而使另一側(cè)的流體被加熱。因此生產(chǎn)上常將蒸汽冷凝作為一種加熱的方式，其優(yōu)點是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制；(2)蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)較無相變時大得多。這是因為蒸汽在壁面上冷凝的同時，蒸汽將迅速流到壁面補(bǔ)充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時汽相中幾乎無溫差存在，致使液膜中溫度梯度極大。2023/2/487第5章傳熱過程基礎(chǔ)1.蒸汽冷凝傳熱Heattransferfromcondensingvapors蒸氣冷凝時，根據(jù)其冷凝液是否能夠潤濕壁面分成兩種方式：(1)膜狀冷凝filmcondensation

：若冷凝液能夠完全潤濕壁面，則將在壁面上形成一層連續(xù)的液膜，并向下流動。壁面完全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進(jìn)行直接接觸，冷凝潛熱只能以導(dǎo)熱和對流的方式通過液膜傳給壁面。因蒸汽冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動，則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高或水平放置的管徑越大，則整個壁面的平均對流傳熱系數(shù)也越小。冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力和對壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表面張力時則會形成膜狀冷凝。2023/2/488第5章傳熱過程基礎(chǔ)(2)滴狀冷凝dropwisecondensation

若冷凝液不能夠潤濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱為滴狀冷凝。此時壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，因而對流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出5～10倍。滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好，但在工業(yè)上很難實現(xiàn)，因此生產(chǎn)中大多為膜狀冷凝。2023/2/489第5章傳熱過程基礎(chǔ)2.膜狀冷凝對流傳熱系數(shù)冷凝液膜的流動也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)，即：Re=f(M)。冷凝負(fù)荷M：單位時間單位長度潤濕周邊上流過的冷凝液量，kg/(m·s)設(shè)液膜流通截面積為Am2，潤濕周邊長為bm,冷凝液質(zhì)量流量為Wkg/s，則：2023/2/490第5章傳熱過程基礎(chǔ)(1)蒸汽在水平管Horizontaltubes(或管束)外冷凝2023/2/491第5章傳熱過程基礎(chǔ)(2)蒸汽在垂直管Verticaltubes外(或板上)冷凝計算步驟(試差法)假設(shè)一種流型選擇公式計算h計算熱負(fù)荷q=αoSo(ts-tw)計算質(zhì)量流量W=q/r計算冷凝負(fù)荷M=W/b計算Re并校核2023/2/492第5章傳熱過程基礎(chǔ)3.影響冷凝傳熱的因素液膜兩側(cè)的溫度差：Δt↑，Q↑，δ↑→α↓流體的物性：傳熱冷凝液的密度越大，粘度越小，則液膜的厚度越小，因而冷凝對流傳熱系數(shù)α越大。熱導(dǎo)率大有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負(fù)荷下冷凝液減少，液膜變薄，α增大2023/2/493第5章傳熱過程基礎(chǔ)蒸汽的流速和流向：當(dāng)蒸汽流速較大時，蒸汽與液膜間的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，這種作用將使液膜減薄并促使其產(chǎn)生一定波動，因而使α增大。若逆向流動，這種作用會阻礙液膜流動，使其增厚導(dǎo)致傳熱惡化。但當(dāng)這種作用超過重力作用時液膜會被蒸汽帶動而脫離壁面，反而使α急劇增大。2023/2/494第5章傳熱過程基礎(chǔ)不凝性氣體的影響：蒸汽冷凝時不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其熱導(dǎo)率很小，使熱阻增大，h大為降低。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體含量為1%時，可使冷凝時α降低60%左右。因此在冷凝器的設(shè)計和操作中，都必須考慮不凝氣的排除。2023/2/495第5章傳熱過程基礎(chǔ)冷凝壁面的影響：冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設(shè)法減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對水平放置的列管式冷凝器，應(yīng)減少垂直方向上管排的數(shù)目，或采用斜轉(zhuǎn)排列方式，使冷凝液盡量沿管子的切向流過。在垂直壁面上，開若干縱向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以減薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑時對流傳熱系數(shù)提高。2023/2/496第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.4.8.2液體沸騰傳熱Heattransfertoboilingliquids

液體與高溫壁面接觸時被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝倪^程稱為液體沸騰。這種傳熱方式由于在加熱面上不斷經(jīng)歷著汽泡的形成、長大和脫離的過程，造成對壁面處流體的強(qiáng)烈擾動，因而對流傳熱系數(shù)要比無相變時大?；ぶ谐Ｓ玫恼舭l(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過液體沸騰而產(chǎn)生蒸汽。2023/2/497第5章傳熱過程基礎(chǔ)液體在加熱表面上沸騰時，按其沸騰所處的空間可分為大容器沸騰和管內(nèi)沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無宏觀流動的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運動只是由自然對流和氣泡擾動引起。當(dāng)液體以一定流速在加熱管內(nèi)流動時的沸騰稱為管內(nèi)沸騰，此時產(chǎn)生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動，也稱為強(qiáng)制對流沸騰。2023/2/498第5章傳熱過程基礎(chǔ)1大容器飽和沸騰曲線↑αΔt=tw-tsA自然對流BB泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(1)AB段當(dāng)△t<5℃時，α隨△t緩慢增大，原因：溫度差小，無氣泡產(chǎn)生，傳熱依靠自然對流進(jìn)行，只在液體表面上發(fā)生蒸發(fā)，此段α、Q都較低。AB段稱為自然對流階段。2023/2/499第5章傳熱過程基礎(chǔ)1大容器飽和沸騰曲線↑αΔt=tw-tsA自然對流BB泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(2)BC段當(dāng)△t繼續(xù)加大，產(chǎn)生汽泡，增加擾動，故α隨△t急劇上升。BC段的沸騰稱為泡狀沸騰2023/2/4100第5章傳熱過程基礎(chǔ)1大容器飽和沸騰曲線↑αΔt=tw-tsA自然對流BB泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(3)CD段汽泡增多，滯留，形成附加熱阻，使α、Q急劇下降。氣膜開始形成是不穩(wěn)定的，可能形成大氣泡脫離表面。CD段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰階段。2023/2/4101第5章傳熱過程基礎(chǔ)1大容器飽和沸騰曲線↑αΔt=tw-tsA自然對流BB泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(4)DEF段△t的進(jìn)一步增大，形成穩(wěn)定的汽膜，α進(jìn)一步降低。之后，隨壁溫增加，輻射傳熱的作用不斷增強(qiáng)，故α隨△t增大而增大。DEF段的沸騰稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰階段。工業(yè)設(shè)備常維持在泡狀沸騰下操作。2023/2/4102第5章傳熱過程基礎(chǔ)2沸騰傳熱系數(shù)的計算(1)莫斯聽斯基(Mostinski)經(jīng)驗式：2023/2/4103第5章傳熱過程基礎(chǔ)(2)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

2023/2/4104第5章傳熱過程基礎(chǔ)3影響沸騰傳熱的因素(1)液體物性液體的熱導(dǎo)率、密度、粘度、表面張力等對沸騰傳熱都有影響。一般α隨k、ρ的增大、μ和σ的減少而增大。(2)溫度差△t

溫差△t＝tw-ts是影響沸騰傳熱的重要因素。在核狀沸騰區(qū)：α=a(△t)n。式中a和n是根據(jù)液體種類、操作壓強(qiáng)和壁面性質(zhì)而定的常數(shù)，一般n＝2～3。2023/2/4105第5章傳熱過程基礎(chǔ)(3)操作壓強(qiáng)提高操作壓強(qiáng)即相當(dāng)于提高了液體的飽和溫度，使液體的表面張力和粘度下降，有利于汽泡的形成和脫離，使沸騰傳熱增強(qiáng)，在同樣的△t下能得到更高的h。(4)加熱壁面加熱面的材料不同，光潔度不同，則形成汽化核心的條件不同，對沸騰傳熱有顯著影響。通常新的清潔加熱面α較高，當(dāng)壁面被油脂沾污后，會使α急劇下降；壁面愈粗糙，汽化核心愈多，有利于沸騰傳熱。此外加熱面的布置對沸騰傳熱也有明顯影響，如在水平管束外沸騰時，其上升汽泡會覆蓋上方管的一部分加熱面，導(dǎo)致管的平均α下降。2023/2/4106第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5輻射傳熱熱輻射thermalradiation是熱量傳遞的三種基本方式之一，特別是高溫時，熱輻射往往成為主要的傳熱方式。一些加熱爐和鍋爐中的燃燒加熱，高溫管道和設(shè)備與周圍環(huán)境的熱量交換等均與輻射傳熱有關(guān)。5.5.1

基本概念和定律5.5.1.1熱輻射物體由于本身溫度或受熱而引起內(nèi)部原子的復(fù)雜激動，產(chǎn)生交替變化的電場和磁場，就會對外發(fā)射出輻射能并向四周傳播。這種能量是以電磁波的形式進(jìn)行傳遞，在一定波長范圍內(nèi)顯示為熱效應(yīng)，稱為熱輻射。當(dāng)熱輻射能量投射在另一物體表面上時，可部分或全部地被吸收，重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?023/2/4107第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5輻射傳熱電磁波的波長范圍從零到無窮大，但能被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€主要為可見光(0.4～0.8μm)和紅外線(0.8～20μm)兩部分，即波長在0.4～20μm之間，統(tǒng)稱為熱射線。但只有在很高的溫度下，才能覺察到可見光線(波長為0.4～0.8μm)的熱效應(yīng)。理論上講，任何物體只要溫度在絕對零度以上，都能進(jìn)行熱輻射，但只在高溫時才起決定作用。2023/2/4108第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.2熱輻射對物體的作用熱射線和可見光一樣，同樣具有反射、折射和吸收的特性，服從光的反射和折射定律，在均一介質(zhì)中直線傳播，在真空和有些氣體中可以完全透過，而在固體和液體中則不能透過。根據(jù)這些特性，設(shè)投在某物體上的總輻射能為Q，則有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透過物體，如圖。根據(jù)能量守恒定律有：QA＋QR＋QD＝Q

2023/2/4109第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.3黑體、鏡體、透熱體和灰體黑體(絕對黑體)：Abodywhichabsorbsallincidentradiationiscalledablackbody能全部吸收輻射能的物體，即A＝1的物體。自然界中無絕對黑體存在，但有些物體如無光澤的黑漆表面，A＝0.96～0.98，比較接近于黑體。引入黑體只是作為實際物體的一種比較標(biāo)準(zhǔn)，黑體A最大，也具有最大的輻射能力。2023/2/4110第5章傳熱過程基礎(chǔ)鏡體(絕對白體)：能全部反射輻射能的物體，即R＝1的物體。實際上鏡體也是不存在的，但有些物體如表面磨光的銅，R＝0.97，接近于鏡體。透熱體：能全部透過輻射能的物體，即D＝1的物體。單原子和對稱雙原子構(gòu)成的氣體(H2、N2、O2和He等)一般可視為透熱體；多原子和不對稱雙原子氣體則能有選擇地吸收和反射某一波長范圍的輻射能。2023/2/4111第5章傳熱過程基礎(chǔ)灰體：以相同吸收率A部分吸收0～∞全部波長輻射能的物體。大多數(shù)工程材料均可按灰體處理。因而灰體的特點是：灰體為不透熱體，即D=0或A＋R＝1吸收率A不隨波長k變化物體的A、R和D是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所處溫度和投射輻射線的波長等有關(guān)，一般地：多數(shù)固體和液體：不透熱體，即D＝0或A+R=1。氣體：不反射能量，即R＝0或A＋D＝1。2023/2/4112第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.4輻射傳熱Radiationheattransfer物體在向外發(fā)射輻射能的同時，也會不斷地吸收周圍其它物體發(fā)射的輻射能，并將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這種物體間相互發(fā)射輻射能和吸收輻射能的傳熱過程稱為輻射傳熱。若輻射傳熱是在兩個溫度不同的物體之間進(jìn)行，則傳熱的結(jié)果是高溫物體將熱量傳給了低溫物體，若兩個物體溫度相同，則物體間的輻射傳熱量等于零，但物體間輻射和吸收過程仍在進(jìn)行。2023/2/4113第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.5輻射傳熱基本定律5.5.1.5.1輻射能力物體只要具有一定溫度(T>0K)就會不斷向空間輻射出各種波長的輻射能。物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力，用E表示，單位W/m2。確定物體的輻射能力先需確定物體輻射某一波長的能力，物體發(fā)射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用EΛ表示，單位W/m2·μm。EΛ的大小不僅與波長Λ及溫度有關(guān)，而且與物體的性質(zhì)有關(guān)。2023/2/4114第5章傳熱過程基礎(chǔ)在一定溫度下物體的輻射能力可表示為：對于黑體，其輻射能力Eb則可表示為：2023/2/4115第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.5.2普朗克(M·Planck)定律普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規(guī)律，即表示黑體單色輻射能力EbΛ和波長Λ、熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，計算式為：式中：

Λ——

波長，μm；

T——

黑體的絕對溫度，K；

C1——普朗克第一常數(shù)，3.743×10-16

Ｗ·m2；C2——普朗克第二常數(shù)，1.4387×10-2m·K。2023/2/4116第5章傳熱過程基礎(chǔ)不同溫度下，EbΛ～Λ作圖，如圖示，每個溫度有一條能量分布曲線。在指定溫度下，黑體輻射各種波長的能量是不同的。但在某一波長可達(dá)到EbΛ的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長為0.4～0.8μm的范圍內(nèi)。2023/2/4117第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.5.3斯蒂芬-波爾茨曼(J·Stefan-D.Boltzman)定律斯蒂芬-波爾茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系：式中：σ0——黑體的輻射常數(shù)，5.67×10-8

W/(m2·K4)

C0——黑體的輻射系數(shù)，5.67W/(m2·K4)。2023/2/4118第5章傳熱過程基礎(chǔ)上式稱為斯蒂芬-波爾茨曼定律，它說明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比，故又稱為四次方定律。實驗證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應(yīng)用到灰體，此時定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：C－灰體的輻射系數(shù)，W/(m2·K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質(zhì)，表面狀況和溫度，且總是小于C02023/2/4119第5章傳熱過程基礎(chǔ)因C<C0，故在同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體，其比值稱為物體的黑度，以ε表示：因而只要知道物體的黑度，就可通過上式求得該物體的輻射能力。物體的黑度ε取決于物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況(表面粗糙度及氧化程度)，是物體本身的特性，與外界情況無關(guān)，一般通過實驗測定。常用工業(yè)材料的黑度列于書中表5-6。2023/2/4120第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.1.5.4克?；舴?Kirchhoff)定律克?；舴蚨山沂玖宋矬w的輻射能力E與吸收率A之間的關(guān)系。設(shè)有相距很近的平行平板1和2，從一板發(fā)射的輻射能可全部投射到另一平板上。板1：實際物體(灰體)，E1、A1、T1板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2T1>T2,板間介質(zhì)為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱12EbA1Eb(1－A1)Eb因板2為黑體，板1發(fā)射出的E1被板2全部吸收。板2發(fā)射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。E1E12023/2/4121第5章傳熱過程基礎(chǔ)對板1，輻射傳熱的結(jié)果為：Q/s=Q發(fā)射/s-Q接收/s=[E1+(1-A1)Eb]-Eb=E1-A1Eb輻射傳熱達(dá)到平衡時，即T1=T2時，Q/s=012EbA1Eb(1－A1)EbE1E1上式稱為克希霍夫定律，它表明任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體的絕對溫度有關(guān)。2023/2/4122第5章傳熱過程基礎(chǔ)實際上板1可用任何板代替，則上式可寫成：根據(jù)克?；舴蚨桑孩傥矬w的吸收率A愈大，其輻射能力E也愈大；②由A＝E/Eb與式ε＝E/Eb比較，A＝ε，即灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。2023/2/4123第5章傳熱過程基礎(chǔ)雖然A=ε，但A、ε物理意義不同：A：吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?shù)；ε：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分?jǐn)?shù)因物體的A測定比較困難，工程計算中常用ε代替。2023/2/4124第5章傳熱過程基礎(chǔ)5.5.2兩固體間的輻射傳熱Radiationbetweensurfaces

工業(yè)上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體處理，故較復(fù)雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對位置以及物體本身性質(zhì)有關(guān)。5.5.2.1不考慮幾何因素面積很大，距離很近