化工原理 第四章 熱量傳遞基礎

1、1,第四章 熱量傳遞基礎,4.1 概述 4.2 熱傳導 4.3 對流傳熱 4.4 冷凝與沸騰傳熱 4.5 輻射傳熱,2,4.1 概述,4.1.1 基本概念4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,3,4.1.1 基本概念,在化工生產中傳熱的應用主要是兩個方面：（1）強化傳熱 為了使物料滿足所要求的操作溫度進行的加熱或冷卻，希望熱量以所期望的速率進行傳遞； （2）削弱傳熱 為了使物料或設備減少熱量散失，而對管道或

2、設備進行保溫或保冷。,4,4.1.1 基本概念,1.傳熱速率與熱通量,傳熱速率Q 是指單位時間內通過傳熱面的熱量，又稱熱流量，其單位是W。,——表征了傳熱過程進行的快慢程度,,熱通量q 是指單位傳熱面積上的傳熱速率，又稱熱流密度，單位是W/m2。,熱通量與傳熱速率之間的關系為 ：,,5,4.1.1 基本概念,2.穩(wěn)態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱,熱量傳遞過程,穩(wěn)態(tài)傳熱,非穩(wěn)態(tài)傳熱,物體的溫度分布隨時間變化,物體中各點溫度不隨時間而改變,——連續(xù)生

3、產過程中的傳熱,——間歇操作的換熱設備和連續(xù)生產設備的啟動、停機過程以及變工況過程的熱量傳遞,,,,6,4.1.1 基本概念,3.溫度場與溫度梯度,物體內各點溫度的集合稱為溫度場 ，一般地，物體內任意點的溫度是時間和空間位置的函數，溫度場的數學表達式為,,——式中 t為溫度；x、y、z為空間坐標；t為時間。,溫度場,穩(wěn)態(tài)溫度場,非穩(wěn)態(tài)溫度場,物體的溫度分布隨時間變化,物體中各點溫度與時間無關,,,,7,4.1.1 基本概念,等溫面：,在

4、某一時刻，溫度場中溫度相同的點連成的面，等溫面不可能相交。,對于二維傳熱問題，物體中等溫面表現為等溫線，等溫線也不可能相交。,溫度隨空間位置的變化率以等溫面（線）的法線方向上為最大值，在等溫面（線）法線方向上的溫度變化率稱為溫度梯度，可表示為,,式中D n為法線n方向上的距離；grad（t）表示溫度梯度，是矢量，其方向垂直于等溫面（線），與等溫面（線）的法線方向一致，并以溫度增加的方向為正方向。,等溫線：,8,4.1.2 熱量傳遞的三種

5、基本方式,1.熱傳導 物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞稱為熱傳導，又稱導熱。,熱傳導現象可以用傅立葉(Fourier)定律來描述。,2.對流傳熱 對流僅發(fā)生于流體中，它是指由于流體的宏觀運動使流體各部分之間發(fā)生相對位移而導致的熱量傳遞過程 。,9,4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述，即當主體溫度為tf的

6、流體被溫度為tw的熱壁加熱時，單位面積上的加熱量可以表示為 ：,,當主體溫度為tf的流體被溫度為tw的冷壁冷卻時，有,式中q為對流傳熱的熱通量，W/m2；a為比例系數，稱為對流傳熱系數, W/(m2·℃)。牛頓冷卻公式表明，單位面積上的對流傳熱速率與溫差成正比關系。,10,4.1.2 熱量傳遞的三種基本方式,3.熱輻射,輻射是一種通過電磁波傳遞能量的過程。物體因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因發(fā)出輻射能的現象稱為熱輻射。,與

7、熱傳導和對流傳熱不同，輻射傳熱無須借助中間介質的存在來傳遞熱量，可以在真空中傳遞。,雖然物體可以熱輻射的方式進行熱量傳遞，但一般只在高溫或低溫下才成為主要傳熱方式。,11,4.2 熱傳導,4.2.1 熱傳導的基本定律—傅立葉定律4.2.2 導熱系數4.2.3 熱傳導微分方程及其定解條件4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導4.2.5 非穩(wěn)態(tài)熱傳導4.2.6 熱傳導問題的數值解法,12,4.2.1 熱傳導的基本定律—傅立葉定律,大量的實踐表明,

8、熱量以傳導形式傳遞時，單位時間內通過單位面積所傳遞的熱量與當地溫度梯度成正比。對于一維問題，可表示為,,——為x方向上的溫度梯度,℃/m或K/m；,——式中l(wèi)為比例系數，稱為導熱系數，W/(m·℃) 或W/(m·K)；,——q為熱通量, W/m2；,——負號表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向。,,13,4.2.1 熱傳導的基本定律—傅立葉定律,當物體溫度是三維空間坐標的函數時，則熱通量矢量表示為,,——式中 為空

9、間某點的溫度梯度；,,—— 是通過該點的等溫線上的法向單位矢量，指 向溫度升高的方向。,14,4.2.2 導熱系數,1.定義式,?的物理意義：表示溫度梯度為1K/m或1℃/m時，單位時間通過單位面積的熱量。即：單位溫度梯度下的熱通量。,說明：,（1）導熱系數越大，物體的導熱性能越好，即在相同的溫度梯度下傳熱速率越大。,（2） 各類物質導熱系數的近似關系：,15,4.2.2 導熱系數,2.影響因素,大多數均一的固體，其導熱系

10、數在一定溫度范圍內與溫度近似成直線關系，可用下式表示：,,——式中l(wèi)0為固體在0℃時的導熱系數，k為溫度系數，1/℃, 對大多數金屬材料為負值，對大多數非金屬固體材料為正值。,有機均相混合液體的導熱系數可用下式估算,,有機水溶液的導熱系數的估算式為,,——式中wi為組分i的質量分數，li為純組分i的導熱系數。,16,4.2.2 導熱系數,氣體的導熱系數l與粘度m之間有以下簡單關系,,（單原子氣體）,（多原子氣體）,——式中R為通用氣體常

11、數，J/(kmol·K)；M為相對分子質量，kg/kmol；cp為定壓比熱，J/(kg·K)；m的單位為Pa·s。,在相當大的壓力范圍內，氣體的導熱系數隨壓力的變化較小，可以忽略不計。只有在壓力極高（>200MPa）或極低（<2700Pa）的情況下，才須考慮壓力的影響，此時氣體的導熱系數隨壓力增加而增大。,17,4.2.3 熱傳導微分方程及其定解條件,,物體內微元體的熱量衡算,1.直角坐標系三

12、維物體導熱微分方程式,,18,4.2.3 熱傳導微分方程及其定解條件,(1)導熱系數為常數時,,(2)導熱系數為常數且物體內無內熱源,,(3)常物性，穩(wěn)態(tài)熱傳導,,泊桑（Poisson）方程,19,4.2.3 熱傳導微分方程及其定解條件,(4)常物性，無內熱源，穩(wěn)態(tài)熱傳導,,2.柱坐標三維物體導熱微分方程式,,3.球坐標三維物體導熱微分方程式,,,(4-1) 拉普拉斯（Laplace）方程,,(4-1a),20,4.2.3 熱傳導微分方

13、程及其定解條件,在物體邊界上，傳熱邊界條件可分為以下三類,(1)已知物體邊界壁面的溫度，稱為第一類邊界條件,t>0,,(2)已知物體邊界壁面的熱通量值，稱為第二類邊界條件,t>0,,物體邊界處絕熱 t>0,,21,4.2.3 熱傳導微分方程及其定解條件,(3)已知物體壁面處的對流傳熱條件，稱為第三類邊 界條件,物體被加熱 t>0,,,物體被冷卻 t>0,,,——式中a和tf都可以是時間的函數，此時物體

14、壁面的溫度是待求解的物理量。,22,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,1.通過平壁的熱傳導,圖P175,熱傳導微分方程式（4-1）可得 :,,x=0時,邊界條件為,x=b時,,,對(4-2)連續(xù)積分兩次，得其通解為,（4-3）,,,積分常數由二個邊界條件確定 ,故有,——溫度分布為線性函數,（4-2）,23,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,將式（4-3）代入傅立葉定律，得到熱通量的表達式,,對于導熱面積為A的平壁，熱傳導的速率為,,,可改寫為,,稱為熱阻

15、,Q是熱傳導過程中所傳遞的熱流量，它與過程的推動力Dt成正比，而與傳遞過程的阻力R成反比，熱阻越大，熱流量越小，傳熱速率越低。,24,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,在多層壁的熱傳導中,,圖P176,各層分界接觸面上的溫度可以利用式（4-4）依次計算出。,,,或,（4-4）,即,,,對n層平壁，有：,25,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,使用(4－4)式的幾個假設： 1. 平壁A大，b??； 2. 材料均勻，?=const； 3. 溫度僅沿 x 變

16、化，且不隨 時間變化； 4. 各層接觸良好，且接觸面 兩側溫度相同； 5. 熱量損失可以忽略。,26,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,2.通過圓筒壁的熱傳導,圖P177,圓筒壁上的熱傳導滿足圓柱坐標系下的熱傳導微分方程式（4-1a）,經過簡化，得到,邊界條件為,r=r1時,r=r2時,對(4-5)連續(xù)積分兩次，得其通解為,（4-5）,,27,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,式中的積分常數由邊界條件確定?？傻脠A筒壁內的溫度分布為,

17、,將式（4-6）代入傅立葉定律，即可求得通過圓筒壁的熱通量,——溫度分布為對數函數形式,（4-6）,,,,為熱阻,（4-7）,28,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,式（4-7）還可改寫為,,式中， ，為圓筒壁的厚度； ，為平均傳熱面積，其中 ，稱為對數平均半徑。,對于n層圓筒壁,,圖P178,29,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,例4-1 為了減少熱損失和保證安全工作條件，在外徑為159mm的蒸汽管道

18、上包覆保溫層。蒸汽管道外壁的溫度為300℃。保溫材料為水泥珍珠巖制品，水泥珍珠巖制品的導熱系數隨溫度的變化關系為。要求包覆保溫層后外壁的溫度不超過50℃，并要求將每米長度上的熱損失控制在300W/m，則保溫層的厚度為多少？,30,4.2.4 穩(wěn)態(tài)熱傳導,3.通過球殼壁的熱傳導,,在球殼壁內的溫度分布、熱流量和熱傳導熱阻的計算式分別為,對于多層球殼壁熱傳導問題可仿多層圓筒壁的計算方法寫出。,31,4.2.5 非穩(wěn)態(tài)熱傳導,由于物體內溫度場

19、隨時間變化，物體內的熱流量也隨時間發(fā)生變化，因此非穩(wěn)態(tài)熱傳導問題比穩(wěn)態(tài)問題的計算復雜。,（1）集總參數法的簡化分析,（2）半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)熱傳導,（3）有限厚度平板的非穩(wěn)態(tài)熱傳導,32,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,1.有限差分法的一般步驟與基本概念,①有限差分方法的應用一般可以分為五個步驟進行，即,（1）建立物理問題的控制方程及定解條件；,（2）控制區(qū)域的離散化；,（3）建立離散節(jié)點上物理量的代數方程；,（4）求解代數方程組；

20、,（5）計算結果的分析。,33,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,圖P186,如圖所示的矩形物體的熱傳導問題，屬于無內熱源、常物性的二維穩(wěn)態(tài)熱傳導，其控制方程可采用拉普拉斯方程描述：,,34,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,在直角坐標系中，用一系列與坐標軸平行的網格線將求解區(qū)域劃分為許多子區(qū)域，以網格線的交點作為確定待求溫度值的空間位置，稱為節(jié)點（或結點）。,處于物體內部的節(jié)點稱為內節(jié)點，而網格線與物體邊界線的交點，稱為邊界節(jié)點。相鄰

21、兩個節(jié)點之間的距離稱為步長，分別以Dx、Dy表示。在兩個坐標方向上的步長可以等值，稱為均分網格；也可以取不同的值，稱為非均分網格。,每一個節(jié)點都可以看作以它為中心的一個小區(qū)域的代表，圖中陰影部分所包括的區(qū)域即是節(jié)點（m，n）所代表的區(qū)域，它由相鄰兩節(jié)點連線的中垂線構成。我們將這個節(jié)點所代表的小區(qū)域稱為元體（或控制容積）。,②一些基本概念,35,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,2.內節(jié)點離散方程建立,建立內節(jié)點離散方程的方法有泰勒級數展

22、開法和熱平衡法兩種，控制容積熱平衡法是對節(jié)點所屬控制容積進行能量平衡，利用傅立葉定律得到離散方程的方法。,,,,當 ，上式簡化為,,圖P187,36,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,3.邊界條件的處理與方程的求解,（1）平直邊界上的節(jié)點,,當 ，上式簡化為,,圖P188,（4－8a）,(4－8b),37,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,（2）外部角點,,當 ，上式簡化為,（3）內部角點,,當

23、 ，上式簡化為,,（4－9b）,（4－9a）,（4－10a）,（4－10b）,38,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,qw的三種形式,①絕熱邊界條件,對于式（4-8）～（4-10）中令qw等于零即可,②給定邊界上的qw,將給定常數qw的代入方程式（4-9）～（4-10）中即可,③對流傳熱邊界,39,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,平直邊界,外部角點,內部角點,,,40,4.2.6 熱傳導問題的數值解法,代數方程組的求解方法,

24、直接解法,迭代法,如矩陣求逆、高斯消去法等，其缺點是計算中需要的內存量較大，當代數方程組龐大時，計算不便。,常用的迭代法有高斯-賽德爾迭代法、牛頓-拉夫森迭代法等。迭代法的一般步驟是：先假定代數方程的初始解，在迭代計算中不斷地改進初始解，直到計算前的假定值與計算后的結果相差小于允許值為止，此時稱迭代計算收斂。,41,4.3 對流傳熱,4.3.1 對流傳熱概述4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法4.3.3 因次分析法在對流傳熱中

25、的應用4.3.4 管內強制對流傳熱4.3.5 管外強制對流傳熱4.3.6 自然對流傳熱,42,4.3.1 對流傳熱概述,同溫度的流體各部分之間，或流體與固體壁面之間作整體相對位移時所發(fā)生的熱量傳遞過程，稱為對流傳熱。對流傳熱過程的傳熱速率可以用牛頓冷卻公式計算，即,,,或,,常見對流傳熱的分類方法如右圖所示：,43,4.3.1 對流傳熱概述,影響對流傳熱的因素,①流體的集態(tài)變化,②引起流動的原因,③流體的流動型態(tài),④流體的物理性質

26、,⑤傳熱面的幾何因素,單相流動,有相變的流動,強制對流,自然對流,層流,湍流,比熱、導熱系數、密度和粘度等,傳熱表面的形狀、大小、流體與傳熱面作相對運動的位置和方向以及傳熱面的表面狀況,,,,,,44,4.3.1 對流傳熱概述,表4-1 對流傳熱系數數值的范圍,下表給出了幾種對流傳熱條件下，對流傳熱系數的大致范圍,45,4.3.1 對流傳熱概述,研究對流傳熱的主要目的是要揭示對流傳熱的各種影響因素及其內在聯(lián)系，以及確定對流傳熱系數a的具

27、體計算式。目前，獲得對流傳熱系數的表達式的方法有以下四種：,①分析法,②實驗法,③類比法,④數值法,對流傳熱問題的偏微分方程及其定解條件進行數學求解，?速度場和溫度場?對流傳熱系數和傳熱速率的分析解。,采用實驗法獲得對流傳熱系數的計算式應當在相似原理或因次分析法的指導下進行 。,類比法是通過研究動量傳遞與熱量傳遞的類似性，以建立對流傳熱系數與流動的阻力系數之間相互關系的方法。,將對流傳熱的偏微分控制方程用離散方程替代， ?用代數方法進行

28、求解?對流傳熱系數和傳熱速率。,46,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,流體流過平板時的對流傳熱也可以分為兩個區(qū)域：熱邊界層區(qū)和主流區(qū)。在主流區(qū)，流體的溫度變化率接近于零，不發(fā)生熱量傳遞，故熱量傳遞主要集中在熱邊界層內。,圖P194,圖4-16表示出溫度邊界層與速度邊界層的示意圖。,47,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,應用邊界層積分方程求解對流傳熱問題的基本思想：,（1）不要求守恒定律對邊界層內的每一個微元體都成

29、立，而只是對包括固體邊界及邊界層外緣在內的有限大小的控制容積建立能量衡算的表達式，即邊界層的積分方程。,（2）對邊界層中速度分布和溫度分布的函數形式作出假設，在這些函數形式中包含有速度邊界層厚度、熱邊界層厚度和一些待定常數。,（3）利用壁面和邊界層外緣處的傳熱邊界條件確定這些待定常數，解出溫度邊界層厚度的表達式，進而確定邊界層內的溫度分布。,（4）根據溫度分布的表達式計算壁面處的溫度梯度，利用傅立葉定律計算熱傳遞速率。一般將計算結果整理

30、成對流傳熱系數的形式。,48,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,,對控制容積A-B-C-D-A進行熱量衡算，通過AB，CD,BC和DA面進入控制容積的傳熱速率分別為,,,,,在穩(wěn)態(tài)條件下，對控制容積作熱量衡算，即,,49,4.3.2 層流流動對流傳熱的近似分析解法,將上述各個分量的表達式代入上式，經整理和化簡后，得,,——邊界層的積分能量方程,上式適用于層流或湍流，但僅適用于流體粘性和流速均不是很高的場合。,50,4.3.3

31、因次分析法在對流傳熱中的應用,對流傳熱系數可以表示為,,對流傳熱系數a可以用一個簡單的指數函數表示,,,式中：流體的流速u、傳熱設備的特征長度L、流體的粘度m、導熱系數l、密度r、比熱cp和浮升力gbDt等。,,,無因次準數的函數形式,51,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應用,1.努塞爾準數（Nusselt）， Nu :,2.雷諾準數（Reynold）， Re :,,,,,準數的定義與物理意義,對流傳熱與厚度為L的流體層內的熱傳導

32、之比。努塞爾數越大，對流傳熱的傳熱強度也越大。它反映了固體壁面處的無因次溫度梯度的大小。,慣性力與粘性力之比。雷諾數小，表示流體的粘性力起控制作用，抑制流層的擾動，隨著雷諾數的增大，流體中流體微團的擾動加劇，壁面處的溫度梯度增大，對流傳熱系數增大。,52,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應用,3.普朗特準數（Prandtl）， Pr :,4.格拉曉夫準數（Grashof）， Gr :,動量擴散與熱量擴散之比。它表征了流體的動量

33、傳遞能力與熱量傳遞能力的相對強弱。普朗特數越小，流體的傳熱能力越強；反之，則流體的傳熱能力越差。,浮升力與粘性力之比 。它反映了由于流體中溫度差引起密度差所導致的浮升力對對流傳熱的影響。它在自然對流中的作用與強制對流中雷諾數的作用相當。,53,4.3.3 因次分析法在對流傳熱中的應用,對于不同的傳熱情況，準數方程還可以簡化：,對于湍流強制對流傳熱，自然對流的影響可以忽略，準數關聯(lián)式變?yōu)?,對于自然對流傳熱，可以忽略慣性力的影響而將準則

34、方程寫為,,對于層流和過渡流區(qū)的強制對流傳熱，浮升力的影響不能忽略，準數關聯(lián)式仍表示為式,54,4.3.4 管內強制對流傳熱,1.流體在圓形直管內作湍流時的對流傳熱系數,由于流體呈湍流時有利于傳熱，故工業(yè)上一般使對流傳熱過程在湍流條件下進行。,,,或,★適用范圍：Re>104；0.7<Pr<120；?<2mPa·s(低粘度)；l/d≥60,定性溫度取 ，特征尺

35、寸為管內徑di 流體被加熱時，n＝0.4；被冷卻時，n＝0.3。,① 對于低粘度流體：,55,4.3.4 管內強制對流傳熱,? u?,??u0.8? ? ? d?, ??1/d0.2 ? ? ? 流體物性的影響，選?、ρ較大或μ較小的流體? ? ?,強化對流傳熱的措施：,② 對高粘度流體?的修正式：,適用范圍： Re>104,0.7<Pr<160,l/d≥60;定性溫度取 tm，特征尺寸為di，

36、 μW取壁溫下的粘度。,56,4.3.4 管內強制對流傳熱,③對于短管（管長與管徑之比 ）內的強制對流傳熱計算對流傳熱系數時應進行入口效應的修正，即,,,57,4.3.4 管內強制對流傳熱,2.流體在圓形直管內呈過渡流時的對流傳熱系數 （2300<Re<104 ）,,對流傳熱系數可先用湍流時的經驗關聯(lián)式計算，然后將計算所得到的對流傳熱系數再乘以小于1的修正系數，即,還可以采用格尼林斯基公式計算，該式既適用于

37、過渡流狀態(tài)也適用于湍流狀態(tài),,58,4.3.4 管內強制對流傳熱,,,,,,對于液體,對于氣體,式中,式中以流體平均溫度作為定性溫度，下標w表示以壁面溫度為定性溫度，T的單位為K。關聯(lián)式的應用范圍為：Re=2300～106，Pr=0.6～105。注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效應的修正系數，在應用于短管的計算時不需要再乘入口修正系數。,59,4.3.4 管內強制對流傳熱,特點： ① 物性(特別是粘度)受管內溫度不均勻

38、性的影響，導致速度分布受熱流方向影響； ② 因受熱而產生的自然對流對層流的?影響大，使得對流傳熱系數提高； ③ 層流要求的進口段長度長，實際進口段長度小時，對流傳熱系數提高。,熱流方向對層流速度分布的影響,3.流體在圓形直管內作層流時的對流傳熱系數,,關聯(lián)式：,60,4.3.4 管內強制對流傳熱,定性溫度均取流體的平均溫度，特征長度為管內徑d。上式的適用范圍為：,,,,,61,4.3.4 管內強制對流傳熱

39、,4.流體在圓形彎管內的流動,可先按圓形直管的經驗關聯(lián)式計算對流傳熱系數a，然后再乘以大于1的修正系數，即可得在彎管中的對流傳熱系數a'，即,,62,4.3.4 管內強制對流傳熱,5.流體在非圓形管內的流動,① 當量直徑法,② 直接實驗法,例如對套管環(huán)隙：水-空氣系統(tǒng),水-空氣系統(tǒng)的套管環(huán)隙；12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1為內管外徑，d2為外管內徑，de=d2-d1為套管環(huán)隙中

40、流通截面的當量直徑 。,用de代替圓管內徑di計算，但u求解時不用de直接計算，而要用實際的流通面積計算。,適用范圍：,,63,4.3.5 管外強制對流傳熱,1.流體橫向流過管束,流體在橫向流過管束時，每一排管上的平均對流傳熱系數可用以下關聯(lián)式計算,,對整個管束：,適用范圍：,定性溫度：,特征尺寸：管的外徑do,64,4.3.5 管外強制對流傳熱,在整個管束上的平均對流傳熱系數可由下式計算,,i=1，…，n,式中ai為第i排管子的平均對

41、流傳熱系數，Ai為第i排管子的總傳熱面積。,65,4.3.5 管外強制對流傳熱,2.流體在管殼間的對流傳熱,對于裝有弓形折流擋板的列管式換熱器，可以采用以下關聯(lián)式計算管殼間的對流傳熱系數,,定性溫度：,特征尺寸：當量直徑de,適用范圍Re=2×103～106,66,4.3.5 管外強制對流傳熱,正方形排列：,正三角形排列：,特征速度按流體通過管束間的最大流通截面積A,,——s為兩相鄰折流擋板之間的距離，D為換熱器殼體的內徑。

42、,67,4.3.6 自然對流傳熱,由于流體內部存在溫度差導致流體中質量力分布不均勻所引起的流動，稱為自然對流。自然對流傳熱可分為大空間自然對流傳熱和有限空間自然對流傳熱兩類。,自然對流的對流傳熱系數僅與Gr數和Pr數有關,,,或,定性溫度：特征尺寸：垂直的管或板為高度，水平管為管外徑,適用范圍：,注意： c、n與傳熱面的形狀（管或板）、傳熱面的放置位置（垂直、水平）有關， 式中Δt = tw-t。,68,4.4 冷凝與沸騰傳熱,4.

43、4.1 冷凝傳熱 4.4.2 影響冷凝傳熱的因素和冷凝傳熱的強化 4.4.3 沸騰傳熱過程 4.4.4 影響沸騰傳熱的因素及強化途徑,69,4.4.1 冷凝傳熱,蒸汽與低于飽和溫度的壁面接觸時有兩種不同的冷凝形式。如下圖所示。,膜狀冷凝,珠狀冷凝,70,4.4.1 冷凝傳熱,1.純蒸汽在豎壁上進行膜狀冷凝時的對流傳熱系數,湍流(Re>1800)時：,層流(Re<1800)時 ：,,,特征尺寸L：管或板高H；定性

44、溫度：膜溫,適用范圍：,71,4.4.1 冷凝傳熱,2.水平單管和管束外的冷凝傳熱,,,適用范圍：,,式中：n——水平管束在垂直列上的管子數； r——汽化潛熱（ts下），kJ/kg。,特征尺寸l：水平管外徑do,定性溫度：膜溫,72,4.4.2 影響冷凝傳熱的因素和冷凝傳熱的強化,,① 流體物性：冷凝液?? 、??、??? ?? ；潛熱r? → ?? ② 溫差：液膜層流流動時，?t=ts－tW?，??,

45、?? ③ 不凝氣體：不凝氣體的存在會導致???（1%不凝氣可使??60%），所以應該定期排放,④ 蒸汽流速與流向(u>10m/s)： 蒸汽與液膜同向時u????,??；反向時u????,??；u??時 ??(無論方向)。因此蒸汽進口一般設在換熱器上部，以避免蒸 汽與液膜逆向流動使??。,⑤ 蒸汽過熱：包括冷卻和冷凝兩個過程。,⑥ 冷凝面的形狀和位置：以減少冷凝液膜的厚度并??作為目的。垂直板或管

46、：可開縱向溝槽；水平管束：可采用錯列,73,4.4.3 沸騰傳熱過程,液體與高溫壁面接觸被加熱汽化并產生氣泡的過程稱為沸騰傳熱。,大容積沸騰：加熱面沉浸在無宏觀流速的液體表面下所產生的沸騰 強制對流沸騰 ：液體以一定流速在加熱管管內（或其他形狀截面通道內）流動時的沸騰,沸騰分類,,1.大容器沸騰傳熱機理,液體內部不斷地產生汽泡是沸騰過程最主要的特征。,汽化核心?生成汽泡?長大?脫離壁面?新汽泡形成?攪動液層,74,4.4.3 沸騰傳

47、熱過程,沸騰曲線,①自然對流階段(Ⅰ區(qū))② 核狀沸騰階段(Ⅱ區(qū))③ 不穩(wěn)定膜狀沸騰(Ⅲ區(qū)左)④ 穩(wěn)定膜狀沸騰(Ⅲ區(qū)右),將由核狀沸騰→膜狀沸騰的轉變點稱為臨界點或燒毀點。,75,4.4.3 沸騰傳熱過程,2.大容器沸騰的傳熱關系式,①大容器飽和核態(tài)沸騰,羅森諾提出以下實驗關聯(lián)式用于計算沸騰熱流通量q或壁面上沸騰溫差Dt：,,,式中 為沸騰溫差，℃；q為熱流通量，W/m2；cpl為飽和液體的定壓比熱，J/（kg．K）；P

48、rl為飽和液體的普朗特數；rl、rv分別為飽和液體和飽和氣體的密度，kg/m3；r為飽和溫度下的汽化潛熱，J/kg；s為液體-蒸汽界面上的表面張力，N/m；n為液相普朗特數的指數；Cwl為取決于加熱表面與液體組合情況的經驗常數。僅適用于單組分飽和液體在清潔表面上的核態(tài)沸騰 。,76,4.4.3 沸騰傳熱過程,②大容器沸騰的臨界熱通量,沸騰傳熱臨界熱通量的經驗方程可以表示為,,77,4.4.4 影響沸騰傳熱的因素及強化途徑,強化措施：加表

49、面活性劑（乙醇、丙酮等）,③ 操作壓強：,① 液體的性質：,② 溫差：,在核狀沸騰階段溫差提高，??,④ 加熱面：,新的、潔凈的、粗糙的加熱面，?大； 強化措施：將表面腐蝕，燒結金屬粒。,對于水在105~4×106Pa下，有：,78,4.5 輻射傳熱,4.5.1 熱輻射的基本概念4.5.2 輻射基本定律4.5.3 固體間的輻射傳熱4.5.4 氣體的熱輻射4.5.5對流與輻射的復合傳熱,79,4.5.

50、1 熱輻射的基本概念,1. 輻射：物體通過電磁波來傳遞能量的過程。,2. 熱輻射：物體由于熱的原因以電磁波的形式向外發(fā)射能量的過程。,1. 輻射與熱輻射,電磁波的波長范圍極廣，但是在工業(yè)中所遇到的溫度范圍內，能夠被物體吸收而轉變?yōu)闊崮艿妮椛渲饕羌t外線（0.76～100?m）和可見光(0.38～0.76 ?m)兩部分 。紅外線和可見光統(tǒng)稱為熱射線 。,特點： 能量傳遞的同時還伴隨著能量形式的轉換； 不需要任何介質，可在真空中傳播。,

51、80,4.5.1 熱輻射的基本概念,如圖4-35所示，熱輻射的能量投射到物體表面時，在入射的總輻射能量Q中，有Qa的能量被吸收，Qr的能量被反射，其余Qt的能量穿透了物體。根據能量守恒定律，得,,圖4-35 輻射能的吸收、反射和穿透,,,或,,,吸收率,反射率,穿透率,令,則,2.熱輻射對物體的作用,81,4.5.1 熱輻射的基本概念,3.輻射體的分類,①若a=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部被物體所吸收。這種物體稱為絕對黑體

52、，或簡稱黑體。均勻溫度封閉空腔上小孔的輻射特性接近于黑體。,②若r=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部被物體所反射出去。這種物體稱為絕對白體或鏡體。,③若t=1，則表示投射到物體表面上的輻射能可以全部穿透物體。這種物體稱為絕對透明體，或透熱體。,,④ 能以相同吸收率吸收所有波長的輻射能的物體。是一種理想化的物體，屬于不透體，稱為灰體。 t=0,82,4.5.2 輻射基本定律,1.輻射能力與斯蒂芬—波爾茨曼定律,

53、① 輻射能力E：指物體在一定溫度下，單位表面積在單位時間內所發(fā)射的全部輻射能（波長從0到?），以E表示，W/m2。,② 物體的黑度?：指同溫度下物體與黑體輻射能力之比。,因同一溫度下，實際物體的輻射能力恒小于同溫度下黑體的輻射能力，故ε(<1)是物體輻射能力接近黑體輻射能力的程度。,ε與物體種類、表面溫度、表面狀況、波長有關，是物體的一種性質，只與物體本身狀況有關，與外界因素無關。,③ 黑度?的影響因素：,83,4.5.2 輻

54、射基本定律,④斯蒂芬—波爾茨曼定律,式中 ?0──黑體輻射常數，=5.67× 10-8W/(m2 .K4)； C0──黑體輻射系數，=5.67W/(m2 .K4),由于多數工程材料在波長范圍內的吸收率隨波長變化不大，可把這些物體視為灰體。其輻射能力為：,式中C——灰體的輻射系數， C=5.669?W/(m2.K4),84,4.5.2 輻射基本定律,2.克希霍夫定律,,圖4-36 平行平

55、壁間的輻射傳熱,T1=T2,,,,對任意物體：,則,兩個壁面溫度相等時 ：,——克?；舴蚨?克?；舴蚨杀砻?，物體的吸收率越大，其發(fā)射能力也越強，也就是說善于吸收的物體必然善于發(fā)射。因而，在所有物體中，黑體的輻射能力最強。,,85,4.5.3 固體間的輻射傳熱,1.角系數,角系數表示物體i的表面輻射總能量落到另一物體j上的份額，即,,——它與物體的形狀、大小、相互位置以及兩物體之間的距離等幾何因素有關，因而又稱為幾何因子。,86,4.

56、5.3 固體間的輻射傳熱,,理論上可以證明，對于任意兩物體壁面之間的輻射，如圖4-38所示，其角系數可以表示為,,圖4-38 任意兩個表面間輻射的幾何關系,,,——式中 和 為輻射射線與壁面微元法線之間的夾角；和為兩任意物體壁面的面積；r為兩壁面微元面積之間的距離。,87,4.5.3 固體間的輻射傳熱,2.角系數的性質,角系數的相對性,,角系數的完整性,,角系數的可加性,88,4.5.3 固體間的輻射傳熱,3.灰體間的輻射傳熱,任意

57、兩個壁面A1和A2作相互輻射傳熱時，壁面A1與壁面A2的凈輻射傳熱量Q12可以表示為,,——式中J1、J2分別表示壁面A1與壁面A2的有效輻射,,由角系數的相對性，可得：,,定義 為壁面輻射的空間熱阻?？臻g熱阻僅與角系數和壁面的表面積有關。,89,4.5.3 固體間的輻射傳熱,對于輻射傳熱計算，可以采用與電路中電流計算相類似的方法來計算輻射傳熱量。這種將輻射熱阻類比為等效電阻從而通過等效網絡圖來求解輻射傳熱的方法，稱為輻射

58、傳熱的網絡法。,輻射傳熱的網絡法,如兩個灰體表面間的輻射傳熱,,,,由兩個灰體表面組成的封閉腔,輻射傳熱等效網絡,90,4.5.4 氣體的熱輻射,與固體間輻射傳熱相比，氣體的熱輻射具有以下兩個主要特點：,1．氣體的輻射和吸收對波長具有強烈的選擇性,氣體只能輻射或吸收某些波長范圍內的輻射能，通常把這種有輻射或吸收能力的波長范圍稱為光帶。,如：,由于氣體輻射對波長具有選擇性的特點，氣體不是灰體！,91,4.5.4 氣體的熱輻射,2．氣體的輻

59、射和吸收是在整個容積內進行,固體或液體的輻射都是在物體的表面上進行，而氣體的輻射和吸收是在整個容積內進行。氣體的輻射和吸收與氣體層的形狀和容積大小有關。,雖然氣體的輻射能力不遵從四次方定律，但在工程上，為了計算方便，氣體的輻射能力仍寫成四次方定律的形式,,平均射線行程的概念,——將計算誤差歸結到氣體的黑度中進行修正,92,4.5.5對流與輻射的復合傳熱,由對流傳熱而散失的熱量為,,由輻射而散失的熱量為,,為了計算方便，常將輻射傳熱的傳熱