第六章传热 6.1教学基本要求：(12学时) 传热过程加热和冷却方法：传热速率。 热传导傅利叶定律：常用工程材料的导热系数：一维导热的计算。 对流给热牛顿冷却定律：自然对流：管内强制对流（湍流）给热系数经验式：沸腾给热 和沸腾曲线：蒸汽冷凝给热 间壁换热过程热量衡算和传热速率式：传热平均温度差，热阻和传热系数：垢层热阻 传热计算传热设计型问题的参数选择和计算方法：传热操作型问题的讨论和计算。 换热器列管式换热器的设计与选型：常用换热器的结构。 6.2基本概念： 传热目的传热操作目的主要有①加热、冷却物料：②回收热量或冷量：③保温，减少 热量或冷量损失。 传热过程的三种基本方式直接接触式、间壁式、蓄热式。 载热体为将冷 工艺物料加热或热工艺物料冷却，必须用另一种流体供给或取走热量 此流体称为载热体。用于加热的称为加热剂：用于冷却的称为冷却剂。 三种传热机理的物理本质传导的物理本质是分子热运动、分子碰撞及自由电子迁移： 对流的物理本质是流动流体载热：热辐射的物理本质是电磁波。 间壁换热传热过程的三个步骤热量从热流体对流至壁面，经壁内热传导至另一侧，由 壁面对流至冷流体 导热系数物质的导热系数与物质的种类、物态、温度、压力有关。 热阻将传热速率表达成温差推动力除以阻力的形式，该阻力即为热阻 推动力高温物体向低温传热，两者的温度差就是推动力。 流动对传热的贡献流动流体载热 强制对流传热在人为造成强制流动条件下的对流传热。 自然对流传热因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热。自然对流传热时 加热、冷却面的位置应该是加热面在下，制冷面在上，这样有利于形成充分的对流流动。 务塞尔数、普朗特数的物理意义 努塞尔数的物理意义是对流传热速率与导热传热速号 之比。普朗特数的物理意义是动量扩散系数与热量扩散系数之比，在α关联式中表示了物性 对传热的贡献。 ā关联式的宗性尺寸、定性温度用干确定关联式中的雷诺数第准数的长府变量、物州 数据的温度。比如，圆管内的强制对流传热，定性尺寸为管径、定性温度为进出口平均温 度。 大容积自然对流的自动模化区自然对流ā与高度1无关的区域。 液体沸避的两个必要条件热度W一ts、汽化核心 核状沸 汽泡依次产生和脱离加热面 对液休刷烈授动 4随 △t急刷上升 膜状沸腾 由于汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条 件变差。 临界点从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。 沸腾给热的强化改善加热表面，提供更多的汽化核心：沸腾液体加添加剂，降低表面 张力
46 第六章 传热 6.1 教学基本要求：(12 学时) 传热过程 加热和冷却方法；传热速率。 热传导 傅利叶定律；常用工程材料的导热系数；一维导热的计算。 对流给热 牛顿冷却定律；自然对流；管内强制对流(湍流)给热系数经验式；沸腾给热 和沸腾曲线；蒸汽冷凝给热。 间壁换热过程 热量衡算和传热速率式；传热平均温度差，热阻和传热系数；垢层热阻。 传热计算 传热设计型问题的参数选择和计算方法；传热操作型问题的讨论和计算。 换热器 列管式换热器的设计与选型；常用换热器的结构。 6.2 基本概念： 传热目的 传热操作目的主要有①加热、冷却物料；②回收热量或冷量；③保温，减少 热量或冷量损失。 传热过程的三种基本方式 直接接触式、间壁式、蓄热式。 载热体 为将冷工艺物料加热或热工艺物料冷却，必须用另一种流体供给或取走热量， 此流体称为载热体。用于加热的称为加热剂；用于冷却的称为冷却剂。 三种传热机理的物理本质 传导的物理本质是分子热运动、分子碰撞及自由电子迁移； 对流的物理本质是流动流体载热；热辐射的物理本质是电磁波。 间壁换热传热过程的三个步骤 热量从热流体对流至壁面，经壁内热传导至另一侧，由 壁面对流至冷流体。 导热系数 物质的导热系数与物质的种类、物态、温度、压力有关。 热阻 将传热速率表达成温差推动力除以阻力的形式，该阻力即为热阻。 推动力 高温物体向低温传热，两者的温度差就是推动力。 流动对传热的贡献 流动流体载热。 强制对流传热 在人为造成强制流动条件下的对流传热。 自然对流传热 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热。自然对流传热时， 加热、冷却面的位置应该是加热面在下，制冷面在上，这样有利于形成充分的对流流动。 努塞尔数、普朗特数的物理意义 努塞尔数的物理意义是对流传热速率与导热传热速率 之比。普朗特数的物理意义是动量扩散系数与热量扩散系数之比，在α关联式中表示了物性 对传热的贡献。 α关联式的定性尺寸、定性温度 用于确定关联式中的雷诺数等准数的长度变量、物性 数据的温度。比如，圆管内的强制对流传热，定性尺寸为管径 d、定性温度为进出口平均温 度。 大容积自然对流的自动模化区 自然对流α与高度 l 无关的区域。 液体沸腾的两个必要条件 过热度 tw-ts、汽化核心。 核状沸腾 汽泡依次产生和脱离加热面，对液体剧烈搅动，使α随Δt 急剧上升。 膜状沸腾 由于汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条 件变差。 临界点 从核状沸腾变为膜状沸腾的转折点。 沸腾给热的强化 改善加热表面，提供更多的汽化核心；沸腾液体加添加剂，降低表面 张力
蒸汽冷凝的两种形式滴状冷凝，膜状冷凝。工业传热按膜状冷凝计算，因为滴状冷凝 不能持久。 排放不凝性气体不凝性气体的存在，会降低蒸汽的压力，形成额外热阻。排放不凝性 气体的目的是避免其积累，提高ā。 黑体吸收率等于1的物体为黑体。 黑度实际物体辐射能力与同温度黑体的辐射能力之比。 对各种波长辐射能具有同样吸收率的理想物体 克希霍夫定律同一灰体的吸收率与其黑度在数值上相等，￡=。 角系数仅与可见面积大小、角度、距离有关。 传热过程的控制步臻该步骤阻力远大于其他各步骤的阻力之和，传热速率由该步骤所 决定 传热操作线换热器同一横截面上热流体温度T与冷流体温度t的关系，它是换热器段 的热量衡算结果。 逆流、并流换热器中冷热流体相向而流称为逆流，同向而流称为并流。 6.3基本内容： 本章考察热传导、对流给热的传热速率，重点分析换热器的原理和设计、操作。 一、热传导 1.傅立叶定律 当物体存在温度差时就会发生热传导，热传导速率可以用傅立叶定律描述 9-1 6-1 式中入：Wm·℃，为导热系数。傅立叶定律表明，热流密度与温度梯度成正比。入的数量 级为：金属10-102Wm·℃： 绝热材料10210Wm·℃： 液体10Wm· 气体10W/m·C。 导热系数与物质的种类、物态、温度压力有关。其特点是： 1)入金属>入液体>入气体： 2)温度升高时，入下降，但水明显例外：入4上升：入属下降：大多入上升。 2.平壁导热 单层平壁在定态一维（横向导热不计）导热，且导热系数视作常数的条件下，对其进行解 析解分析：①取控制体②作热量衡算③结合特征方程解析解，可以导得： 热流量Q=,4-1=.-业 6-2 此式表明，温度在平壁中是线性分布的。上式也可表示为 6-3 式6-3的含义为 过程速率。推动力 阻力 6-4 对于多层平壁导热，由于每层壁过程速率相等，采用数学上的等比定律可得
47 蒸汽冷凝的两种形式 滴状冷凝，膜状冷凝。工业传热按膜状冷凝计算，因为滴状冷凝 不能持久。 排放不凝性气体 不凝性气体的存在，会降低蒸汽的压力，形成额外热阻。排放不凝性 气体的目的是避免其积累，提高α。 黑体 吸收率等于１的物体为黑体。 黑度 实际物体辐射能力与同温度黑体的辐射能力之比。 灰体 对各种波长辐射能具有同样吸收率的理想物体。 克希霍夫定律 同一灰体的吸收率与其黑度在数值上相等，ε=a。 角系数 仅与可见面积大小、角度、距离有关。 传热过程的控制步骤 该步骤阻力远大于其他各步骤的阻力之和，传热速率由该步骤所 决定。 传热操作线 换热器同一横截面上热流体温度 T 与冷流体温度 t 的关系,它是换热器段 的热量衡算结果。 逆流、并流 换热器中冷热流体相向而流称为逆流，同向而流称为并流。 6.3 基本内容： 本章考察热传导、对流给热的传热速率，重点分析换热器的原理和设计、操作。 一、热传导 1．傅立叶定律 当物体存在温度差时就会发生热传导，热传导速率可以用傅立叶定律描述 n t q ∂ ∂ = −λ 6-1 式中λ：W/m·℃，为导热系数。傅立叶定律表明，热流密度与温度梯度成正比。λ的数量 级为：金属 10~102 W/m·℃； 绝热材料 10-2~10-1W/m·℃； 液体 10-1W/m·℃； 气体 10-2W/m·℃。 导热系数与物质的种类、物态、温度压力有关。其特点是： 1）λ金属>λ液体>λ气体； 2）温度升高时，λ液下降，但水明显例外；λ气上升；λ金属下降；大多λ非金属上升。 2．平壁导热 单层平壁在定态一维(横向导热不计)导热，且导热系数视作常数的条件下，对其进行解 析解分析：①取控制体②作热量衡算③结合特征方程解析解，可以导得： 热流量 δ − = λ − = λ 1 1 2 t t A x t t Q A 6-2 此式表明，温度在平壁中是线性分布的。上式也可表示为 R t A t t Q ∆ = δ λ − = / 1 2 6-3 式 6-3 的含义为 阻力 推动力 过程速率 = 6-4 对于多层平壁导热，由于每层壁过程速率相等，采用数学上的等比定律可得
Q=-当-出+， R 6-5 R+R2 即串联过程推动力相加，阻力相加等式仍然成立，这是工程处理方法之一。式6-5还给出了 一个重要结果：温差按热阻大小分配，热阻大的温差也大。 例1己知：两层平壁入=1.4W/m·℃，6=100加m:入=0.14W/m·℃，6=200mm,两边的温度 为t,=650C,t,=50℃。平壁1在高温侧，平壁2在低温侧。 求：两壁接触处的温度： 解：先定性分析，哪个斜率大 热流密度9=--4 -650-50 0102=400m1m 1.40.14 由g=-得 0.2 2=50+400×014=621℃ 3.圆筒壁导热 圆筒壁导热经推导可得 6-6 In(/n) 2号 1-12△1_推动力 或写成通式：Q=2AR阻力 其中7圆简内的度分布不得是线的， 例2在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料入，《入2，应将哪层包在里面？ 解：将式6-6用于多层圆筒壁可得 入，包在里面 2π△ 1 入，包在里面 2πlM 2片入15 两种情况传热量不同，比较Q与Q,取小的。现比较分母，由于入〈入，所以
48 1 2 1 2 2 2 1 1 R R t t R t R t Q + ∆ + ∆ = ∆ = ∆ = 6-5 即串联过程推动力相加，阻力相加等式仍然成立，这是工程处理方法之一。式 6-5 还给出了 一个重要结果：温差按热阻大小分配，热阻大的温差也大。 例 1 已知：两层平壁λ1=1.4W/m·℃,δ1=100mm；λ2=0.14W/m·℃,δ2=200mm，两边的温度 为 t1=650℃,t3=50℃。平壁 1 在高温侧，平壁 2 在低温侧。 求：两壁接触处的温度 t2。 解：先定性分析，哪个斜率大 热流密度 2 2 1 1 1 3 λ δ + λ δ − = = t t A Q q 2 400 / 0.14 0.2 1.4 0.1 650 50 = W m + − = 由 2 2 2 3 λ δ − = t t q 得 0.14 0.2 50 400 2 2 2 3 = + × λ δ t = t + q = 621℃ 3．圆筒壁导热 圆筒壁导热经推导可得 ( ) ( ) 1 2 1 2 2 1 1 2 ln 2 ln / 1 2 r r L t t r r L t t Q π λ − = π λ − = 6-6 或写成通式： 阻力 推动力 = ∆ ∆ = δ λ − = R t A t t Q m / 1 2 其中： ( ) 2 1 2 1 ln A / A A A Am − = 。圆筒壁内的温度分布不再是线性的。 例 2 在蒸汽管道外包两层同样厚度的保温材料λ1<λ2，应将哪层包在里面？ 解：将式 6-6 用于多层圆筒壁可得 λ1包在里面 2 3 1 2 2 1 1 ln 1 ln 1 2 r r r r l t Q λ + λ π ∆ = λ2包在里面 2 3 1 1 2 2 2 ln 1 ln 1 2 r r r r l t Q λ + λ π ∆ = 两种情况传热量不同，比较 Q1与 Q2，取小的。现比较分母，由于λ1<λ2,所以
(a) 由于>-82=(52+82-8)=r5 所以n ->0 由式(a)、b)可得 所以Q滑止 dy 1)两种对流形式 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热称为自然对流：在人为造成强制流 动条件下的对流传热称为强制对流。 2)牛顿冷却定律 流体与固体壁面之间的对流给热，可用牛顿冷却定律表达 q=a(T.-T) 6-7 其中：Tw:壁温：T:流体主体温度：a:给热系数W/m℃ 采用牛顺冷却定律来表达对流给热，便于分解组合传热系数 K。工业过程常采用间壁式换热器，热量从热流体对流至壁面，经 壁内热传导至另一侧，由壁面对流至冷流体。如图6.1所示。 由牛顿冷却定律和壁面导热，可得 入入2 q=a,(T-7n)=2红=a,n-0 图6.1传热步骤 或 g话---0 6-8 49
49 1 2 1 1 λ > λ (a) 由于 ( )( ) 2 2 2 2 2 2 2r > r − δ = r + δ r − δ 1 3 = rr 所以 ln 0 1 3 2 2 > rr r (b) 由式(a)、(b)可得 (ln ln ) 1 (ln ln ) 1 2 3 1 2 2 2 3 1 2 1 r r r r r r r r − λ − > λ 即 2 3 1 1 2 2 2 3 1 2 2 1 ln 1 ln 1 ln 1 ln 1 r r r r r r r r λ + λ > λ + λ 所以 Q1静止 qW 。 1）两种对流形式 因温差引起密度差，造成宏观流动条件下的对流传热称为自然对流；在人为造成强制流 动条件下的对流传热称为强制对流。 2）牛顿冷却定律 流体与固体壁面之间的对流给热，可用牛顿冷却定律表达 q (T T) = α w − 6-7 其中：Tw:壁温；T：流体主体温度；α：给热系数 W/m2 ℃。 采用牛顿冷却定律来表达对流给热，便于分解组合传热系数 K。工业过程常采用间壁式换热器，热量从热流体对流至壁面，经 壁内热传导至另一侧，由壁面对流至冷流体。如图6.1所示。 由牛顿冷却定律和壁面导热，可得 δ − = α − = λ W W W T t q (T T ) 1 ( ) 2 t t = α W − 图6.1 传热步骤 或 1 2 1/ / 1/α − = δ λ − = α − = T T T t t t q W W W W = K(T − t) 6-8
1 式中K=T8丁为传热系数。这样在不须知道，，的情况下，就可以计算热流密度 了. 3)a的影响因素 经分析，对流给热系数的影响为 a=fp,u,i1,u,βg,Cp 经无因次化之后，可得 兴=曾婴学 或 Nu=f(Re,Pr,Gr) 强制对流Nu=fRe,P) 自然对流u=f(Gr,Pr) 2.圆直管内强制湍流c 经实验数据关联获得，圆直管内强制湍流时的给热系数 Nu =0.023Re8 Pr 式中，当流体被加热时b=0.4:当流体被冷却时b=0.3。式6-9可写成 =0.023Re0s Pr -10 经验关联式6-10在应用时要注意： ①适用范围：Re>103,0.73040 ②定性温度：主体平均温度，即红+7)或北+h). ③定性尺寸：管径d。 影响因素分析： 6-11 即ā正比于流量的0.8次方，反比于管径的1.8次方。但是，流体流动阻力 6-12 d 说明减小管径、增大流速或流量都可提高，但是以机械能损失为代价 3.大容积自然对流a Nu=AGr.Pr)° 6-13
50 式中 1 2 1 1 1 α + λ δ + α K = 为传热系数。这样在不须知道TW，tW的情况下，就可以计算热流密度 了。 3）α的影响因素 经分析，对流给热系数的影响为 α = f (ρ,µ,λ,l,u,βg∆t,Cp) 经无因次化之后，可得 ( , , ) 2 3 2 µ β ∆ ρ λ µ µ ρ = λ α lu Cp g tl f l 或 Nu = f (Re,Pr,Gr) 强制对流 Nu = f (Re,Pr) 自然对流 Nu = f (Gr,Pr) 2．圆直管内强制湍流α 经实验数据关联获得，圆直管内强制湍流时的给热系数 b Nu 0.023Re Pr 0.8 = 6-9 式中，当流体被加热时 b=0.4；当流体被冷却时 b=0.3。式 6-9 可写成 b d 0.023 Re Pr λ 0.8 α湍 = 6-10 经验关联式 6-10 在应用时要注意： ①适用范围: 4 Re >10 ，0.7 30~40。 ②定性温度：主体平均温度，即 ( ) 2 1 T1 +T2 或 ( ) 2 1 1 2 t + t 。 ③定性尺寸：管径 d。 影响因素分析： 1.8 0.8 0.2 0.8 d q d u V α ∝ ∝ 6-11 即α正比于流量的 0.8 次方，反比于管径的 1.8 次方。但是，流体流动阻力 5 2 2 d q d u h V f ∝ ∝ 6-12 说明减小管径、增大流速或流量都可提高α，但是以机械能损失为代价。 3．大容积自然对流α b Nu = A(Gr⋅Pr) 6-13
式中的A、b值根据(GrPr)可查教材表6-3确定。式6-13应用需注意： ①定性温度：膜温(=4，')， ②定性尺寸：若是管外自然对流，管子是水平放置的 定性尺寸为管外径d:管子是垂直放 置的，定性尺寸为管长L。总之定性尺寸是垂直方向上壁面的高度。 ③A,b值又与(GrPr)有关。 当b值等于1/3时，α与垂直高度L无关，称为自动模化区。上式由于定性温度为膜温， 对于传热计算出较本质，但是壁温往往事先未知，需要试差。 例3如何实验测定管内流动流体，管外用蒸汽冷凝加热 解：如图6.2所示 do T tw 十dL 图6.2a的测定 对微分段换热器进行热量衡算 dg=gdA=aum-1)πd·dL=qnC,dh 积分后得Q=a△mdL=qnC(凸-) 6-14 式中 出n=,-4)-m- 6-15 实验可以通过焊接在管壁面上的热电耦来测量壁温，由测量的11,2,4,2，qm可以求得α。 4.大容积饱和沸腾给热 沸腾给热过程的特点是汽液两相共存。在加热面上形成汽泡，当汽泡离开液体时，周围 的液体冲刷表面，有利传热：气泡也搅动了液体，这种沸腾称为核状沸腾。但是也有可能气 泡连成气膜将 液体与加热面隔开，对传热不利， 可能烧毁壁面 这种沸腾称为膜状沸腾 沸腾需两个条件，①过热度(t-t),它是气泡存在的必要条件。如图63所示， P/=101.3kPa P P1ts=100℃ (Pv) t py=? 6 图63沸腾过热度 对汽泡作力平衡分析，可得 2w=(p-p,)r2 6-16 整理得 BB=20 6-17 显然，气泡存在必须P>P,。由P,~1。、pp~1分别为饱和关系，因此，必须1>1， 51
51 式中的 A、b 值根据(GrPr)可查教材表 6-3 确定。式 6-13 应用需注意： ①定性温度：膜温（ 2 t t W + = ）； ②定性尺寸：若是管外自然对流，管子是水平放置的，定性尺寸为管外径 d；管子是垂直放 置的，定性尺寸为管长 L。总之定性尺寸是垂直方向上壁面的高度。 ③A,b 值又与(GrPr)有关。 当 b 值等于 1/3 时，α与垂直高度 L 无关，称为自动模化区。上式由于定性温度为膜温， 对于传热计算比较本质，但是壁温往往事先未知，需要试差。 例 3 如何实验测定管内流动流体α，管外用蒸汽冷凝加热。 解：如图 6.2 所示 图 6.2 α的测定 对微分段换热器进行热量衡算 dQ = qdA = α(t W − t)πd ⋅ dL q C dt = m p 积分后得 ( ) 2 1 Q t dL q C t t = α∆ mπ = m p − 6-14 式中 1 1 2 2 2 2 1 1 ln ( ) ( ) t t t t t t t t t W W W W m − − − − − ∆ = 6-15 实验可以通过焊接在管壁面上的热电耦来测量壁温，由测量的 W W qm t ,t ,t ,t , 1 2 1 2 可以求得α 。 4．大容积饱和沸腾给热 沸腾给热过程的特点是汽液两相共存。在加热面上形成汽泡，当汽泡离开液体时，周围 的液体冲刷表面，有利传热；气泡也搅动了液体，这种沸腾称为核状沸腾。但是也有可能气 泡连成气膜将液体与加热面隔开，对传热不利，可能烧毁壁面，这种沸腾称为膜状沸腾。 沸腾需两个条件，①过热度(t-tS)，它是气泡存在的必要条件。如图 6.3 所示， 图 6.3 沸腾过热度 对汽泡作力平衡分析，可得 2 2 r ( p p ) r σ⋅ π = V − l π 6-16 整理得 r pV pl σ − = 2 6-17 显然，气泡存在必须 pV > pl 。由 l S p ~ t 、 p t V ~ 分别为饱和关系，因此，必须 S t > t
也就是要有一定的过热度。究竟△p引起多少△，可以由克莱普龙方程计算。 ②汽化核心，它是气泡生成的必要条件。由式6-17可知， 越小 ,压差越大 ,所需过 热度也越大。所以，粗糙表面所需过热度小：光滑表面所需过热度大，基至会发生暴沸。 例如，加沸石的作用就是提供汽化核心，防止暴沸。 膜状沸腾 核状沸腾个 lga 不稳定 工业操作区 临界点 辐射 传热 表面汽化 lg△t 图6.4 沸腾给热系数 由图6.4所示的沸腾曲线可见，随着过热度的增加，起先是表面汽化阶段，然后是核状 沸腾：汽泡依次产生并脱离加热面，对液体制烈搅动，使α随△t急剧上升：过热度再大就 进入膜状沸腾，汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条件变 差。工业操作只能在核状沸腾区域进行，因为膜状沸腾会造成飞温和烧毁炉壁等危险。 沸腾过程的强化可以从沸腾的条件入手，①加热表 面粗糙化，增强汽化核心：②加入添 加剂，降低表面张力。 5.蒸汽冷凝给热 1)膜状冷凝与滴状冷凝 蒸汽在冷壁上冷凝有两种方式，即膜状冷凝与滴状冷凝。滴状冷凝的给热系数比膜 冷凝的大50倍。但是，在工业上，滴状冷凝不能持久， 设计按膜状冷凝考虑。 2)垂直液膜层流的平均 垂直壁液膜层流时的平均α冷经数学推导和实验测定为： 6-18 △1=T一Tm,即饱和蒸汽温度与冷壁温度之差。L为垂直壁高度。由 B 式6-18可见，冷凝给热系数a与温差△t有关。 3)水平圆管外液膜层流的α济题： a*=072pg呢7内 6-19 udo△ 在使用式6-18、19时，要注意：①物性p、μ、入是凝液的，而不是 燕汽的，因为热阻主要在液膜。②Re<2000,Re的确定。如图6.5所示 的垂直平壁，当量直径d.= 4A ,质量流速G=9,则 图6.5冷凝给热 Re=dG_4qm 6-20 u Iu 对于垂直圆管外Ⅱ=πd。:水平圆管外Ⅱ=管长L。③定性温度：膜温化、+1)。④特性
52 也就是要有一定的过热度。究竟 ∆p 引起多少 ∆t ，可以由克莱普龙方程计算。 ②汽化核心，它是气泡生成的必要条件。由式 6-17 可知，r 越小，压差越大，所需过 热度也越大。所以，粗糙表面所需过热度小； 光滑表面所需过热度大，甚至会发生暴沸。 例如，加沸石的作用就是提供汽化核心，防止暴沸。 图 6.4 沸腾给热系数 由图 6.4 所示的沸腾曲线可见，随着过热度的增加，起先是表面汽化阶段，然后是核状 沸腾：汽泡依次产生并脱离加热面，对液体剧烈搅动，使α随Δt 急剧上升；过热度再大就 进入膜状沸腾，汽泡在脱离加热面之前就连接成汽膜，把加热面与液体隔开，使传热条件变 差。工业操作只能在核状沸腾区域进行，因为膜状沸腾会造成飞温和烧毁炉壁等危险。 沸腾过程的强化可以从沸腾的条件入手，①加热表面粗糙化，增强汽化核心；②加入添 加剂，降低表面张力。 5．蒸汽冷凝给热 1）膜状冷凝与滴状冷凝 蒸汽在冷壁上冷凝有两种方式，即膜状冷凝与滴状冷凝。滴状冷凝的给热系数比膜状 冷凝的大 5~10 倍。但是，在工业上，滴状冷凝不能持久，设计按膜状冷凝考虑。 2）垂直壁液膜层流的平均α冷凝 垂直壁液膜层流时的平均α冷凝经数学推导和实验测定为： 4 1 2 3 1.13 µ ∆ ρ λ α = L t gr 垂直 6-18 TS TW ∆t = − ，即饱和蒸汽温度与冷壁温度之差。L 为垂直壁高度。由 式 6-18 可见，冷凝给热系数α与温差Δt 有关。 3）水平圆管外液膜层流的α冷凝： 4 1 0 2 3 0.725 µ ∆ ρ λ α = d t gr 水平 6-19 在使用式 6-18、19 时，要注意：①物性ρ、μ、λ是凝液的，而不是 蒸汽的，因为热阻主要在液膜。②Re<2000，Re 的确定。如图 6.5 所示 的垂直平壁，当量直径 Π = A de 4 ，质量流速 A q G m = ，则 图 6.5 冷凝给热 Πµ = µ = deG 4qm Re 6-20 对于垂直圆管外Π = πd0 ；水平圆管外Π =管长 L。③定性温度：膜温 ( ) 2 1 S W t + t 。④特性
尺寸：垂直管外L:水平管外d:水平管束外为nd。 管外冷凝，管子水平放还是垂直放好。由式6-18、19相比，可得 a赶=0.645 6-21 Q垂直 do 当L/>5.9时，a水平>a套直。显然，水平放比垂直放要好。 4)不凝性气体的影响 当蒸汽中存在不凝性气体时，在冷凝膜附近的蒸汽分压降低，有一个附加的惰性气体层， 蒸汽必须扩散通过该层惰性气体层，增加了额外的热阻。因此，必须定期排放不凝性气体， 减小蒸汽给热热阻。 例4若传热温差推动力增加一倍，试求下列条件下传热速率是原来的多少倍？ 圆管内强制湍流 ②大容积自然对流 ③大容积饱和核状沸腾： ④蒸汽膜状冷凝。 解：0a=0.023RePr0 a与无关，4-a-2 ac△t ②&xA号 4-=218-252 q△1 ③ax△r25 号-”-3 国acy 号-微-16 通常，a的大小顺序如下： a气，自然对流 5-10w/am2℃ a气，强制对流 10-100W/m2℃ a液，自然对流 50-1000Wm 27 a液，强制对流 ā蒸汽冷裙 103-3×10W/m2℃ a液体沸腾 103-6×10wm2℃
53 尺寸： 垂直管外 L；水平管外 d0；水平管束外为 nd0。 管外冷凝，管子水平放还是垂直放好。由式 6-18、19 相比，可得 4 1 0.64( ) d0 L = α α 垂直 水平 6-21 当 L/d>5.9 时，α水平 > α垂直 。显然，水平放比垂直放要好。 4）不凝性气体的影响 当蒸汽中存在不凝性气体时，在冷凝膜附近的蒸汽分压降低，有一个附加的惰性气体层， 蒸汽必须扩散通过该层惰性气体层，增加了额外的热阻。因此，必须定期排放不凝性气体， 减小蒸汽给热热阻。 例 4 若传热温差推动力增加一倍，试求下列条件下传热速率是原来的多少倍？ ①圆管内强制湍流； ②大容积自然对流； ③大容积饱和核状沸腾； ④蒸汽膜状冷凝。 解：① 0.8 0.3~0.4 0.023 Re Pr d λ α = α 与 ∆t 无关， 2 ' ' ' = α∆ α ∆ = t t q q ② 3 1 ~ 8 1 α ∝ ∆t 2.18 ~ 2.52 ' ' ' = α∆ α ∆ = t t q q ③ 2.5 α ∝ ∆t 11.3 ' ' 3.5 = ∆ ∆ = t t q q ④ 4 1 − α ∝ ∆t 1.68 ' ' 4 3 = ∆ ∆ = t t q q 通常，α的大小顺序如下： α气，自然对流 5~10 W/m2 ℃ α气，强制对流 10~100 W/m2 ℃ α液，自然对流 50~1000 W/m2 ℃ α液，强制对流 500~104 W/m2 ℃ α蒸汽冷凝 103 ~3×104 W/m2 ℃ α液体沸腾 103 ~6×104 W/m2 ℃
三、换热过程计算 1传热速率和传热系 对图6.6所示的换热器进行分析， m2冷流体 热流体 片t2 传热面积A 图6.6换热器分析 在定态条件下，Q级类不计，冷、热流体无相变化，9Cp1,9Cp2,K沿传热面不变，有 qmCpl(T-T)=qm2Cp2(t2-4) 6-22 过程特征方程 q==KT-) 6-23 dA 取其中的微元L长度进行考察 内侧微元面积 dA nddl 外侧微元面积 d4=πd2dl 管壁导热微元面积dAn=πd.·d机 0=g-T-=4-=Kd4-0=Kd4(- 1 adh AdA ad 注意：推动力、系数、面积的配套。当以内壁面为基准时，有 K+84+可 6-24 a7d a:da 以外壁面为基准（较常用） 1 K,=1d2842+ 6-25 实际考虑两侧污垢： K,= 6-26 1 a 只省平有=名=水，政只古+民+受尼+ CL
54 三、换热过程计算 1．传热速率和传热系数 对图 6.6 所示的换热器进行分析， 图 6.6 换热器分析 在定态条件下，Q损失 不计，冷、热流体无相变化， qm1Cp1,qm2Cp2 ,K 沿传热面不变，有 ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 2 1 q C T T q C t t m p − = m p − 6-22 过程特征方程 K(T t) dA dQ q = = − 6-23 取其中的微元 dL 长度进行考察 内侧微元面积 dA1 = πd1 ⋅ dL 外侧微元面积 dA2 = πd2 ⋅ dL 管壁导热微元面积 dAm = πdm ⋅ dL dQ = qdA 1 1 2 2 1 1 dA t t dA T t dA T T w m w w w α − = λ δ − = α − = ( ) 1 1 = K dA T − t ( ) 2 2 = K dA T − t 注意：推动力、系数、面积的配套。当以内壁面为基准时，有 2 1 2 1 1 1 1 1 1 d d d d K m α + λ δ + α = 6-24 以外壁面为基准(较常用) 2 2 1 2 1 2 1 1 1 α + λ δ + α = dm d d d K 6-25 实际考虑两侧污垢： 2 2 2 1 2 1 1 2 1 ) 1 ( 1 α + + λ δ + + α = R d d d d R K m 6-26 只有平壁才有 K1 = K2 = K ，或 2 1 2 1 1 1 1 α + + λ δ + + α = R R K
2.传热阻力控制问题 新管子，或经除垢后的管子，R=R=0。通常入较大，壁8薄，如入w=45m/m·K,取6 =1.5mm,/8=3×10/mK,与另外两项相比较，可取6/入≈0，则： 1-11 6-27 K a a2 从上式可以得出①K比a、a,中较小的一个a还小：②当a>》a2,则K≈a,强化传热须 从a小的一侧入手：③壁温计算：由于8/入≈0，T=t q=a,(T-T)=2(n-0 6-28 结论：壁温总是接近α值大的一边流体温度。壁温计算可用下式 1 T-Ts-1+ 6-29 T-t a d2 例5α值对K的影响 无污垢时， 11,1 K/K原 原值 20 50019.2 a1加倍 40500 37.0 1.93 a2加倍 20100019.6 1.02 上述计算说明，K是由较小的ā一侧所控制的。 例6用蒸汽加热冷物料，物料进口温度为20℃，出口温度为50℃，蒸汽温度为140℃，物料 侧给热系数α，=1000W/m2℃，蒸汽一侧α，=10/m2℃，求：平均壁温.（金属壁热阻可忽略） 解：物料平均温度为 1=20+50=35℃ 2 由式6-29 140 -Iw 104 140-3510++10 得t130.5℃。 3.传热过程基本方程式 对换热器数学描述后，可得到： Q=g.9(-=9,9.-=K4-)--2-K. In -6 6-30 T2-41
55 2．传热阻力控制问题 新管子，或经除垢后的管子，R1=R2=0。通常λ金属较大，壁δ薄，如λ钢=45W/m·K,取δ =1.5mm，λ/δ=3×104 W/m2 ·K，与另外两项相比较，可取δ/λ≈0，则： 1 2 1 1 1 α + α = K 6-27 从上式可以得出①K 比α1、α2中较小的一个α还小；②当α1>>α2，则 K≈α2，强化传热须 从α小的一侧入手；③壁温计算：由于δ/λ≈0，TW=tW ( ) ( ) 1 2 q T T t t = α − w = α w − 6-28 结论：壁温总是接近α值大的一边流体温度。壁温计算可用下式 1 2 1 1 1 1 α + α α = − − T t T TW 6-29 例 5 α 值对 K 的影响 无污垢时, 1 2 1 1 1 α + α = K α1 α2 K K / K原 原值 20 500 19.2 α1 加倍 40 500 37.0 1.93 α2 加倍 20 1000 19.6 1.02 上述计算说明，K 是由较小的α一侧所控制的。 例 6 用蒸汽加热冷物料，物料进口温度为 20℃,出口温度为 50℃,蒸汽温度为 140℃,物料 一侧给热系数α2 =1000W/m2 ℃,蒸汽一侧α1 =104 W/m2 ℃,求：平均壁温.(金属壁热阻可忽略) 解：物料平均温度为 35 2 20 50 = + t = ℃ 由式 6-29 4 3 4 10 10 10 140 35 140 − − − + = − − Wt 得 tW=130.5℃。 3．传热过程基本方程式 对换热器数学描述后，可得到： ( ) ( ) 1 1 1 2 2 2 1 2 Q q Cp T T q Cp t t = m − = m − m KA t T t T t T t T t KA = ∆ − − − − − = 2 1 1 2 1 2 2 1 ln ( ) ( ) 6-30
