【正文】 普蘭特準數(shù) Pr cpμ/λ 表示速度邊界層和熱邊界層相對厚度的一個參數(shù)，反映與傳熱有關(guān)的流體物性 格拉斯霍夫準數(shù) Gr l3ρ2gβ△t/μ2 表示由溫度差引起的浮力與粘性力之比 3．流體無相變時的對流傳熱系數(shù)（1）流體在管內(nèi)作強制對流（2）流體在管外作強制對流需要指出：對不同的對流傳熱要會選用相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式，在使用關(guān)聯(lián)式時必須注意關(guān)聯(lián)式的應(yīng)用范圍、特性尺寸和定性溫度。蒸汽冷凝主要有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。影響冷凝傳熱的因素，單組份飽和蒸汽冷凝時，熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。此外，冷凝壁面的表面情況對傳熱系數(shù)的影響也很大。池內(nèi)飽和沸騰為主要討論內(nèi)容。沸騰傳熱系數(shù)的計算液體沸騰傳熱的影響因素有液體性質(zhì)、溫度差△t、操作壓強和加熱壁面等。 1．流體的種類和相變化的情況 液體、氣體和蒸氣的對流傳熱系數(shù)都不相同，牛頓型流體和非牛頓型流體也有區(qū)別。對于同一種流體，這些物性又是溫度的函數(shù)，其中某些物性還與壓強有關(guān)。(3)比熱容和密度 ρcp代表單位體積流體所具有的熱容量，也就是說F，值愈大，表示流體攜帶熱量的能力愈強，因此對流傳熱的強度愈強。因此在對流傳熱計算中必須修正溫度對物性的影響。當(dāng)流體呈湍流時，湍流主體的傳熱為渦流作用引起的熱對流，在壁面附近的層流內(nèi)層中仍為熱傳導(dǎo)。 自然對流的原因是流體內(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)點相對位移。4．5．2對流傳熱過程的量綱分析 由于影響對流傳熱系數(shù)α的因素太多，要建立一個通式來求各種條件下的α是很困難的。應(yīng)予指出，對于影響過程變量較多的情況，白金漢法要比雷萊法簡便。選擇共同物理量是自金漢量綱法的關(guān)鍵。②不能同時選用量綱相同的物理量。例如，若選擇l、ρ、μ和u作為共同物理量，它們的量綱中不包括基本量綱θ，故不能滿足選擇共同物理量的要求?！?；l—傳熱面的特征尺寸，可以是管內(nèi)徑或外徑，或平板高度等，m；λ—流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W／(m3．應(yīng)用準數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題各種不同情況下的對流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系由實驗來決定。由于流體的各種物性隨溫度的變化規(guī)律不同，所以要找到適合于各種物性的定性溫度并不可能。因此在經(jīng)驗公式中必須說明定性溫度的取法，而使用時必須按照公式規(guī)定的定性溫度進行計算。對非圓形管通常取當(dāng)量直徑。此外，在使用對流傳熱的經(jīng)驗公式時，還應(yīng)注意公式的應(yīng)用數(shù)值范圍。 特征尺寸：Nu、Re準數(shù)中的l取管內(nèi)徑di。 4)流體在彎管內(nèi)作強制對流流體在彎管內(nèi)流動時，由于受慣性離心力的作用，增大了流體的湍動程度，使對流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時可用下式計算式中 α—直管中的對流傳熱系數(shù)，W／(m2管束的幾何條件，如管徑、管間距、排數(shù)及排列方式都影響對流傳熱系數(shù)。特征尺寸：管外徑d0,流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。折流擋板的形式較多，如圖427所示，其中以圓缺形擋板最為常用。 換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為25％的殼體內(nèi)截面積)時，殼方流體的對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式見相關(guān)公式。例如水的沸騰或水蒸氣冷凝時的α較水單相流的α要大得多。由于蒸氣冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，因此這層冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。由于沒有液膜阻礙熱流，因此滴狀冷凝傳熱系數(shù)比膜狀冷凝可高幾倍甚至十幾倍。下面討論這些因素。但這種力若超過液膜重力，液膜會被蒸汽吹離壁面，此時隨蒸汽流速的增加，α急劇增大。（5）冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，則液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降，故在設(shè)計和安裝冷凝器時，應(yīng)正確安放冷凝壁面。在液體的對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程，這稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）。 2)沸騰傳熱系數(shù)的計算 由于沸騰傳熱機理復(fù)雜，曾提出了各種沸騰理論，從而導(dǎo)出計算沸騰傳熱系數(shù)相應(yīng)的公式，但計算結(jié)果往往差別較大。曾經(jīng)有人在特定的(沸騰壓強、壁面形狀等)實驗條件下，對多種液體進行泡核沸騰時傳熱系數(shù)的測定，整理得到下面的經(jīng)驗式：式中a和n是隨液體種類和沸騰條件而異的常數(shù)，其值由實驗測定。一般新的或清潔的加熱面，α較高。 應(yīng)強調(diào)指出，對于不同類型的換熱器及不同的傳熱情況，已有許多求算α的關(guān)聯(lián)式。此外，選擇換熱器的類型和管子的材料也需知道壁溫。物體可由不同的原因產(chǎn)生電磁波，其中因熱的原因引起的電磁波輻射，即是熱輻射。顯然，輻射傳熱的凈結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量。不過紅外光線的熱射線對熱輻射起決定作用，只有在很高的溫度下，才能覺察到可見光線的熱效應(yīng)。如圖433所示，假設(shè)投射在某一物體上的總輻射能量為Q，則其中有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透過物體。一般單原子氣體和對稱的雙原子氣體均可視為透熱體。 物體的吸收率A、反射率R、透過率D的大小決定于物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度及輻射線的波長等。 實際物體，如一般的固體能部分地吸收由零到∞的所有波長范圍的輻射能。4．6．2 物體的輻射能力和有關(guān)的定律物體的輻射能力是指物體在一定的溫度下，單位表面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E表示，其單位為W／m2。根據(jù)量子理論可以推導(dǎo)出如下的數(shù)學(xué)式，即由圖可見，每一溫度有一條能量分布曲線；在指定的溫度下，黑體輻射各種波長的能量是不同的。它表明黑體的輻射能力僅與熱力學(xué)溫度的四次方成正比。黑度ε值取決于物體的性質(zhì)、表面狀況(如表面粗糙度和氧化程度)，一般由實驗測定，其值在01范圍內(nèi)變化。式4105為克?；舴蚨傻臄?shù)學(xué)表達式。前者為吸收率，表示由其他物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分數(shù)；后者為發(fā)射率，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數(shù)。在計算灰體間輻射傳熱時，必須考慮它們的吸收率(或反射率)、物體的形狀和大小及其相互間的位置與距離的影響。 假設(shè)從板1發(fā)射出輻射能El，被板2吸收了A2E1，其余部分R2E1或(1A2)E1被反射到板1。兩平行平板間單位時間內(nèi)、單位表面積上凈的輻射傳熱量即為兩板間輻射的總能量之差，即
。從板2發(fā)射出的輻射能E2，也經(jīng)歷反復(fù)吸收和反射的過程，如圖436(a)和(b)所示。 參見圖436，若兩板間介質(zhì)為透熱體，且因兩板很大，故從一板發(fā)射出的輻射能可以認為全部投射在另一板上。4．6．3 兩固體間的輻射傳熱 化學(xué)工業(yè)中常遇到兩固體間的輻射傳熱。 比較式4104a和式4106可以看出，在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上是相同的。3．克?；舴?Kirehhoff)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。C值恒小于C0。在不太高的溫度下。在相同的條件下，物體發(fā)射特定波長的能力，稱為單色輻射能力，用EΛ表示?；殷w有以下特點： ①灰體的吸收率A不隨輻射線的波長而變； ②灰體是不透熱體，即A+R=1。氣體則不同，其反射率R=0，故A+D=1。但是，某些物體如無光澤的黑煤，接近于黑體；，接近于鏡體。能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體，稱為鏡體或絕對白體。在真空和大多數(shù)的氣體(惰性氣體和對稱的雙原子氣體)中，熱射線可完全透過，但對大多數(shù)的固體和液體，熱射線則不能透過。理論上熱輻射的電磁波波長從零到無窮大， 。物體在向外輻射能量的同時，也可能不斷地吸收周圍其他物體發(fā)射來的輻射能。應(yīng)予指出:試差開始時不宜任意假設(shè)tw值，而應(yīng)根據(jù)冷、熱流體的對流傳熱情況，粗略地估計α值，而所設(shè)的tw值應(yīng)接近于α值大的那個流體的溫度，且α相差愈大，壁溫愈接近于α大的那個流體的溫度。在進行傳熱的設(shè)計計算時，有關(guān)α的關(guān)聯(lián)式可查閱傳熱專著或手冊，但選用時一定要注意公式的應(yīng)用條件和適用范圍，否則計算結(jié)果的誤差較大。壁面愈粗糙，氣泡核心愈多，有利于沸騰傳熱。在相同△t下，α和g都更高。一般情況下，α隨λ、ρ的增加而增大，而隨μ及σ的增加而減小。下面以常壓下水在大容器中沸騰傳熱為例，分析沸騰溫度差△t對沸騰傳熱系數(shù)α和熱通量q的影響。為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般需減少垂直列上的管子數(shù)目，或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流動。因此在冷凝器的設(shè)計和操作中，都必須考慮排除不凝氣。（2）流體物性 由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計算式可知，液膜的密度、黏度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。因此對一定的組分，液膜的厚度及其流動狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。 (2)滴狀冷凝 若冷凝液不能潤濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝，如圖429(c)所示。(2) 膜狀冷凝 若冷凝液能夠潤濕壁面，則在壁面上形成一層完整的液膜，稱為膜狀冷凝，如圖429(a)和(b)所示。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，但流體溫度不發(fā)生變化。若擋板和殼體間、擋板和管束之間的間隙過大，部分流體會從間隙中流過，這股流體稱為旁流。 2)流體在換熱器的管間流動 對于經(jīng)常采用的管殼式換熱器，由于殼體是圓筒，管束中各列的管子數(shù)目不等，而且一般都設(shè)有折流擋板，因此流體在換熱器管間流動時，流速和流向均不斷地變化。 流體橫向流過管束時，平均對流傳熱系數(shù)可分別用下式計算：對于如圖4—26中(a)、(d)排列 對于如圖4—26中(b)、(c)排列 應(yīng)用范圍：Re3000?！?； rˊ—彎管軸的彎曲半徑，m。 ②高黏度液體，可應(yīng)用西德爾(Sieder)和塔特(Tate)關(guān)聯(lián)式，即 2)流體在圓形直管內(nèi)作強制層流 流體在管內(nèi)作強制層流時，應(yīng)考慮自然對流的效應(yīng)，并且熱流方向?qū)Ζ恋挠绊懜语@著，情況比較復(fù)雜，關(guān)聯(lián)式的誤差比湍流的要大。當(dāng)流體被加熱時，n=；被冷卻時,n=. 應(yīng)用范圍：Re10 000，Pr120；管長與管徑比L/di60。 應(yīng)予指出，流動當(dāng)量直徑de．和傳熱當(dāng)量直徑deˊ定義不同。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。 ②取壁面的平均溫度tw. ③取流體和壁面的平均溫度(稱為膜溫) 在上述的三種定性溫度中，由于壁面溫度往往是未知量，使用起來比較麻煩，須采用試差計算，因此工程上大多以流體的平均溫度為定性溫度。1)定性溫度 無相變的對流傳熱過程中，流體溫度處處不同，流體物性也隨之而變。s；cp—流體的定壓比熱容，kJ／(kg自然對流傳熱過程與強制對流傳熱過程相比、前者引起流動的原因是單位體積流體的升力，其大小等于ρgβ△t,，而其它影響因素，兩者是相同的。本例中沒有這種情況。不過選擇時應(yīng)考慮以下原則：①不能包括待求的物理量。根據(jù)理論分析及有關(guān)實驗研究，得知影響對流傳熱系數(shù)α的因素有：傳熱設(shè)備的特征尺寸l、流體的密度ρ、黏度μ、比熱容cp、導(dǎo)熱系數(shù)λ與流速u等物理量。 在第1章“流體流動”中曾介紹用量綱分析法(雷萊法)求解流體在圓管中作湍流流動時的摩擦阻力問題。6．傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀(如管、板、環(huán)隙、翅片等)、傳熱面方位和布置(如水平或垂直旋轉(zhuǎn)，管束的排列方式)及流道尺寸(如管徑、管長、板高和進口效應(yīng))等都直接影響對流傳熱系數(shù)。由此可見，湍流時的對流傳熱系數(shù)遠比層流時大。4．流體的流動狀態(tài) 層流和湍流的傳熱機理有本質(zhì)的區(qū)別。由于絕大部分傳熱過程為非定溫流動，因此即使在強制對流的情況下，也會產(chǎn)生附加的自然對流的影響，因此β值對強制對流也有一定的影響。當(dāng)層流內(nèi)層的溫度梯度一定時，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大．對流傳熱系數(shù)也愈大。流體有無相變化，對傳熱有不同的影響，因此，后面將分別予以討論。 由對流傳熱機理分析可知，對流傳熱系數(shù)決定于熱邊界層內(nèi)的溫度梯度。由沸騰曲線分析可知：液體沸騰分三個階段，即自然對流泡核沸騰或泡狀沸騰和膜狀沸騰。液體沸騰的分類工業(yè)上的液體沸騰主要有兩種：其一是將加熱表面浸入液體的自由表面之下，液體在壁面受熱沸騰時，液體的運動僅緣于自然對流和氣泡的擾動，稱之為池內(nèi)沸騰或大容積沸騰；其二是液體在管內(nèi)流動過程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰，稱為流動沸騰，或強制對流沸騰，也稱為管內(nèi)沸騰。凡是有利于減薄液膜厚度的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)。膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時的對流傳熱系數(shù)理論公式為努塞爾特（Nusselt）理論公式。其中以蒸汽冷凝傳熱和液體沸騰傳熱最為常見。白金漢π定理規(guī)定：無因次數(shù)群的數(shù)目i等于變量數(shù)j與基本因次數(shù)m的差。由于過程的復(fù)雜性，對于工程上遇到的對流傳熱仍依賴于實驗方法。流體無相變的對流傳熱：包括強制對流（強制層流和強制湍流）、自然對流。后者是結(jié)合實驗建立關(guān)聯(lián)式，對于工程上遇到的大多數(shù)對流傳熱問題仍依賴于實驗方法。4．5 對流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 如前所述，對流傳熱速率方程形式簡單，實際上是將對流傳熱的復(fù)雜性和計算上的困難轉(zhuǎn)移到對流傳熱系數(shù)之中，因此對流傳熱系數(shù)的計算成為解決對流傳熱問題的關(guān)鍵。用εNTU法計算流體的溫度十分簡便。如果某一流體流經(jīng)換熱器的溫度變化等于最大的溫度差（T1t1），那么