【正文】 該流體便可達到最大可能的傳熱量。例如，換熱器的操作型計算通常是對于一定尺寸和結構的換熱器，確定流體的出口溫度。 將式a代入式b并整理，可得 此時換熱器的傳熱面積可按下式計算，即 2)總傳熱系數(shù)K為變數(shù) ． 2．實驗測定總傳熱系數(shù)K對現(xiàn)有的換熱器，通過實驗測定有關的數(shù)據(jù)，如流體的流量和溫度等，然后由下式即可求得K值。4．4．4總傳熱速率方程的應用 1．傳熱面積的計算 確定傳熱面積是換熱器設計計算的基本內容。采用折流或其他流動形式的原因除了為滿足換熱器的結構要求外，就是為了提高總傳熱系數(shù)。這是因為當逆流操作時，熱流體的出口溫度T2可以降低至接近冷流體的進口溫度t1，而采用并流操作時，T2只能降低至接近冷流體的出口溫度t2，即逆流時熱流體的溫降較并流時的溫降大，因此逆流時加熱介質用量較少。逆流比并流優(yōu)越除冷流體被加熱的溫度不得超過某一規(guī)定溫度或熱流體被冷卻的溫度不得低于某一規(guī)定溫度，采用并流較易控制等特殊要求外，當換熱器兩側流體溫度均有變化時，一般盡可能采用逆流操作。溫度差校正系數(shù)圖是基于以下假定作出的：①殼程任一截面上流體溫度均勻一致；②管方各程傳熱面積相等；③總傳熱系數(shù)K和流體比熱容cp為常數(shù)；④流體無相變化；⑤換熱器的熱損失可忽略不計。由圖419及圖4—20可見，φ△t值恒小于1，這是由于各種復雜流動中同時存在逆流和并流的緣故。即 溫度差校正系數(shù)φ△t值可根據(jù)P和R兩因數(shù)從圖419中的相應圖中查得。 在圖418(a)中，兩流體的流向互相垂直，稱為錯流；在圖4—18(b)中，一流體只沿一個方向流動，而另一流體反復折流，稱為簡單折流。由該式可知平均溫度差△tm等于換熱器兩端溫度差的對數(shù)平均值，即上式中的△tm稱為對數(shù)平均溫度差，其形式與對數(shù)平均半徑相同。 1）逆流和并流時的平均溫度差在換熱能中，兩流體若以相反的方向流動，稱為逆流；若以相同的方向流動，稱為并流如圖4—16所示。 1．恒溫傳熱時的平均溫度差換熱器的間壁兩側流體均有相變化時，例如蒸發(fā)器中，飽和蒸氣和沸騰液體間的傳熱就是恒溫傳熱。4．4．3 平均溫度差法和總傳熱速率方程 總傳熱速率的微分方程式，積分后才有實際意義。通常，推薦的經(jīng)驗值是從生產(chǎn)實踐中積累或通過實驗測定獲得的。顯然，實驗查定可以獲得較為可靠的K值。這是設計和操作換熱器時應考慮的問題。若管壁內、外側表面上的污垢熱阻分別用Rsi及Rs0表示，則總傳熱系數(shù)式變?yōu)椋菏街蠷si及Rs0 —分別為管內和管外的污垢熱阻，又稱污垢系數(shù)，m2在換熱器的傳熱汁算中，K值的來源有：① K值的計算；② 實驗查定；③ 經(jīng)驗數(shù)據(jù)。因此式434可表示為 式中 K0,Ki,Km—基于管內表面積、外表面積和內外表面平均面積的總傳熱系數(shù)，W／(m2‘℃)； Si，S。℃)； T—換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度，℃ T—換熱器的任一截面上冷流體的平均溫度，℃ 式434為總傳熱速率微分方程式，也是總傳熱系數(shù)的定義式，表明總傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于單位溫度差下的總傳熱通量。但是利用上述方程計算傳熱速率時，必須已知壁溫。 上式是冷凝液在飽和溫度下離開換熱器。 對于換熱器的微元面積dS，其熱量衡算式可表示為 式中 W—流體的質量流量，kg/h或kg／s； I—流體的焓，kJ／kg； Q—換熱器的熱負荷，kJ／h或kW； 下標1和2分別表示換熱器的進口和出口。而實際上壁溫常常是未知的，為了避開壁溫，故引出間壁兩側流體間的總傳熱速率方程。是否小于臨界直徑dc。存在一個保溫層臨界直徑問題。顯然，由于影響(dt／dy)w的因素很復雜，目前僅能獲得少數(shù)較簡單條件的α分析解，對其他情況仍需通過經(jīng)驗公式來計算α。大多數(shù)情況下，流動邊界層的厚度δ大于熱邊界層的厚度δt。實驗表明，在大多數(shù)情況下(導熱系數(shù)很大的流體除外)，流體的溫度也和速度一樣，僅在靠近板面的薄流體層中有顯著的變化，即在此薄層中存在溫度梯度；定義此薄層為熱邊界層。 由上分析可知，對流傳熱是集熱對流和熱傳導于一體的綜合現(xiàn)象?！獡Q熱器的管內側和外側表面積，m2；牛頓冷卻定律單位溫度差下、單位傳熱面積的對流傳熱速率，反映了對流傳熱的快慢，α越大表示對流傳熱愈快。 應注意，流體的平均溫度是指將流動橫截面上的流體絕熱混合后測定的溫度。以熱流體和壁面間的對流傳熱為例，對流傳熱速率方程可以表示為dQ——局部對流傳熱速率，W；dS—微分傳熱面積，m2； T—換熱器的任一截面上熱流體的平均溫度，℃； TW—換熱器的任一截面上與熱流體相接觸一側的壁面溫度，℃ α—比例系數(shù)，又稱局部對流傳熱系數(shù)，W／(m2先介紹對流傳熱的基本概念。 ①強制對流傳熱，流體因外力作用而引起的流動； ②自然對流傳熱，僅因溫度差而產(chǎn)生流體內部密度差引起的流體對流流動。它在化工傳熱過程(如間壁式換熱器)中占有重要的地位。假設層與層之間接觸良好，即相接觸的兩表面溫度相同。當兩個物理量的比值等于2時，算術平均值與對數(shù)平均值相比，計算誤差僅為4％，這是工程計算允許的。例1：平壁爐的爐壁由三種材料組成，其厚度和導熱系數(shù)列于本題附表中。假設層與層之間接觸良好，即相接觸的兩表面溫度相同。 計算結果表明，將導熱系數(shù)按常量或變量計算時，所得的導熱通量是相同的，而溫度分布則不同，前者為直線，后者為曲線。 必須強調指出，應用熱阻的概念，對傳熱過程的分析和計算都是十分有用的。在以后的熱傳導計算中，一般都采用平均導熱系數(shù)。對此種穩(wěn)態(tài)的一維平壁熱傳導，導熱速率Q和傳熱面積S都為常量，故應予指出，式4—12適用于λ為常數(shù)的穩(wěn)態(tài)熱傳導過程。工業(yè)上所用的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因為其空隙中有氣體，所以其導熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。 有機化合物的互溶混合液的導熱系數(shù)估算式為３．氣體的導熱系數(shù) 氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。在非金屬液體中，水的導熱系數(shù)最大。２．液體的導熱系數(shù) 液體可分為金屬液體和非金屬液體。℃)；λ０——固體在０℃時的導熱系數(shù)，W／(m純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低。工程計算中常見物質的導熱系數(shù)可從有關手冊中查得，本書附錄中也有部分摘錄，供做習題時查用。因此，導熱系數(shù)表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之—；導熱系數(shù)的數(shù)值與物質的組成、結構、密度、溫度及壓強有關。式47中的負號表示熱流方向總是和溫度梯度的方向相反，如圖4—7所示。溫度梯度的數(shù)學定義式為 補充內容:一、熱傳導的基本概念和傅立葉定律 1．傅里葉(Fourier)定律 傅立葉定律為熱傳導的基本定律，表示通過等溫表面的導熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比，即式中由于某瞬間內空間任一點上不可能同時有不同的溫度，故溫度不同的等溫面彼此不能相交。 若溫度場內各點的溫度隨時間而變，此溫度場為非穩(wěn)態(tài)溫度場，這種溫度場對應于穩(wěn)態(tài)的導熱狀態(tài)。41 常用加熱劑及其適用溫度范圍加熱劑熱水飽和蒸汽聯(lián)苯混合物熔巖（KNO3 53%,NaNO2 40%, NaNO3 7%)煙道氣礦物油適用溫度/℃40100100180255380142530100018025042 常用冷卻劑及其適用溫度范圍冷卻劑水（自來水、河水、井水）空氣鹽水氨蒸汽適用溫度/℃080300~1515~30 熱傳導4． 基本概念和傅里葉定律 1．溫度場和溫度梯度 ， 物體或系統(tǒng)內的各點間的溫度差，是熱傳導的必要條件。工業(yè)上常用的冷卻劑有水、空氣和各種冷凍劑。同時選擇載熱體時還應考慮以下原則： ①載熱體的溫度易調節(jié)控制； ②載熱體的飽和蒸氣壓較低，加熱時不易分解； ③載熱體的毒性小，不易燃、易爆，不易腐蝕設備 ④價格便宜，來源容易。熱量的多少決定了傳熱過程的操作費用?；み^程中遇到的大多是穩(wěn)態(tài)傳熱。穩(wěn)態(tài)傳熱的特點是傳熱系統(tǒng)中溫度分布不隨時間而變，且傳熱速率在任何時間都為常數(shù)。找出熱阻的表達方式，即可求得傳熱速率。熱通量(又稱傳熱速度)是指單位傳熱面積的傳熱速率，用q表示，單位為W／m2。 在換熱器中兩流體間傳遞的熱，可能是伴隨有流體相變化的潛熱，例如冷凝或沸騰；亦可能是流體無相變化、僅有溫度變化的顯熱，例如加熱或冷卻。或平均直徑dm(即(di+d。若流體在管束內來回流過多次，稱為多程(例如四程、六程等)換熱器。將該流體稱為殼程(或殼方)流體。 圖4—5為單程管殼式換熱器。為便于討淪傳熱的基本原理，先簡單介紹典型間壁式換熱器，其他類型的換熱器將在4．7節(jié)中詳細討論。間壁式換熱器的類型很多，它們都是典型的傳熱設備。蓄熱器內裝有固體填充物（如耐火磚等），冷、熱流體交替地流過蓄熱器，利用固體填充物來積蓄和釋放熱量而達到換熱的目的。直接接觸換熱的機理比較復雜，它在進行傳熱的同時往往伴有傳質過程。 1．直接接觸式換熱和混合式換熱器 對某些傳熱過程，例如氣體的冷卻或水蒸氣的冷凝等，可使熱、冷流體直接混合進行熱交換。應予指出，任何物體只要在熱力學溫度零度以上，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。 自然界中一切物體都在不停地向外發(fā)射輻射能，同時又不斷地吸收來自其他物體的輻射能，并將其轉變?yōu)闊崮?。由此可見，對流傳熱與流體流動狀況密切相關。流動的原因不同，對流傳熱的規(guī)律也不同。對于純熱傳導的過程，它僅是靜止物質內的一種傳熱方式，也就是說沒有物質的宏觀位移。熱傳導的條件是系統(tǒng)兩部分之間存在溫度差，此時熱量將從高溫部分傳向低溫部分，或從高溫物體傳向與它接觸的低溫物體，直至整個物體的各部分溫度相等為止?；どa(chǎn)中對傳熱過程的要求經(jīng)常有以下兩種情況：① 一種是強化傳熱過程，如各種換熱設備中的傳熱；②另一種是削弱傳熱過程，如設備和管道的保溫，以減少熱損失。熱力學不研究引起傳熱的機理和傳熱的快慢，它僅研究物質的平衡狀態(tài)，確定系統(tǒng)由一種平衡狀態(tài)變到另一種平衡狀態(tài)所需的總能量；而傳熱學研究能量的傳遞速率，因此可以認為傳熱學是熱力學的擴展。 概述 傳熱是指由于溫度差引起的能量轉移，又稱熱傳遞。 應予指出，熱力學和傳熱學兩門學科既有區(qū)別又有聯(lián)系。由此可見，傳熱過程普遍地存在于化工生產(chǎn)中，且具有極其重要的作用。 1．熱傳導(又稱導熱)若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導(又稱導熱)。在金屬固體中，熱傳導起因于自由電子的運動；在不良導體的固體中和大部分液體中，熱傳導是通過晶格結構的振動，即原子、分子在平衡位置附近的振動來實現(xiàn)的；在氣體中，熱傳導則是由于分子不規(guī)則運動而引起的。在流體中產(chǎn)生對流的原固有二：一是因流體中各處的溫度不同而引起密度的差別，使輕者上浮，重者下沉，流體質點產(chǎn)生相對位移，這種對流稱為自然對流；二是因泵(風機)或攪拌等外力所致的質點強制運動，這種對流稱為強制對流。對流傳熱的特點是靠近壁面附近的流體層中依靠熱傳導方式傳熱，而在流體主體中則主要依靠對流方式傳熱。所有物體(包括固體、液體和氣體)都能將熱能以電磁波形式發(fā)射出去，而不需要任何介質，也就是說它可以在真空中傳播。輻射傳熱的特點是：不僅有能量的傳遞，而且還有能量形式的轉移，即在放熱處，熱能轉變?yōu)檩椛淠?，以電磁波的形式向空間傳遞；當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分地或全部地吸收而轉變?yōu)闊崮堋?．1．2 傳熱過程中熱、冷流體(接觸)熱交換的方式 傳熱過程中熱，冷流體熱交換可分為三種方式，各種熱交換方式所用換熱設備的結構也各不相同，簡述如下。顯然，僅對于工藝上允許兩流體互相混合的情況，才能采用這種換熱方式。 2．蓄熱式換熱和蓄熱器蓄熱式換熱是在蓄熱器中實現(xiàn)熱交換的一種方式。固體壁面即構成間壁式換熱器。4．1．3 典型的間壁式換熱器 換熱器是實現(xiàn)傳熱過程的基本設備。冷、熱流體分別流經(jīng)內管和環(huán)隙而進行熱的交換。通常，把流體流經(jīng)管束稱為流經(jīng)管程，將該流體稱為管程(或管方)流體；把流體流經(jīng)管間環(huán)隙稱為流經(jīng)殼程。由于管程流體在管束內流經(jīng)兩次，故稱為雙程管殼式換熱器。對于特定的管殼式換熱器，其傳熱面積可按下式計算，即 應予指出，式中管徑d可分別用管內徑di、管外徑d。對于一定的傳熱任務，確定換熱器的傳熱面積是設計換熱器的主題，以后各節(jié)將要圍繞此問題進行討淪。傳熱速率(又稱熱流量)是指在單位時間內通過傳熱面的熱量，用Q表示，單位為W。 對不同的傳熱情況。4．1．5 穩(wěn)態(tài)傳熱和非穩(wěn)態(tài)傳熱在傳熱系統(tǒng)(例如換熱器)中不積累能量(即輸入的能量等于輸出的能量)的傳熱過程稱為穩(wěn)態(tài)傳熱。工業(yè)生產(chǎn)上間歇操作的換熱設備和連續(xù)生產(chǎn)時設備的開工和停工階段，都為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。對一定的傳熱過程，待加熱或冷卻物料的初始及終了溫度常由工藝條件決定，因此需要提供或取出的熱量是一定的。因此為了提高傳熱過程的經(jīng)濟效益，必須選擇適當溫位的載熱體。若所需的加熱溫度很高，則需采用電加熱。一些常用冷卻劑及其適用溫度范圍如表42所示。 一般情況下，物體內任一點的溫度為該點的位置以及時間的函數(shù)，故溫度場的數(shù)學表達式為 式中