【正文】 強(qiáng)制層流和強(qiáng)制湍流）、自然對(duì)流。白金漢π定理規(guī)定：無(wú)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。膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)膜狀冷凝時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)理論公式為努塞爾特（Nusselt）理論公式。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(shí)，液體的運(yùn)動(dòng)僅緣于自然對(duì)流和氣泡的擾動(dòng)，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(dòng)過(guò)程中于管內(nèi)壁發(fā)生的沸騰，稱為流動(dòng)沸騰，或強(qiáng)制對(duì)流沸騰，也稱為管內(nèi)沸騰。 由對(duì)流傳熱機(jī)理分析可知，對(duì)流傳熱系數(shù)決定于熱邊界層內(nèi)的溫度梯度。當(dāng)層流內(nèi)層的溫度梯度一定時(shí)，流體的導(dǎo)熱系數(shù)愈大．對(duì)流傳熱系數(shù)也愈大。4．流體的流動(dòng)狀態(tài) 層流和湍流的傳熱機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別。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(zhǎng)、板高和進(jìn)口效應(yīng))等都直接影響對(duì)流傳熱系數(shù)。根據(jù)理論分析及有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得知影響對(duì)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。本例中沒(méi)有這種情況。s；cp—流體的定壓比熱容，kJ／(kg 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(lái)比較麻煩，須采用試差計(jì)算，因此工程上大多以流體的平均溫度為定性溫度。 應(yīng)予指出，流動(dòng)當(dāng)量直徑de．和傳熱當(dāng)量直徑deˊ定義不同。 ②高黏度液體，可應(yīng)用西德?tīng)?Sieder)和塔特(Tate)關(guān)聯(lián)式，即 2)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流 流體在管內(nèi)作強(qiáng)制層流時(shí)，應(yīng)考慮自然對(duì)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。 流體橫向流過(guò)管束時(shí)，平均對(duì)流傳熱系數(shù)可分別用下式計(jì)算：對(duì)于如圖4—26中(a)、(d)排列 對(duì)于如圖4—26中(b)、(c)排列 應(yīng)用范圍：Re3000。若擋板和殼體間、擋板和管束之間的間隙過(guò)大，部分流體會(huì)從間隙中流過(guò)，這股流體稱為旁流。(2) 膜狀冷凝 若冷凝液能夠潤(rùn)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。因此對(duì)一定的組分，液膜的厚度及其流動(dòng)狀況是影響冷凝傳熱的關(guān)鍵因素。因此在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，都必須考慮排除不凝氣。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(duì)沸騰傳熱系數(shù)α和熱通量q的影響。在相同△t下，α和g都更高。在進(jìn)行傳熱的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，有關(guān)α的關(guān)聯(lián)式可查閱傳熱專著或手冊(cè)，但選用時(shí)一定要注意公式的應(yīng)用條件和適用范圍，否則計(jì)算結(jié)果的誤差較大。物體在向外輻射能量的同時(shí)，也可能不斷地吸收周圍其他物體發(fā)射來(lái)的輻射能。在真空和大多數(shù)的氣體(惰性氣體和對(duì)稱的雙原子氣體)中，熱射線可完全透過(guò)，但對(duì)大多數(shù)的固體和液體，熱射線則不能透過(guò)。但是，某些物體如無(wú)光澤的黑煤，接近于黑體；，接近于鏡體?；殷w有以下特點(diǎn)： ①灰體的吸收率A不隨輻射線的波長(zhǎng)而變； ②灰體是不透熱體，即A+R=1。在不太高的溫度下。3．克希霍夫(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。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。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(guò)程，如圖436(a)和(b)所示。 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。前者為吸收率，表示由其他物體發(fā)射來(lái)的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?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?jǐn)?shù)。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(shí)驗(yàn)測(cè)定，其值在01范圍內(nèi)變化。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(jiàn)，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(zhǎng)的能量是不同的。 實(shí)際物體，如一般的固體能部分地吸收由零到∞的所有波長(zhǎng)范圍的輻射能。一般單原子氣體和對(duì)稱的雙原子氣體均可視為透熱體。不過(guò)紅外光線的熱射線對(duì)熱輻射起決定作用，只有在很高的溫度下，才能覺(jué)察到可見(jiàn)光線的熱效應(yīng)。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。 應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出，對(duì)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。曾經(jīng)有人在特定的(沸騰壓強(qiáng)、壁面形狀等)實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)多種液體進(jìn)行泡核沸騰時(shí)傳熱系數(shù)的測(cè)定，整理得到下面的經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)定。在液體的對(duì)流傳熱過(guò)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(guò)程，這稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）。但這種力若超過(guò)液膜重力，液膜會(huì)被蒸汽吹離壁面，此時(shí)隨蒸汽流速的增加，α急劇增大。由于沒(méi)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。例如水的沸騰或水蒸氣冷凝時(shí)的α較水單相流的α要大得多。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。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(duì)流傳熱系數(shù)。 特征尺寸：Nu、Re準(zhǔn)數(shù)中的l取管內(nèi)徑di。對(duì)非圓形管通常取當(dāng)量直徑。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?！?；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／(m②不能同時(shí)選用量綱相同的物理量。應(yīng)予指出，對(duì)于影響過(guò)程變量較多的情況，白金漢法要比雷萊法簡(jiǎn)便。 自然對(duì)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(diǎn)相對(duì)位移。因此在對(duì)流傳熱計(jì)算中必須修正溫度對(duì)物性的影響。對(duì)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(qiáng)有關(guān)。沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)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(qiáng)和加熱壁面等。此外，冷凝壁面的表面情況對(duì)傳熱系數(shù)的影響也很大。蒸汽冷凝主要有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。 常用的因次分析分析方法有雷萊法和白金漢法（Buckingham Method）兩種，前者適用于變量數(shù)目較少的場(chǎng)合，而當(dāng)變量數(shù)目較多時(shí)，采用白金漢法較為簡(jiǎn)便。4．5．1 影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 對(duì)流傳熱是指運(yùn)動(dòng)流體與固體壁面之間的熱量傳遞過(guò)程，故對(duì)流傳熱與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。但是，通過(guò)φ△t值的大小，可以看出所選流動(dòng)形式與逆流的差距，便于選擇較適宜的流動(dòng)形式，而采用εNTU法則無(wú)此優(yōu)點(diǎn)。此時(shí)，若采用εNTU法則較為簡(jiǎn)便。為此需用的基本關(guān)系與設(shè)計(jì)型計(jì)算的完全相同。在選擇流向時(shí)應(yīng)綜合考慮，φ△t值不宜過(guò)低，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取φ△tO．9，否則另選其他流動(dòng)形式。當(dāng)換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K一定時(shí)，采用逆流操作，所需的換熱器傳熱面積較小。通常在換熱器的設(shè)計(jì)中規(guī)定△tm值不應(yīng)小于0．8，若低于此值，則應(yīng)考慮增加殼方程數(shù)，或?qū)⒍嗯_(tái)換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過(guò)程更接近于逆流。 對(duì)于錯(cuò)流和折流時(shí)的平均溫度差，可采用安德伍德(Underwood)和鮑曼(Bowman)提出的圖算法。下面以逆流為例，推導(dǎo)出計(jì)算平均溫度差的通式：由換熱器的熱量衡算微分式知上式為適用于整個(gè)換熱器的總傳熱方程式。為此必須考慮兩流體在換熱器的溫度變化情況以及流體的流動(dòng)方向。應(yīng)指出，實(shí)測(cè)K值的意義不僅可以為換熱器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設(shè)備傳熱能力的途徑。 某些常見(jiàn)流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查附錄。在傳熱計(jì)算中，選擇何種面積作為計(jì)算基準(zhǔn)，結(jié)果完全相同，但工程上大多以外表面積作為基準(zhǔn)，因此在后面討論中，除非另有說(shuō)明2．總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)(簡(jiǎn)稱傳熱系數(shù))K是評(píng)價(jià)換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)：確定K值和分析其影響因素具有重要的意義。為了避開(kāi)壁溫，直接使用已知的熱、冷流體溫度進(jìn)行計(jì)算，就需要導(dǎo)出以兩流體溫度差為傳熱推動(dòng)力的傳熱速率方程，該方程即為總傳熱速率方程。℃)； t—冷流體的溫度，℃； T—熱流體的溫度，℃。兩者都是以換熱器的熱量衡算和傳熱速率方程為計(jì)算的基礎(chǔ)。通常，熱損失隨保溫層厚度的增加而減少。熱邊界層的厚度用δt表示。在緩沖層區(qū)，熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)的作用大致相同，在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。 在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)α隨管長(zhǎng)而變化，但是在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)(一般也用α表示，應(yīng)注意與局部對(duì)流傳熱系數(shù)的區(qū)別)，此時(shí)牛頓冷卻定律可以表示為α—平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W／(m2 ①蒸氣冷凝，氣體在傳熱過(guò)程中全部或部分冷凝為液體； ②液體沸騰，液體在傳熱過(guò)程中沸騰汽化，部分液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，圓筒壁內(nèi)的溫度分布也不是直線而是曲線。仿平壁熱傳導(dǎo)公式，通過(guò)該薄圓筒壁的導(dǎo)熱速率為式中 rm——圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，m； Sm——圓筒壁的內(nèi)、外表面的對(duì)數(shù)平均面積，m2。 2．多層平壁的熱傳導(dǎo) 以三層平壁為例，如圖49所示。見(jiàn)例41。補(bǔ)充：４．２．３　通過(guò)平壁的熱傳導(dǎo)１．單層平壁的熱傳導(dǎo)單層平壁的熱傳導(dǎo)，如圖4—8所示。一般說(shuō)來(lái)，純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大：溶液的導(dǎo)熱系數(shù)在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按純液體的λ值進(jìn)行估算。對(duì)大多數(shù)金屬材料，ａˊ為負(fù)值。表中數(shù)據(jù)表明了氣體、液體和固體的導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級(jí)范圍?？梢?jiàn)，熱量傳遞和動(dòng)量傳遞具有類似性。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向?yàn)樽畲蟆囟葓?chǎng)就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。它們所適用的溫度范圍如表4—1所示。在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)被加熱或冷卻時(shí)，通常需要用另一種流體供給或取走熱量，此種流體稱為載熱體，其中起加熱作用的載熱體稱為加熱劑(或加熱介質(zhì))；起冷卻(或冷凝)作用的載熱體稱為冷卻劑(或冷卻介質(zhì))。 應(yīng)予指出，傳熱速率和熱通量是評(píng)價(jià)換熱器性能的重要指標(biāo)。在換熱器中傳熱的快慢用傳熱速率來(lái)表示，傳熱速率是傳熱過(guò)程的基本參數(shù)。顯然，傳熱面積愈大，傳遞的熱量愈多。另一流體由殼體右側(cè)的接管3進(jìn)人，殼體內(nèi)裝有數(shù)塊擋板7，使流體在殼與管束間沿?fù)醢遄髡哿髁鲃?dòng)，而從另一端的殼體接管流出。通常，將流體與固體壁畫(huà)之間的傳熱稱為對(duì)流傳熱過(guò)程，將熱、冷流體通過(guò)壁面之間的傳熱稱為熱交換過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱過(guò)程 間壁式換熱是本章討淪的重點(diǎn)。由于冷凝器通常與真空蒸發(fā)器相連，器內(nèi)壓強(qiáng)為1020 kPa ，因此氣壓管必須有足夠的高度，一般為10—11 m。例如，在高溫氣體與固體壁面之間的換熱就要同時(shí)考慮對(duì)流傳熱和輻射傳熱等。 3．熱輻射 因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中。 本章討論的重點(diǎn)是傳熱的基本原理及其在化工中的應(yīng)用4．1．1傳熱的基本方式 根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射傳熱可以靠其中的一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn)行。無(wú)論在能源、宇航、化工、動(dòng)力、冶金、機(jī)械、建筑等工業(yè)部門，還是在農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等其他部門中都涉及到許多有關(guān)傳熱的問(wèn)題。熱力學(xué)(能量守恒定律)和傳熱學(xué)(傳熱速宰方程)兩者的結(jié)合，才可能解決傳熱問(wèn)題：化學(xué)工業(yè)與傳熱的關(guān)系尤為密切；這是因?yàn)榛どa(chǎn)中的很多過(guò)程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻。熱傳導(dǎo)在固體、液體和氣體中均可進(jìn)行，但它的微觀機(jī)理因物態(tài)而異。應(yīng)予指出，在同一種流體中，有可能同時(shí)發(fā)生自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。物體之間相互輻射和吸收能量的總結(jié)果稱為輻射傳熱。這種換熱方式的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于不能完全避免兩種流體的混合，所以這類設(shè)備在化工生產(chǎn)中使用得不太多。 圖44為簡(jiǎn)單的套管式換熱器。由于管程流體在管束內(nèi)只流過(guò)一次，故稱為單程管殼換熱器。)/2)來(lái)表示，則對(duì)應(yīng)的傳熱面積分別為管內(nèi)側(cè)面積Si、外側(cè)面積S。熱通量和傳熱速率間的關(guān)系為 由于換熱器的傳熱面積可以用圓管的內(nèi)表面積Si、外表面積So或平均表面積Sm表示，因此相應(yīng)的熱通量的數(shù)值各不相同，計(jì)算時(shí)應(yīng)標(biāo)明選擇的基準(zhǔn)面積。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。但應(yīng)指出，單位熱量的價(jià)格因載熱體而異。水和空氣可將物料最低冷卻至環(huán)境溫度，其值隨地區(qū)和季節(jié)而異，一般不低于2030℃。若溫度場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間而變，即為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。各種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大多隨其純度的增高而增大，因此，合金的導(dǎo)熱系數(shù)一般比純金屬要低。液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體的要高。在相當(dāng)大的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化甚微，可以忽略不計(jì)。實(shí)際上，物體內(nèi)不同位置上的溫度并不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也隨之而異。由于系統(tǒng)中任一段的熱阻與該段的溫度差成正比，利用這一關(guān)系可以計(jì)算界面溫度或物體內(nèi)溫度分布。各表面溫度為t1, t2, t3 ,t4,且t1t2t3t4。因此當(dāng)兩個(gè)變量的比值小于或等于2時(shí)，經(jīng)常用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值，使計(jì)算較為簡(jiǎn)便。對(duì)流傳熱過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，其傳熱速率與很多因素有關(guān)。4．3．1 對(duì)流傳熱速率方程和對(duì)流傳熱系數(shù) 1．對(duì)流傳熱速率方程 對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的傳熱過(guò)程，影響對(duì)流傳熱速率的因素很多，而且不同的對(duì)流傳熱情況又有差別，因此對(duì)流傳熱的理論計(jì)算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經(jīng)驗(yàn)方法處理：根據(jù)傳遞過(guò)程速率的普遍關(guān)系，壁面與流體間(或反之)的對(duì)流傳熱速率，也應(yīng)該等于推動(dòng)力和阻力之比，即 上式中的推動(dòng)力是壁面和流體間的溫度差。在傳熱計(jì)算中，除另有說(shuō)明外，流體的溫度一般都是指這種橫截面的平均溫