【正文】 強制層流和強制湍流）、自然對流。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。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。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，稱之為池內沸騰或大容積沸騰；其二是液體在管內流動過程中于管內壁發(fā)生的沸騰，稱為流動沸騰，或強制對流沸騰，也稱為管內沸騰。 由對流傳熱機理分析可知，對流傳熱系數(shù)決定于熱邊界層內的溫度梯度。當層流內層的溫度梯度一定時，流體的導熱系數(shù)愈大．對流傳熱系數(shù)也愈大。4．流體的流動狀態(tài) 層流和湍流的傳熱機理有本質的區(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，管束的排列方式)及流道尺寸(如管徑、管長、板高和進口效應)等都直接影響對流傳熱系數(shù)。根據(jù)理論分析及有關實驗研究，得知影響對流傳熱系數(shù)α的因素有：傳熱設備的特征尺寸l、流體的密度ρ、黏度μ、比熱容cp、導熱系數(shù)λ與流速u等物理量。本例中沒有這種情況。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。 應予指出，流動當量直徑de．和傳熱當量直徑deˊ定義不同。 ②高黏度液體，可應用西德爾(Sieder)和塔特(Tate)關聯(lián)式，即 2)流體在圓形直管內作強制層流 流體在管內作強制層流時，應考慮自然對流的效應，并且熱流方向對α的影響更加顯著，情況比較復雜，關聯(lián)式的誤差比湍流的要大。 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 應用范圍：Re3000。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) 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。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鍵因素。因此在冷凝器的設計和操作中，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。在進行傳熱的設計計算時，有關α的關聯(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用條件和適用范圍，否則計算結果的誤差較大。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。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。但是，某些物體如無光澤的黑煤，接近于黑體；，接近于鏡體。灰體有以下特點： 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。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之間的關系。4．6．3 兩固體間的輻射傳熱 化學工業(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，也經歷反復吸收和反射的過程，如圖436(a)和(b)所示。 假設從板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)。黑度ε值取決于物體的性質、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范圍內變化。根據(jù)量子理論可以推導出如下的數(shù)學式，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。 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。一般單原子氣體和對稱的雙原子氣體均可視為透熱體。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。物體可由不同的原因產生電磁波，其中因熱的原因引起的電磁波輻射，即是熱輻射。 應強調指出，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的關聯(lián)式。曾經有人在特定的(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。在液體的對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相內部產生氣泡或氣膜的過程，這稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）。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。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。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。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流傳熱系數(shù)。 特征尺寸：Nu、Re準數(shù)中的l取管內徑di。對非圓形管通常取當量直徑。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，可以是管內徑或外徑，或平板高度等，m；λ—流體的導熱系數(shù)，W／(m②不能同時選用量綱相同的物理量。應予指出，對于影響過程變量較多的情況，白金漢法要比雷萊法簡便。 自然對流的原因是流體內部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質點相對位移。因此在對流傳熱計算中必須修正溫度對物性的影響。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。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、溫度差△t、操作壓強和加熱壁面等。此外，冷凝壁面的表面情況對傳熱系數(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)目較少的場合，而當變量數(shù)目較多時，采用白金漢法較為簡便。4．5．1 影響對流傳熱系數(shù)的因素 對流傳熱是指運動流體與固體壁面之間的熱量傳遞過程，故對流傳熱與流體的流動狀況密切相關。但是，通過φ△t值的大小，可以看出所選流動形式與逆流的差距，便于選擇較適宜的流動形式，而采用εNTU法則無此優(yōu)點。此時，若采用εNTU法則較為簡便。為此需用的基本關系與設計型計算的完全相同。在選擇流向時應綜合考慮，φ△t值不宜過低，一般設計時應取φ△tO．9，否則另選其他流動形式。當換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K一定時，采用逆流操作，所需的換熱器傳熱面積較小。通常在換熱器的設計中規(guī)定△tm值不應小于0．8，若低于此值，則應考慮增加殼方程數(shù)，或將多臺換熱器串聯(lián)使用，使傳熱過程更接近于逆流。 對于錯流和折流時的平均溫度差，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，推導出計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方向。應指出，實測K值的意義不僅可以為換熱器的設計提供依據(jù)，而且可以了解換熱器的性能，從而尋求提高設備傳熱能力的途徑。 某些常見流體的污垢熱阻的經驗值可查附錄。在傳熱計算中，選擇何種面積作為計算基準，結果完全相同，但工程上大多以外表面積作為基準，因此在后面討論中，除非另有說明2．總傳熱系數(shù) 總傳熱系數(shù)(簡稱傳熱系數(shù))K是評價換熱器性能的一個重要參數(shù)，又是換熱器的傳熱計算所需的基本數(shù)據(jù)：確定K值和分析其影響因素具有重要的意義。為了避開壁溫，直接使用已知的熱、冷流體溫度進行計算，就需要導出以兩流體溫度差為傳熱推動力的傳熱速率方程，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算的基礎。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)，熱對流和熱傳導的作用大致相同，在該層內溫度發(fā)生較緩慢的變化。 在換熱器中，局部對流傳熱系數(shù)α隨管長而變化，但是在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數(shù)(一般也用α表示，應注意與局部對流傳熱系數(shù)的區(qū)別)，此時牛頓冷卻定律可以表示為α—平均對流傳熱系數(shù)，W／(m2 ①蒸氣冷凝，氣體在傳熱過程中全部或部分冷凝為液體； ②液體沸騰，液體在傳熱過程中沸騰汽化，部分液體轉變?yōu)闅怏w。當導熱系數(shù)為常數(shù)，圓筒壁內的溫度分布也不是直線而是曲線。仿平壁熱傳導公式，通過該薄圓筒壁的導熱速率為式中 rm——圓筒壁的對數(shù)平均半徑，m； Sm——圓筒壁的內、外表面的對數(shù)平均面積，m2。 2．多層平壁的熱傳導 以三層平壁為例，如圖49所示。見例41。補充：４．２．３　通過平壁的熱傳導１．單層平壁的熱傳導單層平壁的熱傳導，如圖4—8所示。一般說來，純液體的導熱系數(shù)比其溶液的要大：溶液的導熱系數(shù)在缺乏實驗數(shù)據(jù)時，可按純液體的λ值進行估算。對大多數(shù)金屬材料，ａˊ為負值。表中數(shù)據(jù)表明了氣體、液體和固體的導熱系數(shù)的數(shù)量級范圍。可見，熱量傳遞和動量傳遞具有類似性。溫度隨距離的變化程度以沿與等溫面的垂直方向為最大。溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內各點的溫度分布總和。它們所適用的溫度范圍如表4—1所示。在化工生產中，物料在換熱器內被加熱或冷卻時，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)；起冷卻(或冷凝)作用的載熱體稱為冷卻劑(或冷卻介質)。 應予指出，傳熱速率和熱通量是評價換熱器性能的重要指標。在換熱器中傳熱的快慢用傳熱速率來表示，傳熱速率是傳熱過程的基本參數(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的接管3進人，殼體內裝有數(shù)塊擋板7，使流體在殼與管束間沿擋板作折流流動，而從另一端的殼體接管流出。通常，將流體與固體壁畫之間的傳熱稱為對流傳熱過程，將熱、冷流體通過壁面之間的傳熱稱為熱交換過程，簡稱傳熱過程 間壁式換熱是本章討淪的重點。由于冷凝器通常與真空蒸發(fā)器相連，器內壓強為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考慮對流傳熱和輻射傳熱等。 3．熱輻射 因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射。熱對流僅發(fā)生在流體中。 本章討論的重點是傳熱的基本原理及其在化工中的應用4．1．1傳熱的基本方式 根據(jù)傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式：傳導、對流和熱輻射傳熱可以靠其中的一種方式或幾種方式同時進行。無論在能源、宇航、化工、動力、冶金、機械、建筑等工業(yè)部門，還是在農業(yè)、環(huán)境保護等其他部門中都涉及到許多有關傳熱的問題。熱力學(能量守恒定律)和傳熱學(傳熱速宰方程)兩者的結合，才可能解決傳熱問題：化學工業(yè)與傳熱的關系尤為密切；這是因為化工生產中的很多過程和單元操作，都需要進行加熱和冷卻。熱傳導在固體、液體和氣體中均可進行，但它的微觀機理因物態(tài)而異。應予指出，在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強制對流。物體之間相互輻射和吸收能量的總結果稱為輻射傳熱。這種換熱方式的優(yōu)點是傳熱效果好，設備結構簡單。由于不能完全避免兩種流體的混合，所以這類設備在化工生產中使用得不太多。 圖44為簡單的套管式換熱器。由于管程流體在管束內只流過一次，故稱為單程管殼換熱器。)/2)來表示，則對應的傳熱面積分別為管內側面積Si、外側面積S。熱通量和傳熱速率間的關系為 由于換熱器的傳熱面積可以用圓管的內表面積Si、外表面積So或平均表面積Sm表示，因此相應的熱通量的數(shù)值各不相同，計算時應標明選擇的基準面積。連續(xù)生產過程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。但應指出，單位熱量的價格因載熱體而異。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℃。若溫度場內各點的溫度不隨時間而變，即為穩(wěn)態(tài)溫度場。各種物質的導熱系數(shù)通常用實驗方法測定。金屬的導熱系數(shù)大多隨其純度的增高而增大，因此，合金的導熱系數(shù)一般比純金屬要低。液態(tài)金屬的導熱系數(shù)比一般液體的要高。在相當大的壓強范圍內，氣體的導熱系數(shù)隨壓強的變化甚微，可以忽略不計。實際上，物體內不同位置上的溫度并不相同，因而導熱系數(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，利用這一關系可以計算界面溫度或物體內溫度分布。各表面溫度為t1, t2, t3 ,t4,且t1t2t3t4。因此當兩個變量的比值小于或等于2時，經常用算術平均值代替對數(shù)平均值，使計算較為簡便。對流傳熱過程機理較復雜，其傳熱速率與很多因素有關。4．3．1 對流傳熱速率方程和對流傳熱系數(shù) 1．對流傳熱速率方程 對流傳熱是一復雜的傳熱過程，影響對流傳熱速率的因素很多，而且不同的對流傳熱情況又有差別，因此對流傳熱的理論計算是很困難的，目前工程上仍按下述的半經驗方法處理：根據(jù)傳遞過程速率的普遍關系，壁面與流體間(或反之)的對流傳熱速率，也應該等于推動力和阻力之比，即 上式中的推動力是壁面和流體間的溫度差。在傳熱計算中，除另有說明外，流體的溫度一般都是指這種橫截面的平均溫