【正文】 數(shù)按常數(shù)處理是可行的。各表面溫度為t1, t2, t3 ,t4,且t1t2t3t4?！?方程式（423）又稱牛頓(Newdon)冷卻定律。在熱邊界層以外的區(qū)域，流體的溫度基本上相同，即溫度梯度可視為零。4．4傳熱過程計(jì)算化工原理中所涉及的傳熱過程計(jì)算主要有兩類：一類是設(shè)計(jì)計(jì)算，即根據(jù)生產(chǎn)要求的熱負(fù)荷，確定換熱器的傳熱面積；另一類是校核(操作型)計(jì)算，即計(jì)算給定換熱器的傳熱量、流體的流量或溫度等。而一般壁溫往往是未知的?！妫疻。積分結(jié)果將是用平均溫度差代替局部溫度差。若兩流體均作折流，或既有折流又有錯流，則稱為復(fù)雜折流。 兩流體均為變溫傳熱時，且在兩流體進(jìn)、出口溫度各自相同的條件下，逆流時的平均溫度差最大，并流時的平均溫度差最小，其他流向的平均溫度差介于逆流和并流兩者之間，因此就傳熱推動力而言，逆流優(yōu)于并流和其他流動形式。 3．換熱器的操作型計(jì)算對現(xiàn)有的換熱器，判斷其對指定的傳熱任務(wù)是否適用，或預(yù)測在生產(chǎn)中某些參數(shù)變化對傳熱的影響等，均屬于換熱器的操作型計(jì)算。若采用對數(shù)平均溫度差法，則不但要采用較麻煩的試差法，而且在溫度差校正系數(shù)φ△t曲線中，因某些范圍內(nèi)dφ/dP很大，以致P值稍有變化，φ△t值就會相差很多，對計(jì)算結(jié)果影響較大。由對流傳熱的機(jī)理分析可知，影響對流傳熱的因素有：流體的種類相變化情況流體的特性：導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱容、密度、對自然對流影響較大的體積膨脹系數(shù)流體的溫度流體的流動狀態(tài)流體流動的原因傳熱面的形狀、位置和大小流體的溫度流體的流動狀態(tài)流體流動的原因傳熱面的形狀、位置和大小2. 對流傳熱過程的因次分析 所謂因次分析方法，即根據(jù)對問題的分析，找出影響對流傳熱的因素，然后通過因次分析的方法確定相應(yīng)的無因次數(shù)群（準(zhǔn)數(shù)），繼而通過實(shí)驗(yàn)確定求算對流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式，以供設(shè)計(jì)計(jì)算使用。這些因素有冷凝液膜兩側(cè)的溫度差，流體物性、蒸汽的流速和流向、蒸汽中不凝氣體含量的影響和冷凝壁面的影響。 2．流體的特性 對α值影響較大的流體物性有導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、比熱容、密度以及對自然對流影響較大的體積膨脹系數(shù)。5．流體流動的原因 自然對流和強(qiáng)制對流的流動原因不同，因而具有不同的流動和傳熱規(guī)律。本例中共同的物理量不能選擇α。決定準(zhǔn)數(shù)中各物性的溫度稱為定性溫度。若L/di60時，可乘系數(shù)進(jìn)行校正。一般在Re1OO時即可能達(dá)到湍流，使對流傳熱系數(shù)加大。 在滴狀冷凝時，壁面大部分的面積直接暴露在蒸氣中，可供蒸氣冷凝。此外，冷凝壁面的表面情況對α的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜層阻力，因而α降低。此外，加熱面的布置情況，對沸騰傳熱也有明顯的影響。可見光線和紅外光線統(tǒng)稱熱射線。某些氣體只能部分地吸收一定波長范圍的輻射能。 前已述及，在輻射傳熱中黑體是用來作為比較標(biāo)準(zhǔn)的，通常將灰體的輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比定義為物體的黑度(又稱發(fā)射宰)，用ε表示，即只要知道物體的黑度，便可由上式求得該物體的輻射能力。由于兩平板均是灰體，其D=0，故A+R=1。由于大多數(shù)固體可視為灰體，在兩灰體間的相互輻射中，相互進(jìn)行著輻射能的多次被吸收和多次被反射的過程．因而比黑體與灰體間的輻射過程要復(fù)雜得多。—玻爾茨曼（StefanBoltzmann）定律 式4102即為斯蒂芬一玻耳茲曼定律，通常稱為四次方定律。引入黑體等概念，只是作為一種實(shí)際物體的比較標(biāo)準(zhǔn)，以簡化輻射傳熱的計(jì)算。所謂輻射傳熱就是不同物體間相互輻射和吸收能量的綜合過程。 (4)加熱壁面 加熱壁面的材料和粗糙度對沸騰傳熱有重要的影響。含有大量不凝氣的蒸汽冷凝設(shè)備稱為冷凝冷卻器。在壁面上一旦形成液膜后，蒸氣的冷凝只能在液膜的表面上進(jìn)行，即蒸氣冷疑時放出的潛熱，必須通過液膜后才能傳給冷壁面。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。前者應(yīng)用于流動阻力的計(jì)算，而傳熱計(jì)算中則比較混亂，de和deˊ都可能被選用?！?；u——流體的流速，m／s；β—流體的體積膨脹系數(shù),1/℃△t溫度差，℃；g—重力加速度，m/s2。它們可用一般函數(shù)關(guān)系來表示，即 選擇m個(基本量綱的數(shù)目，本例中為4個)物理量作為i個(本例為3個)量綱為1的數(shù)群的共同物理量。當(dāng)流體呈層流時，流體沿壁面分層流動，即流體在熱流方向上沒有混雜運(yùn)動，傳熱基本上依靠分子擴(kuò)散作用的熱傳導(dǎo)來進(jìn)行。而溫度梯度或熱邊界層的厚度與流體的物性、溫度、流動狀況以及壁面幾何狀況等諸多因素有關(guān)。在公式的推導(dǎo)中作了以下假設(shè)冷凝液膜呈滯流流動，傳熱方式為通過液膜的熱傳導(dǎo)；蒸汽靜止不動，對液膜無摩擦阻力；蒸汽冷凝成液體時所釋放的熱量僅為冷凝潛熱，蒸汽溫度和壁面溫度保持不變；冷凝液的物性可按平均液膜溫度取值，且為常數(shù)。流體有相變的對流傳熱：包括蒸汽冷凝和液體沸騰等形式的傳熱過程。注意ε的下標(biāo)表示W(wǎng)cp值較小的那個流體。需用的基本關(guān)系是總傳熱速率方程和熱量衡算式。注意點(diǎn)： 3)流向的選擇 由此可見：（1） 當(dāng)兩流體的進(jìn)、出口溫度都已確定，（Δtm）逆（Δtm）并，S逆S并若（2）逆流可以節(jié)省冷卻劑或加熱劑的用量。在工程計(jì)算中，當(dāng)△t2/△t12時，可用算術(shù)平均溫度差代替對數(shù)平均溫度差，其誤差不大。某些情況下管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗(yàn)值可從有關(guān)手冊中查取或取經(jīng)驗(yàn)值，供設(shè)計(jì)汁算時參考。1） 總傳熱系數(shù)的計(jì)算（1） 總傳熱系數(shù)的計(jì)算式 如前所述，兩流體通過管壁的傳熱包括以下過程：①熱流體在流動過程中把熱量傳給管壁的對流傳熱；②通過管壁的熱傳導(dǎo)；③管壁與流動中的冷流體之間的對流傳熱；通過管壁之任一截面的熱傳導(dǎo)速率，可由式（412）的微分式求得，即 (2)污垢熱阻(又稱污垢系數(shù)) 換熱器的實(shí)際操作中，傳熱表面上常有污垢積存，對傳熱產(chǎn)生附加熱阻，使總傳熱系數(shù)降低。若冷凝液的溫度低于飽和溫度時，式中 Cph—冷凝液的比熱容，kJ／(kg若保溫層的外徑小于dc則增加保溫層的厚度反而使熱損失增大，只有在d。對流傳熱的熱阻主要集中在層流內(nèi)層，因此，減薄層流內(nèi)層的厚度足強(qiáng)化對流傳熱的主要途徑。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(fù)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(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)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面與流體間(或反之)的對流傳熱速率，也應(yīng)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。因此當(dāng)兩個變量的比值小于或等于2時，經(jīng)常用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，使計(jì)算較為簡便。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。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)。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。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℃。連續(xù)生產(chǎn)過程中的傳熱多為穩(wěn)態(tài)傳熱。)/2)來表示，則對應(yīng)的傳熱面積分別為管內(nèi)側(cè)面積Si、外側(cè)面積S。 圖44為簡單的套管式換熱器。這種換熱方式的優(yōu)點(diǎn)是傳熱效果好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。應(yīng)予指出，在同一種流體中，有可能同時發(fā)生自然對流和強(qiáng)制對流。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)中的很多過程和單元操作，都需要進(jìn)行加熱和冷卻。 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(jìn)行。 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。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。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?，而從另一端的殼體接管流出。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)。在化工生產(chǎn)中，物料在換熱器內(nèi)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(zhì))；起冷卻(或冷凝)作用的載熱體稱為冷卻劑(或冷卻介質(zhì))。溫度場就是任一瞬間物體或系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布總和。可見，熱量傳遞和動量傳遞具有類似性。對大多數(shù)金屬材料，ａˊ為負(fù)值。補(bǔ)充：４．２．３　通過平壁的熱傳導(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。 2．多層平壁的熱傳導(dǎo) 以三層平壁為例，如圖49所示。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。 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(jì)算中，常使用平均對流傳熱系數(shù)(一般也用α表示，應(yīng)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熱邊界層的厚度用δt表示。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)。為了避開壁溫，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力的傳熱速率方程，該方程即為總傳熱速率方程。 某些常見流體的污垢熱阻的經(jīng)驗(yàn)值可查附錄。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。 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。當(dāng)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。為此需用的基本關(guān)系與設(shè)計(jì)型計(jì)算的完全相同。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(diǎn)。 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(dāng)變量數(shù)目較多時，采用白金漢法較為簡便。此外，冷凝壁面的表面情況對傳熱系數(shù)的影響也很大。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(qiáng)有關(guān)。 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(diǎn)相對位移。②不能同時選用量綱相同的物理量。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。 特征尺寸：Nu、Re準(zhǔn)數(shù)中的l取管內(nèi)徑di。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。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。在液體的對流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀啵丛谝合鄡?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）。 應(yīng)強(qiáng)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。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)。 實(shí)際物體，如一般的固體能部分地吸收由零到∞的所有波長范圍的輻射能。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)測定，其值在01范圍內(nèi)變化。 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。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。在不太高的溫度下。但是，某些物體如無光澤的黑煤，接近于黑體；，接近于鏡體。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。在相同△t下，α和g都更高。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。(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。 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(jì)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。 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。s；cp—流體的定壓比熱容，kJ／(kg根據(jù)理論分析及有關(guān)實(shí)驗(yàn)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。4．流體的流動狀態(tài) 層流和湍流的傳熱機(jī)理有本質(zhì)的區(qū)別。 由對流傳熱機(jī)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。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。流體無相變的對流傳熱：包括強(qiáng)制對流（強(qiáng)制層流和強(qiáng)制湍流）、自然對流。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），那么該流體便可達(dá)到最大可能的傳熱量。4．4．4總傳熱速率方程的應(yīng)用 1．傳熱面積的計(jì)算 確定傳熱面積是換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的基本內(nèi)容。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)；