【文章內(nèi)容簡介】 (1) 蒸汽冷凝的方式 1 膜狀冷凝：冷凝液體能潤濕壁面 ， 它就在壁面上鋪展成膜膜狀冷凝時蒸汽放出的潛熱必須穿過液膜才能傳遞到壁面上去， 此時 ， 液膜層就形成壁面與蒸汽間傳熱的主要熱阻 。 若凝液籍重力沿壁下流 ， 則液膜越往下越厚 ， 給熱系數(shù)隨之越小 。 2 滴狀冷凝： 凝液不能完全潤濕壁面，在壁面上形成一個個小液滴，且不斷成長變大，在非水平壁面上受重力作用而沿壁滾下，在下滾過程中，一方面會合相遇液滴，合并成更大的液滴，一方面掃清沿途所有的液滴，使壁重新暴露在蒸汽中。沒有完整液膜的阻礙，熱阻很小，給熱系數(shù)約為膜狀冷凝的 5~10倍甚至更高。 實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝的方法：一是在壁面上涂一層油類物質(zhì) ， 二是在蒸汽中混入油類或脂類物質(zhì) 。 對紫銅管進(jìn)行表面改性處理 ， 能在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的滴狀冷凝 ， 但在工業(yè)換熱器上應(yīng)用 ，尚待時日 。 14231 .1 3 g k rh lt????? ?????13230 .0 6 8 g k rh lt????? ?????特征尺寸： l取垂直管或板的高度 。 定性溫度： r取 ts下的值 ， 其余物性取液膜平均溫度下的值 。 k、 ρ、 μ—凝液的導(dǎo)熱系數(shù) ， 密度和粘度； r—冷凝潛熱 ， kJ/公斤； ⊿ t— 蒸汽飽和溫度 ts與壁面 tw之差 ， ℃ 。 (2) 膜狀冷凝的傳熱系數(shù) 蒸汽在垂直管外或垂直板側(cè)的冷凝 當(dāng) Re＜ 2100時，膜內(nèi)為滯流 若 Re＞ 2100， 膜層為湍流 垂直管外和板側(cè)膜層雷諾數(shù)的表達(dá)式 W—凝液質(zhì)量流量 ， 公斤 /s； b—浸潤周邊長度 ， m； M—冷凝負(fù)荷 ， M=W/b； A—膜層流通截面積 ， m2； de—液膜當(dāng)量直徑 ， m。 牛頓冷卻定律改寫成 ???? MAWbAud e 44)(Re ????hlMrh b lWrhAQt ????14142 3 2 3 2 32241 .1 3 1 .1 3 1 .64 Reg x h l g k h g k hhMl M r? ? ?? ? ????? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?????132313gkh R e?????? ????1321323 1 .8 7h R egk????? ?????式中 稱為無因次冷凝給熱系數(shù) 。 以 h*表示 ， 則 同理 ， 式 ()亦可整理為 13223h gk????????* 1 31 . 8 7h R e ??* 0 . 40 . 0 0 7 7h R e?A 蒸汽在水平單管及水平管束外冷凝 水平單管 凝液受重力作用沿管壁周向向下流動并脫離管壁 ， 液膜愈往下愈厚 ， 其平均給熱系數(shù)可用下式計算 142320 .7 2 5 g k rh dt? ???? ?????水平管束 上面管子產(chǎn)生的凝液流到下面管子上，使下面管子液膜厚度增加，傳熱減慢，但另一方面，凝液下落時會產(chǎn)生一定的撞擊和飛濺，這種附加的擾動又會使傳熱加快。 mmh k h?式中 h為水平單管的冷凝給熱系數(shù) ， km為管束校正系數(shù) 。 如果管束的總管數(shù)為 N， 則管束校正系數(shù)為 16mmkN??? ????(3) 影響冷凝傳熱的其它因素 蒸汽流速和流向 蒸汽流動會在汽 — 液界面上產(chǎn)生摩擦阻力 ，若蒸汽與液膜流向相同 ， 則會加速液膜的流動 ， 使液膜減薄 ，傳熱加快 。 不凝性氣體 蒸汽中含有不凝性氣體時 ， 即使含量極微 ， 也會對冷凝傳熱產(chǎn)生十分有害的影響 。 例如水蒸汽中含有 1%的空氣能使給熱系數(shù)下降 60%。 不凝性氣體將會在液膜外側(cè)聚積而形成一層氣膜 ， 冷凝器操作中及時排除不凝性氣體至關(guān)重要 。 過熱蒸汽 溫度高于其飽和溫度的蒸汽稱為過熱蒸汽 ， 實(shí)驗(yàn)表明 ， 在大氣壓力下 ， 過熱 30℃ 的蒸汽較飽和蒸汽的給熱系數(shù)高 1%， 而過熱 540℃ 的蒸汽的給熱系數(shù)高 30%， 所以在一定情況下不考慮過熱的影響 ， 仍按飽和蒸汽進(jìn)行計算 。 2 液體的沸騰傳熱 工業(yè)上經(jīng)常需要將液體加熱使之沸騰蒸發(fā)，如：在鍋爐中把水加熱成水蒸汽；在蒸發(fā)器中將溶劑汽化以濃縮溶液，都是屬于沸騰傳熱。 大容積沸騰是指加熱面沉浸在具有自由表面的液體中所發(fā)生的沸騰現(xiàn)象，此時，液體的運(yùn)動由自然對流和汽泡的擾動所引起的。 強(qiáng)制對流沸騰是指液體在管內(nèi)流動的過程中而受熱沸騰的現(xiàn)象，此時，汽泡不能自由升浮，而是受迫隨液體一起流動，形成汽 — 液兩相流動，沿途吸熱，直至全部汽化。 (1)液體的沸騰曲線 液體主體達(dá)到飽和溫度 ts， 加熱壁面的溫度 tw， 隨壁面過熱度 ⊿ t=twts的增加 ， 沸騰傳熱表現(xiàn)出不同的傳熱規(guī)律 。 圖表示水在一個大氣壓力下沸騰傳熱熱流密度 q與壁面過熱度 ⊿ t的變化關(guān)系 ， 稱為沸騰曲線 。 自然對流沸騰區(qū)：過熱度 ⊿ t較小 ， 加熱壁面處的液體輕微過熱 ， 產(chǎn)生的汽泡在升浮過程往往尚未達(dá)到自由液面就放熱終結(jié)而消失 。 其給熱系數(shù) h和熱流密度 q比無相變自然對流略大 。 如圖中 AB段所示 。 核狀沸騰區(qū)：隨著 ⊿ t的增大 ， 在加熱面上產(chǎn)生汽泡數(shù)量增加， 汽泡脫離時 ， 促進(jìn)近壁液體的摻混和擾動 ， 故給熱系數(shù) h和熱流密度都迅速增加 ， 如圖中公元前所示 。 過渡沸騰區(qū)：當(dāng) ⊿ t增大至過 C點(diǎn)后 ， 加熱面上產(chǎn)生的汽泡數(shù)大大增加 ， 且汽泡的生成速率大于脫離速率 ， 汽泡脫離壁面前連接成汽膜 ， 由于熱阻增加 ， 給熱系數(shù) h與熱流密度 q均下降 ，如圖中 CD所示 。 膜狀沸騰： ⊿ t繼續(xù)增大 ， 汽泡迅速形成并互相結(jié)合成汽膜覆蓋在加熱壁面上 ， 產(chǎn)生穩(wěn)定的膜狀沸騰 ， 此時 ， 由于膜內(nèi)輻射傳熱的逐漸增強(qiáng) ， 給熱系數(shù) h和熱流密度又隨 Dt的增加而升高。 如圖 DE所示 。 燒毀點(diǎn)：由圖可知 ， 點(diǎn) C和 E的熱流密度相等 。 當(dāng)熱流密度增至 qc后 ， 為進(jìn)一步提高傳熱速率 ， ⊿ t必須增至 ⊿ tE以上 ， 這時的壁面溫度有可能高于換熱器的金屬材料的熔化溫度 。 所以C點(diǎn)稱為臨界點(diǎn) ， 亦稱為燒毀點(diǎn) 。 汽泡的生成依賴于兩個條件：一是液體必須過熱；二是加熱壁面上應(yīng)存在有汽化核心 。 傳熱表面的汽化核心與該表面的粗糙程度 ， 氧化情況以及材質(zhì)等諸多因素有關(guān) ， 這是一個十分復(fù)雜的問題 ， 有些情況至今尚不清楚 ， 目前比較一致的看法是：粗糙表面上微細(xì)的凹縫或裂穴最可能成為汽化核心 ， 在凹穴中吸附了微量的氣體或蒸汽 ， 這里就成為孕育新生汽泡的胚胎 。 (2) 沸騰傳熱過程的機(jī)理 大容積飽和核狀沸騰 核狀沸騰傳熱速率的影響因素甚為復(fù)雜 ， 迄今為止的認(rèn)識還很膚淺 ， 一般采用因次分析的方法 。 管內(nèi)沸騰傳熱 圖示出了垂直管內(nèi)液體沸騰過程中出現(xiàn)的流動型態(tài)和傳熱類型，液體進(jìn)入管內(nèi)至開始產(chǎn)生汽泡的這一段為單相液體的無相變加熱過程，液體開始產(chǎn)生汽泡時，液體主體尚未達(dá)到飽和溫度，處于過冷狀態(tài)，稱為過冷沸騰。繼續(xù)加熱而至飽和溫度時，即進(jìn)入泡狀沸騰區(qū)，形成泡狀流和塊狀流 (汽泡匯合成塊 )，隨著蒸汽含量的進(jìn)一步增加，大汽塊進(jìn)一步合并，在管中心形成汽芯，稱為環(huán)狀流。環(huán)狀液膜受熱蒸發(fā)，逐漸變薄，直至液膜消失，稱為蒸干。對濕蒸汽繼續(xù)加熱，最后進(jìn)入干蒸汽的單相傳熱區(qū)。 第四節(jié) 輻射傳熱 一、基本概念 不直接接觸的兩物體可以不依賴其間的任何介質(zhì)而傳遞輻射熱，通常把物體發(fā)射輻射能以及輻射能的傳播成為輻射，如果發(fā)射的輻射能是與物體的溫度有關(guān)的熱能轉(zhuǎn)換的，則稱為熱輻射。 熱射線在物理本質(zhì)上與光射線一樣服從反射和折射定律。當(dāng)物體發(fā)射的輻射能投射到另一物體的表面上時，一部分被物體吸收 (QA),一部分被反射回去 (QR), 一部分透過物體(QD), 其中被吸收的這部分可以轉(zhuǎn)化為熱能。 (一 ) 輻射產(chǎn)生的原因和特點(diǎn) (二 ) 投射在物體上輻射能的分布 DRA ???1??? DRA1??? DRAA、 R和 D分別為物體吸收率、反射率和透過率。 黑體：當(dāng) A=1, R=D=0時，表明輻射能全部被吸收。自然界中并不存在絕對黑體，黑墨表面， A=~， 定義黑體的目的是為了在計算中確定一個比較的標(biāo)準(zhǔn)。 透熱體：當(dāng) D=1, A=R=0時，表明輻射能全部透過物體。例如對稱雙原子氣體 O N H2等都是透熱體。 灰體：工業(yè)上常見固體材料被稱作“灰體”，所謂灰體是指它只能部分地吸收發(fā)射來的熱射線，其余則反射回去，即A+R=1。 固體材料的吸收率和反射率的大小取決于物體的性質(zhì)，溫度和表面狀況。 鏡體：當(dāng) R=1, A=D=0時，表明輻射能全部被反射。自然界中也不存在絕對鏡體，例如表面拋光的銅，其反射率 R=。 (三 ) 黑體 白體 透明體 不透明體 灰體 40 1 00 ??????? TCEb二 斯蒂芬 — 波爾茨曼定律 黑體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。高溫下輻射傳熱成為主要的傳熱方式。 E—物體的輻射能力，單位時間內(nèi)物體單位面積發(fā)射總輻射能，因次為 W/m2。 C0黑體輻射系數(shù)， C0=(m2K4)。 黑體輻射能力 Eb與絕對溫度 T關(guān)系為： 任何物料輻射能力與吸收率之比恒等于同溫度下黑體輻射能力 C=AC0——灰體的輻射系數(shù) 。 對于實(shí)際物體 A1, CC0。 將黑體作為輻射計算的比較標(biāo)準(zhǔn) 。 440 1 0 0 1 0 0bTTE A E A C C? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?黑度 灰體輻射能力與同溫度下黑體輻射能力之比 ， 以 ε表示： bEE??結(jié)論：黑體的輻射能力最大，物體吸收率越大，輻射能力越強(qiáng)。 bEAEAEAEAE ???? ?332211上式即為克?；舴蚨伞? 三 克?；舴蚨? 設(shè)有兩塊相距很近平行平板。若板 1為灰體，其輻射能力、吸收率和溫度分別為 E A1和 T1， 板 2為黑體，其輻射能力，吸收率和溫度分別為 E2(=Eb),A2(=1)和 T2， 且 T1T2， 板 1發(fā)射的能量為 E1， 獲得的能量為 A1Eb， 其差額即凈的輻射傳熱量 q=E1A1Eb， 當(dāng)兩個物體的溫度相等時，輻射傳熱達(dá)到平衡狀態(tài)，即q=0， 也即 E1=A1Eb或 E1/A1=Eb， 則得 440 100100 ??????????????? TCTCEEb ??比較得 A =ε， 即同一溫度下，物體的黑度在數(shù)值上等于它的吸收率。 上式為灰體輻射能力的計算公式，為求灰體的輻射能力，需知灰體的黑度。黑度值可以通過實(shí)驗(yàn)測定，其值與材料的性質(zhì)，溫度和表面狀況有關(guān)，常用材料的黑度列于表中。 材料 溫度 [℃ ] ε 紅磚 20 耐火磚 — ~ 鋼板 (氧化的 ) 200~600 鋼板 (拋光的 ) 940~1100 ~ 鋁 (氧化的 ) 200~600 ~ 鋁 (拋光的 ) 225~575 ~ 銅 (氧化的 ) 200~600 ~ 銅 (拋光的 ) — 鑄鐵 (氧化的 ) 200~600 ~ 鑄鐵 (拋光的 ) 330~910 ~ 某些工業(yè)材料的黑度 四 兩固體間的輻射傳熱 若兩物體的溫度各為 T1和 T2， 且 T1T2， 則物體 1發(fā)射 E1至物體 2時，其中部分被吸收，其余部分被反射，反射回去的能量又被物體部分吸收和部分反射，如此無窮往返直至 E1被全吸收為止，從物體 2發(fā)射的輻射能 E2， 也要經(jīng)歷反復(fù)吸收和反射的過程。 發(fā)射或反射的能量不一定能全部投射到對方物體上，因此，在計算兩固體間輻射傳熱時，必須考慮兩物體的吸收率與反射率，形狀與大小，以及兩者之間的距離和位置。 ????????????????????????42412121 100100TTACQw?C12——總輻射系數(shù)，它與兩個灰體的黑度和相對位置有關(guān) 。 Aw——輻射面積， m。 φ——角系