【正文】 式計(jì)算，然后把算得的結(jié)果乘以校正系數(shù)Ф，即得到過渡流下的對(duì)流傳熱系數(shù)。 4)流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流流體在彎管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于受慣性離心力的作用，增大了流體的湍動(dòng)程度，使對(duì)流傳熱系數(shù)較直管內(nèi)的大，此時(shí)可用下式計(jì)算式中 α—直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W／(m2℃) αˊ—彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)，W／(m2℃)； rˊ—彎管軸的彎曲半徑，m。 5)流體在非圓形管中作強(qiáng)制對(duì)流 2．流體在管外強(qiáng)制對(duì)流 1)流體橫向流過管柬 流體橫向流過管束時(shí)，由于管與管之間的影響，傳熱情況較復(fù)雜。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)。通常，管于的排列方式有正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形和轉(zhuǎn)角正方形等四種，如圖4—26所示。 流體橫向流過管束時(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。定性溫度：流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。特征尺寸：管外徑d0,流速取流體通過每排管子中最狹窄通道處的速度。管束排數(shù)應(yīng)為10，若不是10時(shí)，上述公式的計(jì)算結(jié)果應(yīng)乘以相關(guān)的系數(shù)。 2)流體在換熱器的管間流動(dòng) 對(duì)于經(jīng)常采用的管殼式換熱器，由于殼體是圓筒，管束中各列的管子數(shù)目不等，而且一般都設(shè)有折流擋板，因此流體在換熱器管間流動(dòng)時(shí)，流速和流向均不斷地變化。一般在Re1OO時(shí)即可能達(dá)到湍流，使對(duì)流傳熱系數(shù)加大。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。 應(yīng)指出，在管間安裝折流擋板，雖然可使對(duì)流傳熱系數(shù)增大，但流動(dòng)阻力將隨之增加。若擋板和殼體間、擋板和管束之間的間隙過大，部分流體會(huì)從間隙中流過，這股流體稱為旁流。旁流嚴(yán)重時(shí)反而使對(duì)流傳熱系數(shù)減小。 換熱器內(nèi)裝有圓缺形擋板(缺口面積為25％的殼體內(nèi)截面積)時(shí)，殼方流體的對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式見相關(guān)公式。4．5．4流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 蒸氣冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對(duì)流傳熱過程。這類傳熱過程的特點(diǎn)是相變流體要放出或吸收大量的潛熱，但流體溫度不發(fā)生變化。因此在壁面附近流體層中的溫度梯度較高，從而對(duì)流傳熱系數(shù)較無相變時(shí)更大。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。 1．蒸氣冷凝1)蒸氣冷凝方式 當(dāng)飽和蒸氣與溫度較低的壁面相接觸時(shí)，蒸氣放出潛熱，并在壁面上冷凝成液體。(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。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(shí)放出的潛熱，必須通過液膜后才能傳給冷壁面。由于蒸氣冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，因此這層冷凝液膜往往成為膜狀冷凝的主要熱阻。若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動(dòng)，則所形成的液膜愈往下愈厚，故壁面愈高或水平放置的管徑愈大，整個(gè)壁面的平均對(duì)流傳熱系數(shù)也就愈小。 (2)滴狀冷凝 若冷凝液不能潤(rùn)濕壁面，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成許多液滴，并沿壁面落下，此種冷凝稱為滴狀冷凝，如圖429(c)所示。 在滴狀冷凝時(shí)，壁面大部分的面積直接暴露在蒸氣中，可供蒸氣冷凝。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。 影響冷凝傳熱的因素 單組分飽和蒸氣冷凝時(shí)，氣相內(nèi)溫度均勻，都是飽和溫度ts，沒有溫度差，故熱阻集中在冷凝液膜內(nèi)。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。凡有利于減薄液膜厚度的因素都可提高冷凝傳熱系數(shù)。下面討論這些因素。(1)冷凝液膜兩側(cè)的溫度差△t 當(dāng)液膜呈層流流動(dòng)時(shí)，若△t加大，液膜則蒸氣冷凝速率增加，因而液膜層厚度增厚，使冷凝傳熱系數(shù)降低。（2）流體物性 由膜狀冷凝傳熱系數(shù)計(jì)算式可知，液膜的密度、黏度及導(dǎo)熱系數(shù)，蒸汽的冷凝熱，都影響冷凝傳熱系數(shù)。（3）蒸汽的流速和流向 蒸汽以一定的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，和液膜間產(chǎn)生一定的摩擦力，若蒸汽和液膜同時(shí)流動(dòng)，則摩擦力將使液膜加速，厚度減薄，使α增大；若逆向流動(dòng)，則α減小。但這種力若超過液膜重力，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。（4）蒸汽中不凝氣體含量的影響 若蒸汽中含有空氣或其它不凝性氣體，則壁面可能為氣體（導(dǎo)熱系數(shù)很?。铀谏w，增加了一層附加熱阻，使α急劇下降。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。含有大量不凝氣的蒸汽冷凝設(shè)備稱為冷凝冷卻器。（5）冷凝壁面的影響 若沿冷凝液流動(dòng)方向積存的液體增多，則液膜增厚，使傳熱系數(shù)下降，故在設(shè)計(jì)和安裝冷凝器時(shí)，應(yīng)正確安放冷凝壁面。例如，對(duì)于管束，冷凝液面從上面各排流到下面各排，使液膜逐漸增厚，因此下面管子的α比上排的要低。為了減薄下面管排上液膜的厚度，一般需減少垂直列上的管子數(shù)目，或把管子的排列旋轉(zhuǎn)一定的角度，使冷凝液沿下一根管子的切向流動(dòng)。此外，冷凝壁面的表面情況對(duì)α的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會(huì)使膜層加厚，增加膜層阻力，因而α降低。在液體的對(duì)流傳熱過程中，伴有由液相變?yōu)闅庀?，即在液相?nèi)部產(chǎn)生氣泡或氣膜的過程，這稱為液體沸騰（又稱沸騰傳熱）。1）液體沸騰曲線大容器內(nèi)飽和液體沸騰的情況隨溫度差△t（即twts）而變，出現(xiàn)不同的沸騰狀態(tài)。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。 由于泡核沸騰傳熱系數(shù)較膜狀沸騰的大，工業(yè)生產(chǎn)中一般總是設(shè)法控制在泡核沸騰下操作，因此確定不同液體在臨界點(diǎn)下的有關(guān)參數(shù)具有實(shí)際意義。 2)沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算 由于沸騰傳熱機(jī)理復(fù)雜，曾提出了各種沸騰理論，從而導(dǎo)出計(jì)算沸騰傳熱系數(shù)相應(yīng)的公式，但計(jì)算結(jié)果往往差別較大。3)影響沸騰傳熱的因素 (1)液體的性質(zhì) 液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、黏度和表面張力等均對(duì)沸騰傳熱有重要的影響。一般情況下，α隨λ、ρ的增加而增大，而隨μ及σ的增加而減小。 (2)溫度差△t 前已述及，溫度差(twts)是控制沸騰傳熱過程的重要參數(shù)。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。 (3)操作壓強(qiáng) 提高沸騰壓強(qiáng)相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和黏度均降低，有利于氣泡的生成和脫離，強(qiáng)化了沸騰傳熱。在相同△t下，α和g都更高。 (4)加熱壁面 加熱壁面的材料和粗糙度對(duì)沸騰傳熱有重要的影響。一般新的或清潔的加熱面，α較高。當(dāng)壁面被油脂沾污后，會(huì)使α急劇下降。壁面愈粗糙，氣泡核心愈多，有利于沸騰傳熱。此外，加熱面的布置情況，對(duì)沸騰傳熱也有明顯的影響。 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。本節(jié)僅介紹部分較典型的情況。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。4．5．5對(duì)流傳熱系數(shù)α的計(jì)算壁溫的估算在某些對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式中，需知壁溫才能計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)。此外，選擇換熱器的類型和管子的材料也需知道壁溫。但設(shè)計(jì)時(shí)一般只知道管內(nèi)、外流體的平均溫度ti和t0，這時(shí)要用試算法確定壁溫。應(yīng)予指出:試差開始時(shí)不宜任意假設(shè)tw值，而應(yīng)根據(jù)冷、熱流體的對(duì)流傳熱情況，粗略地估計(jì)α值，而所設(shè)的tw值應(yīng)接近于α值大的那個(gè)流體的溫度，且α相差愈大，壁溫愈接近于α大的那個(gè)流體的溫度。4．6輻射傳熱4．6．1 基本概念 物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為輻射，被傳遞的能量稱為輻射能。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。在熱輻射過程中，物體的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，只要物體的溫度不變，則發(fā)射的輻射能也不變。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)射來的輻射能。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。顯然，輻射傳熱的凈結(jié)果是高溫物體向低溫物體傳遞了能量。 熱輻射和光輻射的本質(zhì)完全相同，不同的僅僅是波長(zhǎng)的范圍。理論上熱輻射的電磁波波長(zhǎng)從零到無窮大， 。可見光線和紅外光線統(tǒng)稱熱射線。不過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，才能覺察到可見光線的熱效應(yīng)。 熱射線和可見光線一樣，都服從反射和折射定律，能在均一介質(zhì)中作直線傳播。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，但對(duì)大多數(shù)的固體和液體，熱射線則不能透過。因此只有能夠互相照見的物體間才能進(jìn)行輻射傳熱。如圖433所示，假設(shè)投射在某一物體上的總輻射能量為Q，則其中有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，余下的能量QD透過物體。根據(jù)能量守恒定律，可得能全部吸收輻射能，即吸收率A=1的物體，稱為黑體或絕對(duì)黑體。能全部反射輻射能，即反射率R=1的物體，稱為鏡體或絕對(duì)白體。能透過全部輻射能，即透過率D=1的物體，稱為透熱體。一般單原子氣體和對(duì)稱的雙原子氣體均可視為透熱體。 黑體和鏡體都是理想物體，實(shí)際上并不存在。但是，某些物體如無光澤的黑煤，接近于黑體；，接近于鏡體。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(jiǎn)化輻射傳熱的計(jì)算。 物體的吸收率A、反射率R、透過率D的大小決定于物體的性質(zhì)、表面狀況、溫度及輻射線的波長(zhǎng)等。一般來說，固體和液體都是不透熱體，即D=0，故A+R=1。氣體則不同，其反射率R=0，故A+D=1。某些氣體只能部分地吸收一定波長(zhǎng)范圍的輻射能。 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。凡能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波長(zhǎng)范圍的輻射能的物體，定義為灰體?；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?；殷w也是理想物體，大多數(shù)的工程材料都可視為灰體，從而可使輻射傳熱的計(jì)算大為簡(jiǎn)化。4．6．2 物體的輻射能力和有關(guān)的定律物體的輻射能力是指物體在一定的溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的總能量，用E表示，其單位為W／m2。因此，輻射能力表征物體發(fā)射輻射能的本領(lǐng)。在相同的條件下，物體發(fā)射特定波長(zhǎng)的能力，稱為單色輻射能力，用EΛ表示。（Plank）定律普朗克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長(zhǎng)的分配規(guī)律，即表示黑體的單色輻射能力EbΛ隨波長(zhǎng)和溫度變化的函數(shù)關(guān)系。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，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。但在某一波長(zhǎng)時(shí)可達(dá)到EbΛ的最大值。在不太高的溫度下。—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。它表明黑體的輻射能力僅與熱力學(xué)溫度的四次方成正比。 應(yīng)予指出，四次方定律也可推廣到灰體，此時(shí)，式4102可表示為 不同的物體輻射系數(shù)C值不相同，其值與物體的性質(zhì)、表面狀況和溫度等有關(guān)。C值恒小于C0。 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。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。常用工業(yè)材料的黑度列于表411中。3．克?；舴?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。 設(shè)有兩塊相距很近的平行平板，一塊板上的輻射能可以全部投射到另一板上。式4105為克希霍夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。該式表明任何物體的輻射能力和吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，即僅和物體的絕對(duì)溫度有關(guān)。 比較式4104a和式4106可以看出，在同一溫度下，物體的吸收率和黑度在數(shù)值上是相同的。但是A和ε兩者的物理意義則完全不同。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?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)。由于物體吸收率的測(cè)定比較困難，因此工程計(jì)算中大都用物體的黑度來代替吸收率。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。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。在計(jì)算灰體間輻射傳熱時(shí)，必須考慮它們的吸收率(或反射率)、物體的形狀和大小及其相互間的位置與距離的影響。 現(xiàn)以兩個(gè)面積很大(相對(duì)于兩者距離而言)且相互平行的灰體平板間相互輻射為例，推導(dǎo)灰體間輻射傳熱的計(jì)算式。 參見圖436，若兩板間介質(zhì)為透熱體，且因兩板很大，故從一板發(fā)射出的輻射能可以認(rèn)為全部投射在另一板上。由于兩平板均是灰體，其D=0，故A+R=1。 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。這部分輻射能R2E1又被板1吸收和反射……，如此無窮往返進(jìn)行，直到E1完全被吸收為止。從板2發(fā)射出的輻射能E2，也經(jīng)歷反復(fù)吸收和反射的過程，如圖436(a)和(b)所示。由于輻射能以光速傳播，因此上述反復(fù)進(jìn)行的反射和吸收過程是在瞬間內(nèi)完成的。兩平行平板間單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積上凈的輻射傳熱量即為兩板間輻射的總能量之差，即