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1、4.3.5 圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),化工生產(chǎn)中常見的為圓筒壁(圓管)的熱傳導(dǎo)，其特點(diǎn)是溫度隨半徑變化，傳熱面積也隨半徑變化，均非常量。 4.3.5.1 單層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo),前提條件： 圓筒內(nèi)、外半徑分別為r1和r2，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，內(nèi)外壁溫度t1t2，在圓筒壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：S=2rL 圓筒很長(zhǎng)，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。 圓筒壁材質(zhì)均勻，導(dǎo)熱系數(shù)l為常數(shù) 求傳熱速率方程,說明,當(dāng)圓筒壁兩側(cè)溫度不變時(shí)，傳熱速率Q為常量，但由于S與r有關(guān)，故熱通量Q/S不再是常量，而Q/L保持常量； 在任一半徑r處，溫度表示為: 表明溫度沿r

2、方向?yàn)閷?duì)數(shù)曲線分布； 導(dǎo)熱速率 推動(dòng)力t，導(dǎo)熱熱阻R。 誤差不超過4，工程上允許。,說明,多層圓筒壁熱傳導(dǎo)的總推動(dòng)力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和。 總的導(dǎo)熱速率與總推動(dòng)力成正比，而和總阻力成反比。對(duì)各層，同樣有溫差與熱阻成正比。 不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導(dǎo)熱速率Q和Q/L為常量，但q不為常量； 其中每一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同； ,保溫材料的放置問題 對(duì)于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？ 對(duì)于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？,4.4 對(duì)流傳熱,4.4.1 對(duì)流傳熱機(jī)理 對(duì)流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸

3、時(shí)的傳熱，是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱兩者共同作用的結(jié)果。其傳熱速率與流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。 考察湍流流體： 流體流過固體壁面時(shí)，由于流體的粘性作用，使靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內(nèi)，沿壁面的法線方向沒有熱對(duì)流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導(dǎo)。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，使滯流底層中的導(dǎo)熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即溫度梯度較大。 在湍流主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)的劇烈混合并充滿漩渦，因此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，各處的溫度基本相同。 在湍流主體與滯流底層的過渡層中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，在該層內(nèi)溫度發(fā)生了緩慢的變化。,T,t,Tw,tw,Ts,ts,圖示即為溫度在湍流流體中的分布情況。,1

4、、層流底層 對(duì)流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的厚度是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。 2、有效膜 物理模型 層流 過渡 紊流 主體溫度可以測(cè)量 壁面溫度可以測(cè)量 但是界面出溫度沒法測(cè)量,Tb,tb,4.4.2.3 對(duì)流傳熱系數(shù),據(jù)前分析，對(duì)流傳熱是一復(fù)雜的過程，包括流體中的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及壁面的熱傳導(dǎo)過程，因而影響對(duì)流傳熱速率的因素很多。由于過程復(fù)雜，進(jìn)行純理論計(jì)算是相當(dāng)困難的，故目前工程上采用半經(jīng)驗(yàn)方法處理，將許多復(fù)雜影響因素歸納到比例系數(shù)內(nèi)。,4.4.2.3.1 對(duì)流傳熱速率方程 將湍流主體區(qū)和滯流底層的溫度梯度曲線延長(zhǎng)，其交點(diǎn)與壁面距離為，此膜層稱為虛擬膜或

5、有效膜。,,虛擬膜,,,,,說明這是一集中了全部傳熱溫差以導(dǎo)熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為,牛頓冷卻定律,說明,1. 取平均值 在換熱器中，局部對(duì)流傳熱系數(shù)隨管長(zhǎng)而變化，但在工程計(jì)算中，常使用平均對(duì)流傳熱系數(shù)，一般也用h表示，此時(shí)牛頓冷卻定律可表示為： Q= St 式中： Q 對(duì)流傳熱速率，W； S 總傳熱面積；m2； t 流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，； 平均對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2 ) 。 2.牛頓冷卻定律的具體表達(dá)方式與實(shí)際換熱情況有關(guān) 換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動(dòng)位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如： 熱流體、管程：dQ= i(Tb-Ts

6、)dSi 熱流體、殼程：dQ= o(Tb-Ts)dSo 冷流體、管程：dQ= i(ts-tb)dSi 冷流體、殼程：dQ= o(ts-tb)dSo,可見，對(duì)流傳熱系數(shù)是和傳熱面積及溫度差相對(duì)應(yīng)的,4.4.2.3.2 對(duì)流傳熱系數(shù),定義式一：據(jù)牛頓冷卻定律得,即：在單位溫度差下，對(duì)流傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于由對(duì)流傳熱的熱通量。 但該式并未揭示出影響對(duì)流傳熱系數(shù)或?qū)α鱾鳠崴俾实囊蛩兀詿o法通過此式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù) 。 定義式二： = l/層流底層厚度 l：與流體種類有關(guān)，并與溫度有關(guān) 層流底層厚度：與流體狀態(tài)有關(guān) 分析第二類保溫?zé)醾鲗?dǎo)問題，臨界直徑的問題。 對(duì)流傳熱的計(jì)算，實(shí)際是如何求對(duì)流傳熱系數(shù),

7、物理意義：當(dāng)溫度差為1時(shí),4.4.4 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式 對(duì)流傳熱過程的量綱分析,一、對(duì)流傳熱的分類 強(qiáng)制對(duì)流 無相變 自然對(duì)流 對(duì)流傳熱 冷凝 有相變 沸騰,4.4.4 對(duì)流傳熱過程的量綱分析,4.4.4.1 對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素 對(duì)流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設(shè)備中流動(dòng)時(shí)與固體壁面之間的傳熱過程，因此影響的主要因素是： 1.流體的種類和相變化情況 氣體 無相變 2.流體的物性 對(duì)影響較大的流體物性有導(dǎo)

8、熱系數(shù)、粘度、比熱Cp、密度及對(duì)自然對(duì)流影響較大的體積膨脹系數(shù)。具體地： l 、、Cp 、 、 ,3.流體的溫度,流體溫度對(duì)對(duì)流傳熱的影響表現(xiàn)在流體溫度與壁面溫度之差t，流體物性隨溫度變化程度及附加自然對(duì)流等方面的綜合影響。故計(jì)算中要修正溫度對(duì)物性的影響。在傳熱計(jì)算過程中，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)用以確定物性所規(guī)定的溫度稱為定性溫度。 4.流體的流動(dòng)狀態(tài) 流體 呈湍流時(shí)，隨著Re的增加，滯流底層的厚度減薄，阻力降低， 增大。流體呈滯流時(shí)，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故較湍流時(shí)小。即： 滯流< 湍流 5.流體流動(dòng)的原因 自然對(duì)流：由于流體內(nèi)部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流

9、體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位移。 強(qiáng)制對(duì)流：由于外來的作用，迫使流體流動(dòng)。 自然對(duì)流< 強(qiáng)制對(duì)流,4.4.4.2 對(duì)流傳熱過程的l量綱分析,6.傳熱面的形狀、位置和大小 傳熱壁面的幾何因素對(duì)流體沿壁面的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對(duì)流傳熱。如流體流過平板與管內(nèi)的流動(dòng)就不同，在自然對(duì)流時(shí)垂直熱表面?zhèn)鹊牧黧w就比水平熱表面下面的流體自然對(duì)流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對(duì)傳熱的影響，一般采用對(duì)對(duì)流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計(jì)算依據(jù)，稱為定性尺寸。,由于影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素眾多而復(fù)雜，因此不可能用一個(gè)通式來描述，為此首先進(jìn)行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數(shù)群(準(zhǔn)數(shù)

10、)，然后用實(shí)驗(yàn)的方法確定這些準(zhǔn)數(shù)間關(guān)系，從而建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式 。 本節(jié)采用白金漢法處理對(duì)流傳熱問題，適用于變量較多的情況。,4.4.4.2.1 流體無相變時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱過程,步驟： 1.列出影響該過程的物理量 據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，知影響a的因素有：定性尺寸l，流體的密度，粘度，比熱Cp，導(dǎo)熱系數(shù)l ，流速u，可將其表示為： f(l, ，，Cp， l ，u) 2.確定準(zhǔn)數(shù)數(shù)目 定理：任何一個(gè)量綱一致的物理方程都可表示成一個(gè)隱函數(shù)的形式，即： f(1, 2, 3， ，i)=0 其中：i=j-m i無量綱準(zhǔn)數(shù)的數(shù)目 j變量數(shù) m基本量綱數(shù)(長(zhǎng)度L、質(zhì)量M、時(shí)間、溫度T) i=7-4=

11、3 有三個(gè)準(zhǔn)數(shù),3.確定各準(zhǔn)數(shù)的形式 (1)列出各物理量的量綱 (2)選擇m(即4)個(gè)共同物理量,(3)量綱分析 將共同物理量與余下的物理量分別組成無量綱數(shù)群，即,4.4.4.2.2 自然對(duì)流傳熱過程,通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,自然對(duì)流中，引起流動(dòng)的原因是單位體積流體的升力，大小為gt，其它因素與強(qiáng)制對(duì)流相同，故一般函數(shù)表達(dá)式為：af(l, ，，Cp， l ， gt) 方法同前，可得：,,4.確定具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定出具體的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,,各準(zhǔn)數(shù)的名稱、符合、意義如下：,4.4.4.2.3 應(yīng)用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式應(yīng)注意的問題,對(duì)應(yīng)各種不同情況下的對(duì)流傳熱的具體函數(shù)關(guān)系是由

12、實(shí)驗(yàn)確定的，在整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果及使用方程式中應(yīng)注意以下問題： 1.應(yīng)用范圍 關(guān)聯(lián)式中Re、Pr、Gr等準(zhǔn)數(shù)的數(shù)值范圍等。 2.定性溫度 各準(zhǔn)數(shù)中決定物性參數(shù)的溫度，有3種表示方法： 取t=(t1+t2)/2或T=(T1+T2)/2為定性溫度 取壁面平均溫度t=(tw+Tw)/2為定性溫度 取流體和壁面的平均溫度t=(tw+t)/2或t=(Tw+T)/2為定性溫度 壁溫多為未知數(shù)，需用試差法，故工程上多用第一種方法 3.特征尺寸 無量綱準(zhǔn)數(shù)Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸l。通常選取對(duì)流體流動(dòng)和傳熱發(fā)生主要影響的尺寸作為特征尺寸。,4.4.5 流體無相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù),4.4.5.1

13、流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流 1.流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流 (1)低粘度流體(<210-3Pas的氣體及大部分液體),(2)高粘度流體,2.流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制滯流,3流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流,當(dāng)流體在管內(nèi)呈過渡狀態(tài)流動(dòng)時(shí)，即2300

14、 r彎管軸的彎曲半徑，m 5. 流體在非圓形管中強(qiáng)制對(duì)流 流體在非圓形管中呈強(qiáng)制湍流、過渡流以及層流時(shí)，仍可應(yīng)用上述相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，只將其中管子內(nèi)徑di用當(dāng)量直徑de代替即可。 ,準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算示例,例4-13 列管換熱器由254根252.5mm，長(zhǎng)6m的鋼管組成，用飽和水蒸汽加熱管內(nèi)流動(dòng)的苯，苯的流量為50kg/s，進(jìn)出口溫度分別為20和80，試求管內(nèi)苯的對(duì)流傳熱系數(shù)。 解：定性溫度t=(20+80)/2=50，查得苯的物性數(shù)據(jù)： =860kg/m3，cP=1.80kJ/kg，=0.4510-3Pas， l =0.14W/m,,二、流體在管外強(qiáng)制對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,1流體在

15、管束外強(qiáng)制垂直流動(dòng) 管束的排列方式有直列和錯(cuò)列兩種，錯(cuò)列中又有正方形和等邊三角形兩種。,直列,正方形錯(cuò)列,等邊三角形錯(cuò)列,2流體在列管式換熱器管間流動(dòng),當(dāng)流體流過換熱器管間時(shí)，由于殼體是圓筒，管束中各列的管數(shù)不等，且一般都安裝有折流擋板，故流體在換熱器殼程流動(dòng)時(shí)，流向和流速的不斷變化，使得Re100時(shí)即可能形成湍流，對(duì)流傳熱系數(shù)加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。 (1)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)時(shí) ，殼程流體的a關(guān)聯(lián)式 多諾呼法,凱恩法 (2)無折流擋板 按管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流公式計(jì)算，將di用管間當(dāng)量直徑de代替即可。,三、自然對(duì)流時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,

16、自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)僅與反映流體自然對(duì)流狀況的Gr準(zhǔn)數(shù)及Pr準(zhǔn)數(shù)，其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可表示為： Nu(rPr)n (147頁(yè) ) 定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術(shù)平均值。 式中的系數(shù)C和指數(shù)n值,準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算示例,例4-4 一水平蒸汽管，長(zhǎng)20m，外徑為159mm，管外壁溫度為120，周圍空氣溫度為20，計(jì)算該管段由于自然對(duì)流散失的熱量。 定性溫度：t(120+20)/270 70下空氣物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pas l 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694,4.4.8 流體有相變時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù),蒸汽冷凝和液體沸騰都

17、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，但流體溫度基本不變。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)比無相變時(shí)的更大。 4.4.8.1 蒸汽冷凝傳熱 其優(yōu)點(diǎn)是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時(shí)易于控制；(2)蒸汽冷凝的對(duì)流傳熱系數(shù)較無相變時(shí)大得多。這是因?yàn)檎羝诒诿嫔侠淠耐瑫r(shí)，蒸汽將迅速流到壁面補(bǔ)充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時(shí)汽相中幾乎無溫差存在。,1.蒸汽冷凝方式,蒸氣冷凝時(shí)，根據(jù)其冷凝液是否能夠潤(rùn)濕壁面分成兩種方式： (1)膜狀冷凝：若冷凝液能夠完全潤(rùn)濕壁面，則將在壁面上形成一層連續(xù)的液膜，并向下流動(dòng)。壁面完

18、全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進(jìn)行直接接觸，冷凝潛熱只能以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式通過液膜傳給壁面。 因蒸汽冷凝時(shí)有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。 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，所以壁面越高，則整個(gè)壁面的平均對(duì)流傳熱系數(shù)也越小。 冷凝液潤(rùn)濕壁面的能力取決于其表面張力和對(duì)壁面附著力的關(guān)系，當(dāng)附著力大于表面張力時(shí)則會(huì)形成膜狀冷凝。,(2)滴狀冷凝,若冷凝液不能夠潤(rùn)濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長(zhǎng)大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱為滴狀冷凝。此時(shí)壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒有液膜阻礙

19、熱流，所以其熱阻很小，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝高出510倍。 滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好，但在工業(yè)上很難實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)中大多為膜狀冷凝。,,2.膜狀冷凝對(duì)流傳熱系數(shù),冷凝液膜的流動(dòng)也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負(fù)荷M的函數(shù)，即：Re=f(M)。 冷凝負(fù)荷M：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位長(zhǎng)度潤(rùn)濕周邊上流過的冷凝液量，kg/(ms) 設(shè)液膜流通截面積為A m2，潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)為b m,冷凝液質(zhì)量流量為W kg/s，則： (1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝,(2)蒸汽在垂直管外(或板上)冷凝,計(jì)算步驟(試差法) 假設(shè)一種流型 選擇公式計(jì)算h 計(jì)算熱負(fù)荷q=hoSo(ts-

20、tw),計(jì)算質(zhì)量流量W=q/r 計(jì)算冷凝負(fù)荷M=W/b 計(jì)算Re并校核,3.影響冷凝傳熱的因素,液膜兩側(cè)的溫度差：t，，a 流體的物性：傳熱冷凝液的密度越大，粘度越小，則液膜的厚度越小，因而冷凝對(duì)流傳熱系數(shù)a越大。導(dǎo)熱系數(shù)大也有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負(fù)荷下冷凝液減少，液膜變薄，a增大 蒸汽的流速和流向：當(dāng)蒸汽流速較大時(shí)，蒸汽與液膜間的摩擦作用不能忽略。若蒸汽和液膜的流向相同，這種作用將使液膜減薄并促使其產(chǎn)生一定波動(dòng)，因而使a增大。若逆向流動(dòng)，這種作用會(huì)阻礙液膜流動(dòng)，使其增厚導(dǎo)致傳熱惡化。但當(dāng)這種作用超過重力作用時(shí)液膜會(huì)被蒸汽帶動(dòng)而脫離壁面，反而使a急劇增大。,不凝性氣體的影響：蒸汽

21、冷凝時(shí)不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很小，使熱阻增大，a大為降低。當(dāng)蒸汽中不凝性氣體含量為1%時(shí)，可使冷凝時(shí)a降低60%左右。因此在冷凝器的設(shè)計(jì)和操作中，都必須考慮不凝氣的排除。 冷凝壁面的影響： 冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設(shè)法減薄其厚度是強(qiáng)化傳熱的關(guān)鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對(duì)水平放置的列管式冷凝器，應(yīng)減少垂直方向上管排的數(shù)目。在垂直壁面上，開若干縱向凹槽，使冷凝液沿凹槽流下，以減薄壁面上液膜的厚度等方法均可使冷疑時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)提高。,4.4.8.2 液體沸騰傳熱,液體與高溫壁面接觸時(shí)被加熱，并產(chǎn)生大量氣泡變?yōu)檎羝倪^程稱為液體沸騰。這種傳熱

22、方式由于在加熱面上不斷經(jīng)歷著汽泡的形成、長(zhǎng)大和脫離的過程，造成對(duì)壁面處流體的強(qiáng)烈擾動(dòng)，因而對(duì)流傳熱系數(shù)要比無相變時(shí)大?；ぶ谐Ｓ玫恼舭l(fā)器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過液體沸騰而產(chǎn)生蒸汽。 液體在加熱表面上沸騰時(shí)，按其沸騰所處的空間可分為大容器沸騰和管內(nèi)沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無宏觀流動(dòng)的液體表面下所產(chǎn)生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運(yùn)動(dòng)只是由自然對(duì)流和氣泡擾動(dòng)引起。當(dāng)液體以一定流速在加熱管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沸騰稱為管內(nèi)沸騰，此時(shí)產(chǎn)生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動(dòng)，也稱為強(qiáng)制對(duì)流沸騰。,1大容器飽和沸騰曲線,,,,,,D,E,F,膜狀沸騰,,(1)AB段 當(dāng)t<5時(shí)

23、，a隨t緩慢增大，此時(shí)緊貼加熱面液體的過熱度很低，不足以產(chǎn)生汽泡，傳熱依靠自然對(duì)流進(jìn)行，液體中無汽泡產(chǎn)生，只在液體表面上發(fā)生蒸發(fā)，此段a、q都較低，該段稱為自然對(duì)流階段。,(3)CD段 隨汽泡增多，加熱面被蒸汽膜覆蓋區(qū)域增加，直接與液體相接觸的加熱面不斷減少，a開始不斷下降，直到整個(gè)加熱面被蒸汽膜覆蓋為止。因蒸汽的導(dǎo)熱性差，所以氣膜的附加熱阻使a、q急劇下降。氣膜開始形成是不穩(wěn)定的，可能形成大氣泡脫離表面。CD段稱為不穩(wěn)定膜狀沸騰階段。,(4)DEF段 t的進(jìn)一步增大，加熱面上形成一層穩(wěn)定的汽膜，將液體和加熱面完全隔開。繼續(xù)加大t會(huì)使壁溫愈來愈高，輻射傳熱的作用不斷增強(qiáng)，故a隨t增大而增大。該

24、階段的沸騰稱為穩(wěn)定的膜狀沸騰階段。,顯然各個(gè)階段具有不同的傳熱機(jī)理，在BC段由于a大且壁溫低，故工業(yè)設(shè)備常維持在泡狀沸騰下操作。若溫度過高超過臨界點(diǎn)溫度，除a下降外還可能導(dǎo)致設(shè)備的燒毀。,2沸騰傳熱系數(shù)的計(jì)算,(1)莫斯聽斯基(Mostinski)經(jīng)驗(yàn)式：,(2)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,4.5 輻射傳熱(轉(zhuǎn)）,熱輻射是熱量傳遞的三種基本方式之一，特別是高溫時(shí)，熱輻射往往成為主要的傳熱方式。一些加熱爐和鍋爐中的燃燒加熱，高溫管道和設(shè)備與周圍環(huán)境的熱量交換等均與輻射傳熱有關(guān)。本節(jié)介紹熱輻射的基本概念和基本定律，以及輻射傳熱的簡(jiǎn)單計(jì)算。 5.5.1 基本概念和定律 5.5.1.1 熱輻射 物體由于本身溫度或受熱

25、而引起內(nèi)部原子的復(fù)雜激動(dòng)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，就會(huì)對(duì)外發(fā)射出輻射能并向四周傳播。這種能量是以電磁波的形式進(jìn)行傳遞，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示為熱效應(yīng)，稱為熱輻射。當(dāng)熱輻射能量投射在另一物體表面上時(shí)，可部分或全部地被吸收，重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?電磁波的波長(zhǎng)范圍從零到無窮大，但能被物體吸收而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿妮椛渚€主要為可見光(0.40.8m)和紅外線(0.820m)兩部分，即波長(zhǎng)在0.420m之間，統(tǒng)稱為熱射線。但只有在很高的溫度下，才能覺察到可見光線(波長(zhǎng)為0.40.8m)的熱效應(yīng)。理論上講，任何物體只要溫度在絕對(duì)零度以上，都能進(jìn)行熱輻射，但只在高溫時(shí)才起決定作用。 ,4.5.1.2 熱輻射對(duì)物體的作用

26、,熱射線和可見光一樣，同樣具有反射、折射和吸收的特性，服從光的反射和折射定律，在均一介質(zhì)中直線傳播，在真空和有些氣體中可以完全透過，而在固體和液體中則不能透過。根據(jù)這些特性，設(shè)投在某物體上的總輻射能為Q，則有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，其余部分能量QD穿透過物體，如圖。根據(jù)能量守恒定律有： QAQRQDQ,,4.5.1.3 黑體、鏡體、透熱體和灰體,黑體(絕對(duì)黑體)：能全部吸收輻射能的物體，即A1的物體。自然界中無絕對(duì)黑體存在，但有些物體如無光澤的黑漆表面，A0.960.98，比較接近于黑體。引入黑體只是作為實(shí)際物體的一種比較標(biāo)準(zhǔn)，黑體A最大，也具有最大的輻射能力。 鏡體(絕對(duì)

27、白體)：能全部反射輻射能的物體，即R1的物體。實(shí)際上鏡體也是不存在的，但有些物體如表面磨光的銅，R0.97，接近于白體。 透熱體：能全部透過輻射能的物體，即D1的物體。單原子和對(duì)稱雙原子構(gòu)成的氣體(H2、N2、O2和He等)一般可視為透熱體；多原子和不對(duì)稱雙原子氣體則能有選擇地吸收和反射某一波長(zhǎng)范圍的輻射能。,灰體：以相同吸收率A部分吸收0全部波長(zhǎng)輻射能的物體。大多數(shù)工程材料均可按灰體處理。因而灰體的特點(diǎn)是： 灰體為不透熱體，即D=0或AR1 吸收率A不隨波長(zhǎng)k變化 物體的A、R和D是和物體的性質(zhì)、表面狀況，所處溫度和投射輻射線的波長(zhǎng)等有關(guān)，一般地： 多數(shù)固體和液體：不透熱體，即D0或AR1

28、。 氣體：不反射能量，即R0或AD1。 5.5.1.4 輻射傳熱 物體在向外發(fā)射輻射能的同時(shí)，也會(huì)不斷地吸收周圍其它物體發(fā)射的輻射能，并將其重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這種物體間相互輻射和吸收輻射能的傳熱過程稱為輻射傳熱。若輻射傳熱是在兩個(gè)溫度不同的物體之間進(jìn)行，則傳熱的結(jié)果是高溫物體將熱量傳給了低溫物體，若兩個(gè)物體溫度相同，則物體間的輻射傳熱量等于零，但物體間輻射和吸收過程仍在進(jìn)行。,4.5.1.5 輻射傳熱基本定律,5.5.1.5.1 輻射能力 物體只要具有一定溫度(T0K)就會(huì)不斷向空間輻射出各種波長(zhǎng)的輻射能。 物體在一定溫度下，單位表面積、單位時(shí)間內(nèi)所能發(fā)射出的全部波長(zhǎng)范圍的總能量，稱為該溫度下物

29、體的輻射能力，用E表示，單位W/m2。 確定物體的輻射能力先需確定物體輻射某一波長(zhǎng)的能力，物體發(fā)射特定波長(zhǎng)的能力稱為單色輻射能力，用Ek表示，單位W/m2m。E的大小不僅與波長(zhǎng)及溫度有關(guān)，而且與物體的性質(zhì)有關(guān)，于是在一定溫度下物體的輻射能力可表示為： 對(duì)于黑體，其輻射能力Eb則可表示為： ,4.5.1.5.2 普朗克(MPlanck)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，即表示黑體單色輻射能力Eb和波長(zhǎng)、熱力學(xué)溫度T之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算式為： 式中： k 波長(zhǎng)，m； T 黑體的絕對(duì)溫度，K； C1普朗克第一常數(shù)，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常

30、數(shù)，1.438710-2 mK。,不同溫度下，Eb作圖，如圖示，每個(gè)溫度有一條能量分布曲線。在指定溫度下，黑體輻射各種波長(zhǎng)的能量是不同的。但在某一波長(zhǎng)可達(dá)到 Eb的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長(zhǎng)為0.810m的范圍內(nèi)。,4.5.1.5.3 斯蒂芬-波爾茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律,斯蒂芬-波爾茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關(guān)系： 式中： 0黑體的輻射常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑體的輻射系數(shù)，5.67 W/(m2K4)。 上式稱為斯蒂芬-波爾茨曼定律，它說明黑體的輻射能力與其表面溫度的四次方成正比，故又稱為四次方定律。,實(shí)

31、驗(yàn)證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應(yīng)用到灰體，此時(shí)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式中：C灰體的輻射系數(shù)，W/(m2K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質(zhì)，表面狀況和溫度，且總是小于C0，因此在同一溫度下，灰體的輻射能力總是小于黑體，其比值稱為物體的黑度，以表示： 因而只要知道物體的黑度，就可通過上式求得該物體的輻射能力。 物體的黑度取決于物體的性質(zhì)、溫度以及表面狀況(表面粗糙度及氧化程度)，是物體本身的特性，與外界情況無關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。常用工業(yè)材料的黑度列于書中表5-6。,4.5.1.5.4 克?；舴?Kirchhoff)定律,克希霍夫定律揭示了物體的輻射能力E與吸收率A之間的關(guān)系。 設(shè)

32、有相距很近的平行平板1和2，從一板發(fā)射的輻射能可全部投射到另一平板上。 板1：實(shí)際物體(灰體)，E1、A1、T1 板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2 T1T2,板間介質(zhì)為透熱體，系統(tǒng)與外界絕熱,,,1,2,因板2為黑體，板1發(fā)射出的E1被板2全部吸收。,板2發(fā)射出的Eb被板1吸收A1Eb，其余(1-A1)Eb被反射至板2，并被其全部吸收。,對(duì)板1，輻射傳熱的結(jié)果為： q/s=q發(fā)射/s-q接收/s=E1+(1-A1)Eb-Eb=E1-A1Eb 輻射傳熱達(dá)到平衡時(shí)，即T1=T2 A時(shí)，q/s=0,實(shí)際上板1可用任何板代替，則上式可寫成： 上式稱為克?；舴蚨桑砻魅魏挝矬w的輻射能力與其吸收率

33、的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體的絕對(duì)溫度有關(guān)。 根據(jù)克?；舴蚨桑?物體的吸收率A愈大，其輻射能力E也愈大； 由AE/Eb與式E/Eb比較，A，即灰體的吸收率在數(shù)值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測(cè)定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。但A、物理意義不同 ： A：吸收率，表示由其它物體發(fā)射來的輻射能可被該物體吸收的分?jǐn)?shù)； ：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分?jǐn)?shù) 因物體的A測(cè)定比較困難，工程計(jì)算中常用代替。,4.5.2 兩固體間的輻射傳熱,工業(yè)上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體處理，故較復(fù)雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對(duì)位置以及物

34、體本身性質(zhì)有關(guān)。 5.5.2.1 不考慮幾何因素 面積很大，距離很近，兩大平行灰體平板間的相互輻射。 平板1：T1、E1、A1 平板2：T2、E2、A2,,,1,2,板1輻射總能量： (q/s)1=(E1+R2R1E1+R22R12E1+ )- (R2E1+R22R1E1+R23R12E1+ ) = (E1-E1R2) (1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) = E1A2(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ),,板2輻射總能量： (q/s)2=(E2+R2R1E2+R22R12E2+ )- (R1E2+R2R12E2+R22R13E2+ ) = (E2-E2R1

35、)(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) =E2A1(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) 板1向板2傳遞的凈輻射熱通量：,,,1,2,4.5.2.2 考慮幾何因素,當(dāng)兩壁面間距離與表面積之比不夠小時(shí)，一壁面發(fā)射的輻射能可能不能完全到達(dá)另一壁面時(shí)，引入一角系數(shù)進(jìn)行修正，即： 上兩式適用于任何形狀的表面之間的相互輻射，但對(duì)一物體被另一物體所包圍下的輻射 ，要求被包圍物體的表面應(yīng)為平表面或凸表面。 角系數(shù)：表示從輻射面積S所發(fā)射出的能量為另一物體表面所截獲的分?jǐn)?shù)。其數(shù)值與物體的形狀，大小，相互位置、距離及面積有關(guān)。具體值查P381表5-7。,輻射傳熱計(jì)算示例,例4-5

36、某車間的采暖板尺寸為1.80.75m2，板面為鋁板(已氧化)，溫度為107，若不計(jì)采暖板背面及側(cè)面的輻射作用，求采暖板面與車間墻面間的輻射傳熱量，已知墻面溫度12。 解：該種情況為很大的物體2(車間墻面)包住物體1(采暖板)的情形，故： S=S1=1.80.75 m2, =1,C1-2=1C0 對(duì)已氧化的鋁板，查P378表5-6，取1=0.15,4.5.4 對(duì)流和輻射的聯(lián)合傳熱,許多化工設(shè)備或管道的外壁溫度常常高于周圍環(huán)境的溫度，因此熱量將由壁面以對(duì)流和輻射兩種形式散失。為減少熱量散失需進(jìn)行隔熱保溫，因此在保溫時(shí)必須要計(jì)算散失的熱量，其散熱量應(yīng)為對(duì)流傳熱和輻射傳熱兩部分之和。 由對(duì)流引起的散熱

37、量qC=hcSw(tw-tb),,hT=hC+hR，稱為對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱系數(shù)，W/(m2)。對(duì)于有保溫層的設(shè)備、管道等對(duì)周圍環(huán)境散熱的聯(lián)合傳熱系數(shù)hT可用下列公式計(jì)算。 1、空氣自然對(duì)流時(shí) 在平壁保溫層外：hT=9.8+0.07(tw-tb) 在管道或圓筒壁保溫層外：hT=9.4+0.052(tw-tb) 上兩式適用于tw5m/s：hT=7.8+u0.78,對(duì)流-輻射聯(lián)合傳熱計(jì)算示例,例4-6 外徑為194mm的蒸汽管道，擬包一層導(dǎo)熱系數(shù)為0.09W/mK的保溫材料。管內(nèi)飽和蒸汽溫度為133，保溫層外表的溫度要求低于40，周圍環(huán)境溫度為20，計(jì)算需保溫層厚度。設(shè)管內(nèi)蒸汽冷凝傳熱與管壁熱阻均可略去不計(jì)。 解：此題周圍環(huán)境屬于自然對(duì)流情形，故： hT=9.4+0.052(tw-tb)=9.4+0.052(40-20)=10.44W/(m2) 當(dāng)管壁熱阻不計(jì)時(shí)，保溫層導(dǎo)熱量等于對(duì)流輻射聯(lián)合散熱量，即：,本章要求,掌握： 傅立葉定律 單層與多層平壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的計(jì)算 單層與多層圓筒壁的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的計(jì)算 牛頓冷卻定律 低粘度流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 輻射傳熱的基本概念和定律 兩固體間的輻射傳熱 了解： 溫度場(chǎng)的 概念 導(dǎo)熱系數(shù)的基本概念 對(duì)流傳熱系數(shù)及其影響因素 對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式,,THE END Thanks,