9 第二章 传热 材料 9新

接暴露在蒸汽中，因此热阻要小得多。实验结果表明， 滴状冷凝的α比膜状冷凝的α大5～10倍。但是，到
目前为止，在工业冷凝器中即使采用了促进滴状冷凝 的措施，也不能持久。所以工业冷凝器的设计都按膜 状冷凝考虑。如何在工业冷凝器中采取措施能持久促 进滴状冷凝有待于我们去努力研究。
8
影响冷凝给热的因素及强化措施
基于管外表面积的 局部总传热系数
21
传热系数和热阻 例2-5,2-6见78页
22
污垢热阻
换热器使用一段时间后，传热表面有污垢产生，
根据经验直接估计污垢热阻值，计入总热阻中，书中
P79表2-3列出了常见污垢热阻的大致范围。
1 1 d1 1 Ri Ro K i d 2 o
返回
4
在沸腾给热中，气泡的产生和运动情况影响极大。气 泡的生成和运动与加热表面状况及液体的性质两方面因 素有关。因此，沸腾给热的强化也可以从加热表面和沸 腾液体两方面入手。 1、将金属表面粗糙化，这样可提供更多汽化核心，使气 泡运动加剧，给热过程得以强化； 2、在沸腾液体中加入少量添加剂，改变沸腾液体的表面 张力，添加剂还可提高沸腾液体的临界热负荷。 3、气、液、固三相流：在气液相中加入固体粒子。 返回 5
* 减少辐射散热，加遮热板
19
2.6 传热过程计算
2.6.1 传热过程数学描述
T Tw Tw t w t w t q 1 1
1

2
总推动力 总阻力 q K (T t )
K 1
1

1 2
1
20
传热系数和热阻 内表面 外表面
Ki 1
2-50 并流时
25

例2-8见81页
26
2.6.2
选型基础
换热器的传热面积的计算
换热器的设计型计算
将一定流量qm1的热流体自给定温度T1冷却至指定温 度T2，可供使用的冷却介质流量qm2和进口温度t1。 计算目的
确定经济上合理的传热面积A 及换热器其它有关尺
寸？
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计算过程 ①由传热任务计算换热器的热负荷Q=qm1cp1(T1-T2) ②作出适当的选择并计算传热平均推动力Δtm ； ③计算冷、热流体与管壁的对流传热系数及总传热 系数K ； ④由传热基本方程Q=KAΔtm，计算传热面积 . Q KAΔtm

（1）不凝性气体的影响
当蒸汽中含有少量空气或其他不凝性气体时，随着蒸汽冷 凝过程的继续进行，不凝性气体便在液膜表面积聚成一层气膜。 这样蒸汽必须以扩散的方式穿过气膜，到达液膜表面才能冷凝， 相当于增加了一项热阻，使α下降。据测定，当蒸汽中含有1％ 空气时， α 值下降60％。结论：冷凝器都设有不凝性气体排 放口，操作时要及时排放不凝性气体。
20 μ m ）范围，其吸收率随波长变化不大，因
而可视为灰体。 克希霍夫定律：
a
源自文库17
①在同一温度下，灰体的吸收率等于黑度。辐射
能力愈大，其吸收能力愈大。
②灰体辐射能力
E Eb C ( )
③对太阳辐射，气体辐射
T 4 0 100
a
18
影响辐射的主要因素 ①温度影响 与 T4成正比，很敏感。与对流、传导不同。 ②几何位置影响 ③表面黑度的影响 * 减少辐射散热时，可在表面上镀以黑度很小的 银、铝等。 ④辐射表面之间介质的影响
4
T T E Eb C b C 100 100
C——灰体的辐射系数，C= C0
4
16
灰体辐射能力和吸收能力
—克希荷夫(Kirchhoff)定律
灰体：能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射
能的物体。
灰体也是理想物体，但是大多数的材料，
在工业上应用最多的热辐射（波长在0.76～

② 当tw < ts，有冷凝现象发生，与饱和蒸汽冷凝过程不同，
过热蒸汽冷凝给热过程是由冷却和冷凝两个串联步骤组成。此 时，在过热蒸汽和冷凝液膜间存在一个中间层，通过中间层蒸 汽由过热温度tv 降至饱和温度ts 。对液膜而言，传热推动力仍 是 t ，并不因中间层的存在而改变，因为对过热蒸 ts t w 汽的冷凝仍可应用以上公式求 ，将式中 r 改为
2
为保证沸腾装置在核状沸腾状态下工作，使 t tc 其措施：恒壁温热源时：应用饱和蒸汽加热器 恒热流热源时：应用电加热器、电炉等加热， 并使装置必须严格地使 q qc 三、沸腾的计算 沸腾给热的影响因素： 1、液体和蒸气的性质： , , , c p , r, L , V 2、加热表面的粗糙情况和表面物理性质，特别是液体与 表面的润湿性。 3、操作压力和温差。
式中：Ri、Ro——传热面两侧的污垢热阻， m2·K/W。
23
壁温的计算
稳态传热
T Tw Tw t w t w t q 1 1
1

2
2-41
T Tw Tw t w t w t q 1 1
i

o
（1）大，即δ/小，热阻小，tW=TW
T Tw i 1 tw t 1
例2-7见79页
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o


例2-7见79页 对数平均推动力.
d t (T1 t 2 ) (T 2 t1) dQ Q d Q K t d A
(T 1 t 2) (T2 t1) tm (T 1 t 2) ln (T2 t1) (T 1 t 2) (T2 t1) tm (T 1 t 2) ln (T2 t1)
30
流向的选择： 对于并流操作：
qm1Cp1 T1 t2 max qm2Cp2 t2 max t1
（ 1）
qm1Cp1
T 1( t2max
qm2Cp2 qm1Cp1 1 qm2Cp2
) t1 38
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宜用并流的情况
对热敏性物料，并流操作可避免出口温度过 高而影响产品质量。 在某些高温换热器中，逆流操作因冷却流体 的最高温度t2和T1集中在一端，会使该处的壁温特 别高。为降低该处的壁温可采用并流，以延长换热 器的使用寿命。
四次方定律表明，辐射传热对温度十分敏感。
Eb: 黑体辐能力 W/m2
T: 绝对温度 K
δ0:黑体辐射系数， 5.67W/(m2· K4) 例2-4 见74页
15
实际物体的辐射能力和吸收能力
黑度：
E Eb
<1
是物体辐射能力接近黑体辐射能力的程度 =f(物体的种类、表面温度、表面状况)
——实验测定
3
At 2.5 B ts
lg lg A 2.5 lg t t s lg B a 2.5 lg t bt s
讨论： (1)、 ts 汽泡生成
(2)、 ts 脱离速度 (3)、 t 2.5 比强制湍流大，其原因：潜热和气泡的扰动 (4)、 (5)、p
2) 蒸汽冷凝给热

冷凝给热过程的热阻：
饱和蒸汽:气相主体中无温差,也无热阻,主要集中
在凝液液膜上.
过热蒸汽:导热系数小,热阻集中在壁面附近.
6

膜状冷凝和滴状冷凝
饱和蒸汽冷凝给热的热阻主要集中在冷凝液膜，因此，冷
凝液的流动状态对给热系数α必有极大的影响。冷凝液在壁面 上存在和流动方式有两种类型：膜状和滴状。

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冷凝给热过程的强化
前以述及，冷凝给热过程的热阻几乎全部集中于液膜， 因此，设法减小液膜厚度时强化冷凝给热的有效措施。 ① 在垂直壁面上开若干纵向沟槽使冷凝液沿沟槽流下， 可减薄其余壁面上的液膜厚度，强化冷凝给热过程。 ② 沿垂直壁装若干条金属丝，冷凝液在表面张力的作用 下，有向金属丝附近集中并沿金属丝流下的趋势，从而使金 属丝之间壁面上液膜大为减薄， α 增大。 ③ 对于垂直管内冷凝，采用适当内插物（如螺旋圈）可 分散冷凝液，减小液膜厚度， α 增大。
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2.5 辐射传热
固体辐射 总能量Q；被物体吸收QA ；被反射QR ；穿过物体QD
能量守恒定律： Q
N Q
Q QA QR QD
QA A——吸收率 Q QR R——反射率 Q ——穿透率 QD D Q
Q
Q
A R D 1
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固体、液体： D =0
气体： R =0 黑体：

液 膜
tw
饱和 蒸汽ts 气膜
9
（2）蒸汽过热的影响 温度为tv 的过热蒸汽与壁温为tw 的壁面 过热蒸 间的给热过程，视tw 的高低有不同的机理。 液 汽温度 ① 当tw > ts（饱和蒸汽温度），壁面上 膜 为tv 无冷凝现象发生，属普通无相变的对流给热过 t t t w s v 程，α 很小。
dt (T 1 t 2) (T2 t1) Kt dA Q 1 t1 dt t1 t 2 A dA 0 K t 2 t Q (T 1 t 2) (T2 t1) Q KA (T 1 t 2) ln (T2 t1)
2-49 逆流时
膜状冷凝：若冷凝液能够润湿壁面，并形成一层完整的液膜 向下流动，这种冷凝称为膜状冷凝，膜状冷凝的热阻大，α小。
7
滴状冷凝：若蒸汽中混有油脂类物质，或者壁面 被油脂粘污时，冷凝液不能全部润湿壁面，而是结成 滴状小液珠，从壁面落下，重又露出新的冷凝面，这 种冷凝称为滴状冷凝。在滴状冷凝时，大部分壁面直
学习回顾: 对流传热速率分析
沸腾给热
结论：由于核状沸腾具有α大、壁温低的优点，因此工业沸 腾装臵总是设法控制在核状沸腾下操作。为保证沸腾装臵在核 状沸腾状态下工作，须控制 t ，否则，核状沸腾将转变 tc 为膜状沸腾α↓↓ ，且加热面Tw↑↑，甚至将设备烧毁。 沸腾给热计算 沸腾给热过程及其复杂，其影响因素大致分为液体和蒸汽 性质、加热面的粗糙情况和表面物理性质、操作压强的温差等 三个方面。关于沸腾给热至今尚没有可靠的一般的经验关联式， 教材上介绍了一种将沸腾给热的实验数据进行关联的函数形式。
28
计算过程中参数的选择 为计算传热平均温度差Δtm，设计者必须： ①选择流体的流向，即决定采用逆流、并流及其他复 杂流动方式。 ②选择冷却介质的出口温度 冷却介质出口温度t2越高，其用量qm2可以越少，回 收的能量Q 也越高，同时输送流体的动力消耗即操作 费用也减小。 t2越高，Δtm越小，传递同样的热流量所需的加热 面积A也越大，设备投资费用必然增加。
r ' r cp tv ts
10
（3）蒸汽流速和流向的影响 当蒸汽流速不大时，蒸汽与冷凝液膜间的作用力可忽略。 但当蒸汽流速较大时，则会影响液膜的流动。 若蒸汽与液膜流向（向下）相反即蒸汽向上流动，则蒸汽 将阻滞冷凝液的流动，使液膜增厚， 减小；但若蒸汽流速 很大，则逆向流动的蒸汽可以冲散液膜使部分壁面直接暴露于 空气中， 反而增大。此种情况少见。 若蒸汽与液膜流向相同，蒸汽将加速冷凝液的流动，使液 膜减薄 增大。结论：通常蒸汽进口设在冷凝器上方，蒸汽 大。 流向与冷凝液流向相同，液膜薄，
qi Ki (T t )
qo Ko(T t )
1 1 di do 1 di ln 2dm d i o d 0
得:
基于管内表面积的 局部总传热系数
i
di 1 di dm o d 0
1
i
1 1 Ko 1 do do 1 1 do do do 1 ln i di dm o i di 2dm d i 2
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根据经济核算的观点，确定最优出口温度t2opt。可 按同样原则选择加热介质出口温度T2。 （b）为求得传热系数k，须计算两侧的给热系数α， 故设计者必须决定： ①冷、热流体各走管内还是管外 ②选择适当的流速 可计算传热系数K，进而计算所需传热面积的大小 可计算通过传热面的阻力损失，要根据经济核算 的观点来考虑。 ③选定适当的污垢热阻
A+R =1
A+D=1
A1
白体(镜体)：
透热体：
R1
D1
灰体：以相同的吸收率吸收所有波长辐射能的物体 特点： ①灰体的吸收率A不随辐射线的波长而变； ②灰体是不透热体，即A+R=1。
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黑体辐射能力Eb
—斯蒂芬-波尔兹曼定律 即
4 E (绝对温度）
b
Eb 0 ( T ) 4 100