1、5.4.7 流体有相变时的对流传热系数第 5 章 传热过程基础一、蒸汽冷凝传热二、液体沸腾传热.5.4 对流传热5.4.1 对流传热机理5.4.2 热边界层及对流传热系数5.4.3 管内强制层流传热的理论分析5.4.4 对流传热过程的量纲分析5.4.5 流体无相变时的强制对流5.4.6 自然对流传热（选读）1 1.蒸汽冷凝传热的方式蒸汽冷凝传热的方式蒸汽冷凝方式膜状冷凝珠状冷凝凝液润湿壁面，形成一层平滑的液膜。凝液不能润湿壁面，在壁面上杂乱无章地形成小液滴。当蒸汽处于比其饱和温度低的环境中时，将会发生冷凝。一、蒸汽冷凝传热蒸汽冷凝方式滴状冷凝膜状冷凝膜状冷凝一、蒸汽冷凝传热层流湍流膜状冷凝 膜
2、状冷凝在壁面上的液体的流动，可以是层流，也可以是湍流。一、蒸汽冷凝传热n二、管路的连接n管路的连接包括管子与管子、管子与各种管件、阀门及设备接口等处的连接。目前比较普遍采用的有：承插式连接、螺纹连接、法兰连接及焊接。n1承插式连接n铸铁管、耐酸陶瓷管、水泥管常用承插式连接。管子的一头扩大成钟形，使一根管子的平头可以插入。环隙内通常先填塞麻丝或石棉绳，然后塞入水泥、沥青等胶合剂。它的优点是安装方便，允许两管中心线有较大的偏差，缺点是难于拆除，高压时不可靠。n2螺纹连接n螺纹连接常用于水、煤气管。管端有螺纹，可用各种现成的螺纹管件将其连接而构成管路。螺纹连接通常仅用于小直径的水管、压缩空气管路、煤
3、气管路及低压蒸汽管路。n用以连接直管的管件常用的有管箍和活络管接头。n3法兰连接n法兰连接是常用的连接方法。优点是装拆方便，密封可靠，适用的压强、温度与管径范围很大。缺点是费用较高。铸铁管法兰是与管身同时铸成，钢管的法兰可以用螺纹接合，但最方便还是用焊接法固定。法兰连接时，两法兰间需放置垫圈起密封作用。垫圈的材料有石棉板、橡胶、软金属等，随介质的温度压强而定。n4焊接连接n焊接法较上述任何连接法都经济、方便、严密。无论是钢管、有色金属管、聚氯乙烯管均可焊接，故焊接连接管路在化工厂中已被广泛采用，且特别适宜于长管路。但对经常拆除的管路和对焊缝有腐蚀性的物料管路，以及不允许动火的车间中安装管路时，
4、不得使用焊接。焊接管路中仅在与阀件连接处要使用法兰连接。n三、管路的热补偿n管路两端固定，当温度变化较大时，就会受到拉伸或压缩，严重时可使管子弯曲、断裂或接头松脱。因此，承受温度变化较大的管路，要采用热膨胀补偿器。一般温度变化在32以上，便要考虑热补偿，但管路转弯处有自动补偿的能力，只要两固定点间两臂的长度足够，便可不用补偿器。n化工厂中常用的补偿器有凸面式补偿器和回折管补偿器。n1凸面式补偿器图2-11 凸面式补偿器n凸面补偿器可以用钢、铜、铝等韧性金属薄板制成。图2-11表示两种简单的形式。管路伸、缩时，凸出部分发生变形而进行补偿。此种补偿器只适用于低压的气体管路（由真空到表压为196kP
5、a）。图2-11 凸面式补偿器图2-12 回折管补偿器n2回折管补偿器n回折管补偿器的形状如图2-12所示。此种补偿器制造简便，补偿能力大，在化工厂中应用最广。回折管可以是外表光滑的如图2-12（a）所示，也可以是有折皱的如图2-12（b）所示。前者用于管径小于250mm的管路，后者用于直径大于250mm的管路。回折管和管路间可以用法兰或焊接连接。n四、管路布置的基本原则n化工厂的管路为了便于安装、检修和操作管理，多数是明线敷设的。管路布置应考虑到减少基建投资、保证生产操作安全，便于安装和检修、节约动力消耗，美观整齐等。膜状冷凝膜状冷凝：固体壁面被液膜覆盖，蒸汽冷凝在膜表面进行，冷凝潜热需经液
6、膜传给壁面。传热阻力主要集中在液膜层，膜越厚，其冷凝传热系数越小。珠状冷凝：珠状冷凝：壁面大部分直接暴露在蒸汽中，其冷凝传热系数比膜状冷凝大得多（约10倍）。通常，冷凝的开始阶段为珠状冷凝，然后逐渐转为膜状冷凝。特点特点:一、蒸汽冷凝传热液膜雷诺数2 2.对流传热系数的计算对流传热系数的计算（1）垂直壁面上膜状冷凝的传热系数31/4()0.943()mVmsatw L gLNukk tt 膜内层流流动，可用解析法求解蒸汽在饱和温度下的汽化热壁面高度蒸汽饱和温度定性温度2satwmttt应用范围1800fRe 一、蒸汽冷凝传热0.68()psatwctt 麦克亚当斯(McAdams)修正式31/
7、4()1.13()Vmsatw gkL tt 由上式的计算的 值通常低于实际值20，故用下式进行修正：式中 cp凝液的比热容，用 tm 下的值。罗森奥(Rohsenow)建议用 代替上式的 ：一、蒸汽冷凝传热ebfd u Re液膜雷诺数定义凝液的平均流速设A凝液的流通面积；P润湿周边长度；w凝液的质量流率；则44fAP ARePww一、蒸汽冷凝传热单位长度润湿周边上的凝液质量流率令则4fRePw 膜内湍流流动（Ref 1800），采用柯克伯瑞德(Kirkbride)经验公式1/30.42()0.0076 Vmf gkRe定性温度2satwmttt一、蒸汽冷凝传热（2）水平管外膜状冷凝的对流传热
8、系数31/4()0.725()Vmosatw gkd tt 水平单根管外的冷凝一、蒸汽冷凝传热（2）水平管外膜状冷凝的对流传热系数垂直列上的管排数 水平管束外的冷凝31/4()0.725()Vmsatow gkntdtn=3一、蒸汽冷凝传热 通常在管壳式冷凝器中，管束在垂直方向上各列的管排数不等，可用如下平均管排数nm代替上式中的 n：475.075.0275.0121)(zzmnnnnnnn第 z 列上的管排数（2）水平管外膜状冷凝的对流传热系数 水平管束外的冷凝一、蒸汽冷凝传热1 1.液体沸腾传热的方式与分类液体沸腾传热的方式与分类液体沸腾方式池内沸腾管内沸腾将加热壁面浸入液体的自由表面之
9、下，液体在壁面受热沸腾。液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾。自然对流和气泡的扰动强制对流（强制对流沸腾）二、液体沸腾传热液体沸腾分类过冷沸腾饱和沸腾加热壁面温度高于液体饱和温度，液体温度低于其饱和温度。整体沸腾无论何种沸腾方式，液体沸腾分为两类加热壁面温度高于液体饱和温度，液体温度维持其饱和温度。局部沸腾二、液体沸腾传热液体沸腾曲线satwttt2.液体沸腾曲线AB段：自然对流区5t 加热壁面上的流体轻微过热，液体内产生自然对流，没有气泡逸出液面。/Q S、较低二、液体沸腾传热BC段：泡核沸腾区255toC扰动剧烈/Q S液体沸腾曲线satwttt 加热壁面的某些区域生成气泡，其生成速率随
10、 上升而增加，气泡不断脱离壁面上升至液体表面而逸出。t二、液体沸腾传热液体沸腾曲线satwtttCD段：过渡区25toC 气泡生成速率进一步加快，部分加热面被气膜覆盖，此时仍有部分加热面维持泡核沸腾状态。产生液膜附加热阻/Q S二、液体沸腾传热DE段：膜状沸腾区液体沸腾曲线satwttt 加热面上形成的气泡连成一片，加热面全部被气膜覆盖，形成稳定的气膜。随 的增加，基本不变，但由于辐射传热影响，Q/S 又有上升。t二、液体沸腾传热3 3.液体沸腾传热的影响因素液体沸腾传热的影响因素影响因素液体性质温度差k、()nbtt操作压力psatt加热壁面清洁加热壁面粗糙加热壁面、二、液体沸腾传热气液相界
11、面表面张力液-壁面组合常数（表5-5）饱和液体定压质量热容4 4.沸腾传热系数的计算沸腾传热系数的计算（1）罗森奥(Rohsenow)公式1/3/()pLsfnLLVctQ SCPr g 求出 Q/S 后，再求。二、液体沸腾传热（2）莫斯听斯基(Mostinski)公式0.690.171.2100.740.1050.10()(1.8410()9.81 10cpQRRRS临界压力对比压力cppR 应用范围kPa3000cpR=0.010.9/(/)cQ SQ S临界热通量二、液体沸腾传热管束直径0.350.9(/)0.38(1)/ccioQ Sp RRD L S临界热通量计算加热管长管外壁总传热
12、面积二、液体沸腾传热5.5 辐射传热5.5.1 基本概念和定律一、黑体、镜体、透热体和灰体二、物体的辐射能力三、普朗克定律、斯蒂芬-玻尔兹曼定律 及克希霍夫定律.0 概 述5.4 对流传热第 5 章 传热过程基础辐射的一般定义热辐射热射线物体以电磁波方式传递能量的过程称为辐射;被传递的能量称为辐射能；因热的原因引起的电磁波辐射；波长0.40.8m的可见光线和波长0.820 m的红外光线。概 述 热辐射服从反射和折射定律，在真空和多数气体中完全透过，但不能透过多数固体和液体。入射辐射入射辐射 Q反射反射 QR吸收吸收 QA穿透穿透 QD概 述辐射能的吸收、反射和透过透过反射吸收总辐射能概 述根据
13、能量守恒定律，得 ARDQQQQ1ARDQQQQQQ 1ARDAQAQRQRQDQDQ吸收率反射率透过率量纲为1 量纲为1 量纲为1 概 述D=1，能透过全部辐射能的物体称为透热体。一般单原子气体（如He、Ne）和对称的双原子气体（如O2、N2和H2等）均可视为透热体。黑体镜体透热体A=1，能全部吸收辐射能的物体称为黑体或绝对黑体。R=1，能全部反射辐射能的物体称为镜体或绝对白体。理想物体一、黑体、镜体、透热体和灰体灰体的特点：（1）吸收率 A与辐射线的波长无关；（2）不透热体，即 A+R=1 能以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体称为灰体。灰体常见的固体材料可均为灰体。一、黑体、镜体、透热
14、体和灰体辐射能力 物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射能力。E单位为 W/m2单色辐射能力E单位为 W/m3 物体发射特定波长的能力，称为单色辐射能力。dEEd 波长，m 或m。二、物体的辐射能力E0bbEE d黑体辐射能力和单色辐射能力之间满足 黑体辐射能力黑体单色辐射能力（1）二、物体的辐射能力E1.普朗克（planck）定律251/(1bCTCEfe16213.743 10W mC221.4387 10 m KC式中 该定律揭示了黑体的单色辐射能力随波长变化的规律，其表达式为式（2）可画成如下图线：（2）三、Planck、Stefa
15、n-Boltzman 及Klchhoff 定律黑体的单色辐射能力随温度及波长的分布规律3000-6000K600-1400K三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律2.斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律 该定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的定量关系。4400()100bTETC8205.67 10 W/(mK)黑体的辐射常数：将（2）代入（1）积分：W/m2三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律3.克希霍夫（kirchhoff）定律 设2块近距平行平板，1块的辐射能可全部投到另1板。揭示物体（灰体）的
16、辐射能力E与吸收率A之间的关系。灰体黑体Q板1：灰体，E1、A1、T1；板2：黑体，E2(=Eb)、A2（=1）、T2三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律bEE 212A设21TT 因 2 为黑体辐射传热通量（板1）：11/bQ SEAE两板热平衡时21TT/0Q S 故bEAE11bEAE11灰体黑体Q三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律对任意灰体，有)(2211TfEAEAEAEb克希霍夫定律注意任何灰体的辐射能力与吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射能力。在任何温度下，黑体的辐射能力最大。对于其它物体，物体的吸收
17、率愈大，其辐射能力也愈大。三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律)(2211TfEAEAEAEb4400()100bTETC二式联立，得440()()100100TTEACCC（=AC0）灰体的辐射系数。由Stefan-Boltzman定律三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律 将同一温度下，灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之比，定义为灰体的黑度，亦称为灰体的发射率：黑度bEE三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律比较40()100bTEACAEbEEA 在同一温度下，灰体的吸收率和黑度在
18、数值上相等 黑度 和物体的性质、温度及表面情况（如表面粗糙度及氧化程度）有关，一般由实验测定，常用工业材料的黑度列于表5-6中。三、Planck、Stefan-Boltzman 及Klchhoff 定律5.5 辐射传热 5.5.2 两固体间的辐射传热5.5.1 基本概念和定律两固体间之的辐射传热.第 5 章 传热过程基础 板 1 和板 2 间经历反复吸收和辐射，直至到 E1(E2)被完全吸收为止。设：两平行放置的灰体平板，其温度分别为T1 和 T2 ，在平板间进行辐射传热。E1A2R1R2E1A2221212R R E A两固体间之的辐射传热净辐射传热量1 222121212()()1RERR
19、ARQSL22122112(1)R RRE AR或121 2211212()11EEQAASRRRR)(11122121AEAERR无穷级数2311,11nxxxxxx当两固体间之的辐射传热总辐射系数由40)100(iiiTCEiiA得440121 212()()()1/1/1 100100CTTQSiiiAR112,1i令02121021/1/1/111/1/1CCCCC则44121 21 2()()()100100TTQCS两固体间之的辐射传热 两灰体间辐射传热的结果，是高温物体向低温物体传递了能量。44121 21 2()()100100TTQCS几何因数(角系数)辐射面积总辐射系数见表5-10 角系数表示一个物体表面所发出的能量被另一物体表面所截获的分数。两固体间之的辐射传热5.5 辐射传热5.5.4 对流和辐射联合传热（选读）5.5.2 两固体间的辐射传热5.5.1 基本概念和定律5.5.3 气体的辐射传热（选读）第 5 章 传热过程基础习习 题题第 5 章:13、17、20
