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1、DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke第四节第四节对流与对流传热系数对流与对流传热系数 的获得主要有三种方法：的获得主要有三种方法：1理论分析法理论分析法：2实验方法实验方法*：3类比方法类比方法：用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比到热量传递过程。到热量传递过程。建立理论方程式，用数学分析的方法求出建立理论方程式，用数学分析的方法求出 的精确的精确解或数值解。这种方法目前只适用于一些几
2、何条件简解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。1DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-15影响对流传热系数的因素影响对流传热系数的因素一、引起流动的原因(1-2)g=2 g t1强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动2自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动设设1、2分别代表温度为分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，两点流
3、体的密度，为其平均为其平均体积膨胀系数；体积膨胀系数；如果如果t1525，与与q都急剧增大；都急剧增大；t25，不稳定，不稳定，与与q急剧下降急剧下降膜状沸腾：膜状沸腾：临界点临界点自然对流自然对流泡状沸腾泡状沸腾 膜状沸腾膜状沸腾36DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke工业上的沸腾装置多维持在工业上的沸腾装置多维持在核状沸腾状态核状沸腾状态2、沸腾对流传热系数的计算、沸腾对流传热系数的计算大容积饱和核状沸腾大容积饱和核状沸腾(1)各参数见各参数见p244。(2)3、影响沸腾传热的因素、影响沸腾传热的因素(1)
4、温度差的影响温度差的影响应尽量在核状沸腾阶段进行操作。应尽量在核状沸腾阶段进行操作。(2)操作压力的影响操作压力的影响p，强化对流传热过程。，强化对流传热过程。(3)液体物性的影响液体物性的影响(4)加热面的影响加热面的影响壁面粗糙的，有利壁面粗糙的，有利表面张力小，有利表面张力小，有利37DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-20对流传热系数关联式小结对流传热系数关联式小结38DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke 的量级的量
5、级空气中空气中水中水中总之：总之：油类中油类中39DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke注意以下几点：注意以下几点：1、首先分析所处理的问题是属于哪一类、首先分析所处理的问题是属于哪一类2、选定相应的对流传热系数计算式时，特别应注意的是、选定相应的对流传热系数计算式时，特别应注意的是所选用的公式所规定的适用范围，规定的特性尺寸，定性温所选用的公式所规定的适用范围，规定的特性尺寸，定性温度等。度等。3、事先不知流型的情况，用试差法来进行计算。、事先不知流型的情况，用试差法来进行计算。4、注意公式中物性数据的单位、注
6、意公式中物性数据的单位p246-247，表，表5-840DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke第三节第三节辐射传热辐射传热4-21基本概念基本概念辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。辐射：物体以电磁波形式传递能量的过程。热射线：热射线：0.440m的可见光与部分红外线，起决定作用的可见光与部分红外线，起决定作用入射辐射入射辐射Q反射反射QR穿透穿透QD吸收吸收QA热射线服从光的反射和折射定律热射线服从光的反射和折射定律即：即：D=1透热体透热体A吸收率；吸收率；R反射率；反射率；D透过率。透过率。A=1称为黑体
7、或绝对黑体；称为黑体或绝对黑体；R=1称为镜体或绝对白体；称为镜体或绝对白体；41DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-22物体的发射能力物体的发射能力斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼蒂定玻尔兹曼蒂定律律揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系揭示黑体的辐射能力与其表面温度的关系发射能力（或称辐射能力）发射能力（或称辐射能力）E，单位为，单位为W/m2o黑体的辐射常数黑体的辐射常数TKEo黑体的辐射能力黑体的辐射能力黑黑体的辐射系数体的辐射系数 黑度黑度：实际物体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比实际物体的辐射能力与同
8、温度下黑体的辐射能力之比恒小于恒小于142DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke12灰体灰体黑体黑体T1T24-23克希霍夫定律克希霍夫定律灰体：灰体：凡能以相同的吸收率且部分吸收由凡能以相同的吸收率且部分吸收由0到到所有波长范所有波长范围的辐射能的物体围的辐射能的物体灰体特点：灰体特点：(1)它的吸收率它的吸收率A不随辐射线的波长而变；不随辐射线的波长而变；(2)它是不透热体，即它是不透热体，即A+R=1。理想物体理想物体大多数的工程材料都可视为灰体大多数的工程材料都可视为灰体E1A1Eo(1-A1)EoEoT
9、1T2 克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力E与与吸收率吸收率A间的关系间的关系辐射传热的结果为：辐射传热的结果为：热平衡时，即热平衡时，即T1=T2时，时，Q/S=0E1=A1Eo 表明任何物体（灰体）的辐射能力与吸收率的比值恒等于同表明任何物体（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，即仅和物体的绝对温度有关。温度下黑体的辐射能力，即仅和物体的绝对温度有关。43DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-24两固体间的相互辐射两固体间的相互辐射经历反复吸收和反射经
10、历反复吸收和反射实际两物体间的辐射传热速率为实际两物体间的辐射传热速率为非无限大，距离大时。非无限大，距离大时。式中：式中：Q1-2净辐射传热系数，净辐射传热系数，W；C1-2总辐射系数，总辐射系数，W/m2K4；T1、T2开尔文温度，开尔文温度，K；Am2；角系数角系数44DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-25气体热辐射的特点（自学）气体热辐射的特点（自学）1）气体辐射和吸收对波长具有强烈的选择性。）气体辐射和吸收对波长具有强烈的选择性。气体辐射与固体辐射有很大的区别气体辐射与固体辐射有很大的区别2）气
11、体辐射是一个容积过程。）气体辐射是一个容积过程。45DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke4-25热辐射、对流的联合传热热辐射、对流的联合传热设备的外壁温度高于环境温度，此时热量将以对流和辐射设备的外壁温度高于环境温度，此时热量将以对流和辐射两种方式自壁面向环境传递而引起热损失两种方式自壁面向环境传递而引起热损失对流传热而引起的散热速率为对流传热而引起的散热速率为辐射传热而引起的散热速率为辐射传热而引起的散热速率为总的散热速率为：总的散热速率为：T=+R称为对流称为对流辐射联合传热系数辐射联合传热系数46Depa
12、rtmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke6.8间壁式换热器间壁式换热器管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。管壳式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。47DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳
13、式换热器）一、构造一、构造48DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke6.8.1列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳式换热器）一、构造一、构造49DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳式换热器）思考：思考：如如何何判判断断壁壁温温tw、Tw接接近近哪一个温度？哪一个温度？T、t or t0？温差在温差在50以上时以上时，要考虑温度补偿问题，要考虑温度补偿问题50Departmen
14、tofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke温度补偿问题：换热器两端管板和壳体是连为一体的。换热器两端管板和壳体是连为一体的。其特点是结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温其特点是结构简单、制造成本低，适用于壳体和管束温差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。差小、管外物料比较清洁、不易结垢的场合。当壳体和管子之间的温差较大当壳体和管子之间的温差较大(6070)且壳体承受压且壳体承受压力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。力不太高时，可采用补偿圈（又称膨胀节）。补偿圈补偿补偿圈补偿-固定管板式换热器固定管板式换热器51Departm
15、entofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke温度补偿问题：浮头补偿浮头补偿-浮头式换热器浮头式换热器U型管补偿型管补偿-U型管式换热器型管式换热器一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由一端管板用法兰与壳体连接固定，另一端在壳体中自由伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。伸缩，整个管束可以由壳体中拆卸出来。适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的适用于壳体与管束间温差大且需经常进行管内外清洗的场合。场合。用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。用于壳体与管子间温差大的场合，但管内清洗比较困难。52Depart
16、mentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke53DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳式换热器）二、选用、设计原则二、选用、设计原则54DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke设计方法及步骤：设计方法及步骤：列管式换热器（管壳式换热器）列管式换热器（管壳式换热器）55DepartmentofChemicalandEnviron
17、mentalEngineeringCTGULaiQingke强化管式换热器：强化管式换热器：翅片管式-横向传热面积大，传热效率高，总传热系数为光管的四至八倍。其它类型的换热器其它类型的换热器56DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke57DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke板式换热器板式换热器其它类型的换热器其它类型的换热器板式换热器是由一组波纹金属板板式换热器是由一组波纹金属板组成组成,板上有孔板上有孔,供传热的两种流供传热的两种
18、流体通过体通过.金属板片安装在一个侧面金属板片安装在一个侧面有固定板和活动压紧板的框架内有固定板和活动压紧板的框架内,并用夹紧螺栓夹紧并用夹紧螺栓夹紧.板式换热器作为一种新型、高效、板式换热器作为一种新型、高效、节能的换热设备已越来越在众多节能的换热设备已越来越在众多领域广泛应用领域广泛应用,并且有逐步取代其并且有逐步取代其它类型之趋势它类型之趋势.58DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke板式换热器板式换热器59DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTG
19、ULaiQingke板式换热器板式换热器强化管式换热器强化管式换热器折流杆换热器折流杆换热器60DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke螺旋板换热器：螺旋板换热器：传热效率高传热效率高传热效率为列管式换热器的传热效率为列管式换热器的13倍倍阻力小阻力小以较低的压力损失，处理大以较低的压力损失，处理大容量蒸气或气体；有自清刷能力，容量蒸气或气体；有自清刷能力，因其介质呈螺旋形流动，污垢不因其介质呈螺旋形流动，污垢不易沉积；清洗容易，可用蒸气或易沉积；清洗容易，可用蒸气或碱液冲洗，简单易行，适合安装碱液冲洗，简单易行，
20、适合安装清洗装置；介质走单通道，允许清洗装置；介质走单通道，允许流速比其它换热器高。流速比其它换热器高。61DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke螺旋板式换热器螺旋板式换热器62DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke热管热管63DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke64DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngine
21、eringCTGULaiQingke换热器的强化途径换热器的强化途径强化传热强化传热提高传热速率提高传热速率KAtm一、增大传热面积一、增大传热面积A已有的换热器已有的换热器A定值定值从分利用其有效的传热面积从分利用其有效的传热面积设计设计AQ设备费设备费有局限性有局限性二、增大平均温度差二、增大平均温度差tmtm取决于冷热流体的初、终温取决于冷热流体的初、终温物料的温度由生产工艺所决定，一般不能随意变动物料的温度由生产工艺所决定，一般不能随意变动冷却和加热介质的温度则因选择的冷却和加热介质的温度则因选择的介质不同而异，应考介质不同而异，应考虑技术上的可能性和经济上的合理性。虑技术上的可能性和
22、经济上的合理性。65DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke三、增大总传热系数三、增大总传热系数K强化传热的最有效途径强化传热的最有效途径i、o接近时接近时i、o差别较大时差别较大时应予以同时提高应予以同时提高应提高小的应提高小的提高提高K值值热阻主要集中在靠近管壁的层流底层热阻主要集中在靠近管壁的层流底层强化传热的办法应从以下几方面考虑：强化传热的办法应从以下几方面考虑：1、增加湍动程度，以减少层流底层的厚度、增加湍动程度，以减少层流底层的厚度（1）、）、u（2）、）、改变流动条件，通过设计特殊的传热壁面，使流体
23、改变流动条件，通过设计特殊的传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍动程度。在流动过程中不断改变流动方向，提高湍动程度。66DepartmentofChemicalandEnvironmentalEngineeringCTGULaiQingke2、尽量采用有相变化的载热体，可得到大的对流、尽量采用有相变化的载热体，可得到大的对流传热系数。传热系数。3、采用导热系数较大的载热体。、采用导热系数较大的载热体。4、当壁两侧的对流传热系数很大，污垢热阻很小、当壁两侧的对流传热系数很大，污垢热阻很小时，金属壁的热阻才对传热过程有较明显的影响。时，金属壁的热阻才对传热过程有较明显的影响。5、防止污垢和及时地清除垢层，以减小污垢热阻。、防止污垢和及时地清除垢层，以减小污垢热阻。应采用防止或减慢结垢的措施，并应及时清除传热面应采用防止或减慢结垢的措施，并应及时清除传热面上的垢层。上的垢层。67