1、4.3.5 圓筒壁的穩態熱傳導圓筒壁的穩態熱傳導 化工生產中常見的為圓筒壁化工生產中常見的為圓筒壁(圓管圓管)的熱傳導，其特點是的熱傳導，其特點是溫度溫度隨半徑變化隨半徑變化，傳熱面積也隨半徑變化傳熱面積也隨半徑變化，均，均非常量非常量。 單層圓筒壁的穩態熱傳導單層圓筒壁的穩態熱傳導 Qdrrr1r2t1t2L前提條件：前提條件：圓筒內、外半徑分別為圓筒內、外半徑分別為r1和和r2，長長度為度為L，內外壁溫度內外壁溫度t1t2，在圓筒在圓筒壁半徑壁半徑r處沿半徑方向取微元厚度處沿半徑方向取微元厚度dr的圓筒壁，其傳熱面積：的圓筒壁，其傳熱面積：S=2rL圓筒很長，沿軸向散失熱量可

2、以圓筒很長，沿軸向散失熱量可以忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為忽略，溫度僅沿半徑方向變化，為一維穩態熱傳導。一維穩態熱傳導。圓筒壁材質均勻，導熱系數圓筒壁材質均勻，導熱系數l l為常為常數數 求傳熱速率方程求傳熱速率方程說明說明當圓筒壁兩側溫度不變時，傳熱速率當圓筒壁兩側溫度不變時，傳熱速率Q為常量，但由于為常量，但由于S與與r有關，故熱通量有關，故熱通量Q/S不再是常量，而不再是常量，而Q/L保持常量；保持常量；在任一半徑在任一半徑r處，溫度表示為處，溫度表示為:表明溫度沿表明溫度沿r方向為對數曲線分布；方向為對數曲線分布； 導熱速率導熱速率 推動力推動力t，導熱熱阻，導熱熱阻R。 誤差不超過

3、誤差不超過4，工程上允許。，工程上允許。2SSS 2SS212rrr 2rr2121m1221m12時，當時，當說明說明多層圓筒壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，總熱阻多層圓筒壁熱傳導的總推動力為各層溫度差之和，總熱阻為各層熱阻之和。為各層熱阻之和。總的導熱速率與總推動力成正比，而和總阻力成反比。對總的導熱速率與總推動力成正比，而和總阻力成反比。對各層，同樣有溫差與熱阻成正比。各層，同樣有溫差與熱阻成正比。不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導熱速率不論圓筒壁由多少層組成，通過各層導熱速率Q和和Q/L為為常量，但常量，但q不為常量；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；其中每

4、一層的溫度分布為曲線，但各層分布曲線不同； 2SSS 2SS212rrr 2rr211iimii1i1iimii1i時，當時，當保溫材料的放置問題保溫材料的放置問題對于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則對于多層平壁，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？保溫效果有何變化？對于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保對于圓直管，如果每層厚度相等，互換先后順序，則保溫效果有何變化？溫效果有何變化？4.4 對流傳熱對流傳熱 4.4.1 對流傳熱機理對流傳熱機理 對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時的傳熱對流傳熱，指流體與固體壁面直接接觸時的傳熱，是流體，是流體的對流與導熱

5、兩者共同作用的結果。其傳熱速率與流動狀的對流與導熱兩者共同作用的結果。其傳熱速率與流動狀況有密切關系。況有密切關系。 考察湍流流體：考察湍流流體：流體流過固體壁面時，由于流體的粘性作用，使流體流過固體壁面時，由于流體的粘性作用，使靠近固體靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層壁面附近存在一薄滯流底層。在此薄層內，沿壁面的法線。在此薄層內，沿壁面的法線方向沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導。由于流方向沒有熱對流，該方向上熱的傳遞僅為熱傳導。由于流體的導熱系數較低，使滯流底層中的導熱熱阻很大，因此體的導熱系數較低，使滯流底層中的導熱熱阻很大，因此該層中溫度差較大，即該層中溫度差較大，即溫度梯度較大溫

6、度梯度較大。在在湍流主體湍流主體中，由于流體質點的劇烈混合并充滿漩渦，因中，由于流體質點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，此湍流主體中溫度差及溫度梯度極小，各處的溫度基本相各處的溫度基本相同同。在湍流主體與滯流底層的在湍流主體與滯流底層的過渡層中過渡層中，熱傳導和熱對流均起，熱傳導和熱對流均起作用，在該層內作用，在該層內溫度發生了緩慢的變化溫度發生了緩慢的變化。TtTwtwTsts圖示即為溫度在湍流流圖示即為溫度在湍流流體中的分布情況。體中的分布情況。1、層流底層、層流底層 對流傳熱的熱阻主要集中在滯對流傳熱的熱阻主要集中在滯流底層中，因此，減薄滯流底層的流底層中，因此

7、，減薄滯流底層的厚度是強化對流傳熱的重要途徑厚度是強化對流傳熱的重要途徑。2、有效膜、有效膜 物理模型物理模型 層流層流 過渡過渡 紊流紊流主體溫度可以測量主體溫度可以測量壁面溫度可以測量壁面溫度可以測量但是界面出溫度沒法測量但是界面出溫度沒法測量Tbtb 對流傳熱系數對流傳熱系數據前分析，對流傳熱是一復雜的過程，包括流體中的熱傳導、熱對流據前分析，對流傳熱是一復雜的過程，包括流體中的熱傳導、熱對流及壁面的熱傳導過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程及壁面的熱傳導過程，因而影響對流傳熱速率的因素很多。由于過程復雜，進行純理論計算是相當困難的，故目前工程上采用半經驗方法復雜

8、，進行純理論計算是相當困難的，故目前工程上采用半經驗方法處理，將許多復雜影響因素歸納到比例系數處理，將許多復雜影響因素歸納到比例系數內。內。.1 對流傳熱速率方程對流傳熱速率方程將湍流主體區和滯流底層的溫度梯度將湍流主體區和滯流底層的溫度梯度曲線延長，其交點與壁面距離為曲線延長，其交點與壁面距離為，此此膜層稱為虛擬膜或有效膜。膜層稱為虛擬膜或有效膜。 湍流主體區 過渡區滯流底層虛擬膜 說明這是一集中了全部傳熱溫差以導說明這是一集中了全部傳熱溫差以導熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為熱方式傳熱的膜層，其溫度梯度為 牛頓冷卻定律說明說明1. 取平均值在換熱器中，局部對流傳熱系數隨管長而變

9、化，但在工程計算中，常使用平均對流傳熱系數，一般也用h表示，此時牛頓冷卻定律可表示為： Q= St式中： Q 對流傳熱速率，W； S 總傳熱面積；m2； t 流體與壁面(或反之)間溫度差平均值，； 平均對流傳熱系數，W/(m2 ) 。 2.牛頓冷卻定律的具體表達方式與實際換熱情況有關換熱器的傳熱面積有不同的表示方法，流體的流動位置不同，牛頓冷卻定律有不同的寫法。如：熱流體、管程：dQ= i(Tb-Ts)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，對流傳熱系數可見，對流傳熱系數是和傳熱面積及溫度是

10、和傳熱面積及溫度差相對應的差相對應的.2 對流傳熱系數對流傳熱系數定義式一：定義式一：據牛頓冷卻定律得即：在單位溫度差下，對流傳熱系數在數值上等于由對流在單位溫度差下，對流傳熱系數在數值上等于由對流傳熱的熱通量傳熱的熱通量。但該式并未揭示出影響對流傳熱系數或對流傳熱速率的因素，所以無法通過此式計算對流傳熱系數 。定義式二：定義式二： = l/層流底層厚度 l：與流體種類有關，并與溫度有關層流底層厚度：與流體狀態有關分析第二類保溫熱傳導問題，臨界直徑的問題。分析第二類保溫熱傳導問題，臨界直徑的問題。 對流傳熱的計算，實際是如何求對流傳熱系數物理意義：當溫度差為1時4.4.4 對流傳

11、熱系數關聯式 對流傳熱過程的量綱分析對流傳熱過程的量綱分析一、對流傳熱的分類一、對流傳熱的分類 強制對流 無相變 自然對流對流傳熱 冷凝 有相變 沸騰 4.4.4 對流傳熱過程的量綱分析對流傳熱過程的量綱分析 對流傳熱系數的影響因素對流傳熱系數的影響因素對流傳熱是流體在外界條件作用下，在一定幾何形狀、尺寸的設備中流動時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流體的種類和相變化情況氣體 無相變2.流體的物性流體的物性對影響較大的流體物性有導熱系數、粘度、比熱Cp、密度及對自然對流影響較大的體積膨脹系數。具體地： l 、Cp 、 、 3.流體的溫度流

12、體的溫度流體溫度對對流傳熱的影響表現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流等方面的綜合影響。故計算中要修正溫度對物性的影響。在傳熱計算過程中，當溫度發生變化時用以確定物性所規定的溫度稱為定性溫度。4.流體的流動狀態流體的流動狀態流體 呈湍流時，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，流體在熱流方向上基本沒有混雜作用，故較湍流時小。即： 滯流 湍流 5.流體流動的原因流體流動的原因自然對流：由于流體內部存在溫度差，因而各部分的流體密度不同，引起流體質點的相對位移。強制對流：由于外來的作用，迫使流體流動。 自然對流 強制對流 對流

13、傳熱過程的對流傳熱過程的l量綱分析量綱分析6.傳熱面的形狀、位置和大小傳熱面的形狀、位置和大小傳熱壁面的幾何因素對流體沿壁面的流動狀態、速度分布和溫度分布都有較大影響，從而影響對流傳熱。如流體流過平板與管內的流動就不同，在自然對流時垂直熱表面側的流體就比水平熱表面下面的流體自然對流條件要好。因此必須考慮傳熱面的特定幾何條件對傳熱的影響，一般采用對對流傳熱有決定性影響的特征尺寸作為計算依據，稱為定性尺寸。 由于影響對流傳熱系數的因素眾多而復雜，因此不可能用一個通式來描述，為此首先進行理論分析，將眾多的影響因素組合成若干無量綱數群(準數)，然后用實驗的方法確定這些準數間關系，從而建立相應的關聯式

14、。 本節采用白金漢法處理對流傳熱問題，適用于變量較多的情況。.1 流體無相變時的強制對流傳熱過程流體無相變時的強制對流傳熱過程步驟：步驟：1.列出影響該過程的物理量列出影響該過程的物理量據理論分析及實驗研究，知影響據理論分析及實驗研究，知影響a的因素有：定性尺寸的因素有：定性尺寸l，流流體的密度體的密度，粘度粘度，比熱比熱Cp，導熱系數導熱系數l l ，流速流速u，可將其可將其表示為：表示為： f(l, ，Cp， l l ，u)2.確定準數數目確定準數數目 定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示成一個隱定理：任何一個量綱一致的物理方程都可表示成一個隱函數的形式，即：函數的形式，

15、即： f(1, 2, 3， ，i)=0其中：其中：i=j-m i無量綱準數的數目無量綱準數的數目 j變量數變量數 m基本量綱數基本量綱數(長度長度L、質量質量M、時間時間、溫度溫度T) i=7-4=3 有三個準數有三個準數3.確定各準數的形式(1)列出各物理量的量綱(2)選擇m(即4)個共同物理量LukCplaTM33LMLMTL22TML3L(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群，即1231000033M LTM 01111f0L 000330T 01abcdefghijkmpbcdalululu CMLMLMLTLTbcaebabcdcgbcddbl l l 對 ，遵循

16、等式兩邊因次一致性原則：對質量：對長度 ：同理：對時間 ：對溫度 ：112301 1110RePrNuf(Re,Pr)pijkhmCallulaNulll 據 定理：流體無相變時強制對流傳熱時的準數關聯式.2 自然對流傳熱過程自然對流傳熱過程通過實驗進一步確定出具體的準數關聯式自然對流中，引起流動的原因是單位體積流體的升力，大小為gt，其它因素與強制對流相同，故一般函數表達式為：af(l, ，Cp， l l ， gt)方法同前，可得：321232PrNuf(Pr,Gr)pCllgtNuGrll即自然對流傳熱準數關聯式為：4.確定具體的準數關聯式通過實驗進一步確定出具體的準數關聯式

17、各準數的名稱、符合、意義如下：準數式準數式符號符號名稱名稱意義意義Nu努寒爾特準數(Nusselt)表示對流傳熱強弱程度的準數 Re雷諾準數(Reynolds)反映流體流動湍動程度的準數 Pr普蘭特準數(Prandtl)反映物性對傳熱影響的準數Gr格拉斯霍夫準數(Grashof)反映自然對流強弱程度的準數pCl223tgllu.3 應用準數關聯式應注意的問題應用準數關聯式應注意的問題對應各種不同情況下的對流傳熱的具體函數關系是由實驗確定的，在整理實驗結果及使用方程式中應注意以下問題：1.應用范圍關聯式中Re、Pr、Gr等準數的數值范圍等。2.定性溫度各準數中決定物性參數的溫度，有

18、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，需用試差法，故工程上多用第一種方法3.特征尺寸無量綱準數Nu、Re等中所包含的傳熱面尺寸稱為特征尺寸l。通常選取對流體流動和傳熱發生主要影響的尺寸作為特征尺寸。4.4.5 流體無相變時的對流傳熱系數流體無相變時的對流傳熱系數 流體在管內作強制對流1.流體在圓管內作強制湍流(1)低粘度流體(210-3Pas的氣體及大部分液體)iiii10.023RePr0.0

19、23n0.40.3Re10000(Re10000) 0.7Pr120dLL60.601ddLldtnnpiiNucd udnntll或：值與熱流方向有關，流體被加熱時，；被冷卻時，應用范圍：傳熱中規定為湍流 ，。對于的短管，需乘修正系數特征尺寸： 取管內徑 。定性溫度：21222tTTT或(2)高粘度流體0.140.81 3w0.141 30.8wiiw12120.027RePr0.027LRe10000 0.7Pr1670060dldt2 t22piiwwNucd udtTttTTTll或：應用范圍：，。特征尺寸： 取管內徑 。定性溫度：壁溫查取查取冷流體物性參數查取熱流體物性參數2.流體在

20、圓形直管內強制滯流 查取熱流體物性參數查取冷流體物性參數查取定性溫度：。取管內徑特征尺寸：。，應用范圍：2TTT2ttt 2Tttdl100)LdPr(Re6700Pr6 . 02300ReLdPrRe86. 1Nu2121wwwii14. 0w31i31313流體在圓形直管內呈過渡流 當流體在管內呈過渡狀態流動時，即2300Re100時即可能形成湍流，對流傳熱系數加大。折時即可能形成湍流，對流傳熱系數加大。折流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。流擋板的形式較多，最常用的是圓缺形擋板。(1)換熱器內裝有圓缺形擋板換熱器內裝有圓缺形擋板(缺口面積為缺口面積為25%的殼體內截面的殼體內截面)時

21、時 ，殼程流體的，殼程流體的a關聯式關聯式多諾呼法多諾呼法2TTT2ttt2Tt tdl1023RePrRe23. 0Nu2121Wwo414. 0w310.6定性溫度：道處速度。，流速取管排中最窄通取管外徑特征尺寸：。應用范圍：凱恩法(2)無折流擋板按管內強制對流公式計算，將di用管間當量直徑de代替即可。2TTT2ttt2Tt tdl101102RePrRe36. 0Nu2121Wwe4314. 0w310.55定性溫度：取當量直徑特征尺寸：。應用范圍：三、自然對流時對流傳熱系數關聯式三、自然對流時對流傳熱系數關聯式 自然對流時的對流傳熱系數僅與反映流體自然對流狀況的自然對流時的對流傳熱系

22、數僅與反映流體自然對流狀況的Gr準數及準數及Pr準數，其準數關聯式可表示為：準數，其準數關聯式可表示為：Nu(rPr)n (147頁頁 )定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術平均值。定性溫度取膜溫，即壁溫與流體平均溫度的算術平均值。式中的系數式中的系數C和指數和指數n值值 加熱表面形狀加熱表面形狀特征尺寸特征尺寸rPrCn水平圓管外徑do1041090.531/410910120.131/3垂直管或板高度L1041090.591/410910120.101/3準數關聯式計算示例準數關聯式計算示例例例4-4 一水平蒸汽管，長一水平蒸汽管，長20m，外徑為外徑為159mm，管外壁溫度管外壁溫

23、度為為120，周圍空氣溫度為，周圍空氣溫度為20，計算該管段由于自然對流，計算該管段由于自然對流散失的熱量。散失的熱量。定性溫度：定性溫度：t(120+20)/27070下空氣物性：下空氣物性：1.03kg/m3，2.0610-5Pasl l 0.0297W/mK，1/(273+70)=1/340 1/K，Pr0.694 323272521724ow9.81 (12020) 0.1591.03PrPr0.6942.01 10340 (2.06 10 )1C0.53,n40.02970.53(2.01 10 )6.63/( )0.159Qd L(t -t)6.630.159 20 (12020)

24、6621og tdGrWm KW查表，得：散熱量4.4.8 流體有相變時的對流傳熱系數流體有相變時的對流傳熱系數 蒸汽冷凝和液體沸騰都是伴有相變化的對流傳熱過程。這類傳熱過程的特點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，從而對流傳熱系數比無相變時的更大。 蒸汽冷凝傳熱其優點是：(1)飽和蒸汽具有恒定的溫度，操作時易于控制；(2)蒸汽冷凝的對流傳熱系數較無相變時大得多。這是因為蒸汽在壁面上冷凝的同時，蒸汽將迅速流到壁面補充空位，汽相主體與壁面間溫差極小，因此飽和蒸汽冷凝時汽相中幾乎無溫差存在。1.蒸汽冷凝方式蒸汽冷凝方式蒸氣冷凝時

25、，根據其冷凝液是否能夠潤濕壁面分成兩種方式：(1)膜狀冷凝：膜狀冷凝：若冷凝液能夠完全潤濕壁面，則將在壁面上形成一層連續的液膜，并向下流動。壁面完全被冷凝液所覆蓋，蒸汽只能在液膜表面上冷凝，與壁面不進行直接接觸，冷凝潛熱只能以導熱和對流的方式通過液膜傳給壁面。因蒸汽冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，因蒸汽冷凝時有相的變化，一般熱阻很小，故冷凝液膜就成為冷凝的主要熱阻。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，若冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流動，則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越則所形成的液膜愈往下愈厚，所以壁面越高，則整個壁面的平均對流傳熱系數也越高，則整個壁面的

26、平均對流傳熱系數也越小。小。冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力冷凝液潤濕壁面的能力取決于其表面張力和對壁面附著力的關系，當附著力大于表和對壁面附著力的關系，當附著力大于表面張力時則會形成膜狀冷凝。面張力時則會形成膜狀冷凝。(2)滴狀冷凝滴狀冷凝 若冷凝液不能夠潤濕壁面，則由于表面張力的作用，在壁面上形成液滴，液滴長大到一定程度后而脫落壁面，這種形式稱為滴狀冷凝。此時壁面常有大部分裸露的冷表面直接和蒸汽接觸，由于沒有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，由于沒有液膜阻礙熱流，所以其熱阻很小，因而對流傳熱系數要比膜狀冷凝高出因而對流傳熱系數要比膜狀冷凝高出510倍。倍。 滴狀冷凝雖然比膜狀冷凝傳熱效果好

27、，但在工業上很難實現，因此生產中大多為膜狀冷凝。 75. 0z75. 0275. 01z21z21nnnnnnn:n,n,nZnZ1n 的排數為各列管子在垂直方向上列管子：互相平行的單管：2.膜狀冷凝對流傳熱系數膜狀冷凝對流傳熱系數冷凝液膜的流動也可分為滯流和湍流兩種流型，判斷流型也可用Re，而Re常常表示為冷凝負荷M的函數，即：Re=f(M)。冷凝負荷M：單位時間單位長度潤濕周邊上流過的冷凝液量，kg/(ms) 設液膜流通截面積為A m2，潤濕周邊長為b m,冷凝液質量流量為W kg/s，則：(1)蒸汽在水平管(或管束)外冷凝 M4bW4AWbA4udRee管子數水平管束在垂直列上的:ntd

28、ngr725. 041o3223l(2)蒸汽在垂直管外蒸汽在垂直管外(或板上或板上)冷凝冷凝 計算步驟(試差法)假設一種流型選擇公式計算h計算熱負荷q=hoSo(ts-tw)12341233(Re2100)1.13(Re2100)0.068Lt2swrgkL trgkL ttt液膜為滯流：液膜為湍流：特征尺寸： 取垂直管或板的高度定性溫度：取膜溫wsttt計算質量流量W=q/r計算冷凝負荷M=W/b計算Re并校核3.影響冷凝傳熱的因素影響冷凝傳熱的因素 液膜兩側的溫度差：液膜兩側的溫度差：t，a 流體的物性：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，因而冷凝對流傳熱系數a越

29、大。導熱系數大也有利于傳熱，冷凝潛熱大，則在同樣的熱負荷下冷凝液減少，液膜變薄，a增大 蒸汽的流速和流向：蒸汽的流速和流向：當蒸汽流速較大時，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生一定波動，因而使a增大。若逆向流動，這種作用會阻礙液膜流動，使其增厚導致傳熱惡化。但當這種作用超過重力作用時液膜會被蒸汽帶動而脫離壁面，反而使a急劇增大。不凝性氣體的影響：不凝性氣體的影響：蒸汽冷凝時不凝性氣體將在液膜表面形成一層氣體膜，由于其導熱系數很小，使熱阻增大，a大為降低。當蒸汽中不凝性氣體含量為1%時，可使冷凝時a降低60%左右。因此在冷凝器的設計和操作中，

30、都必須考慮不凝氣的排除。冷凝壁面的影響冷凝壁面的影響： 冷凝液膜為膜狀冷凝的主要熱阻，設法減薄其厚度是強化傳熱的關鍵，最直接的方法是從冷凝壁的高度和布置方式上著手。對水平放置的列管式冷凝器，應減少垂直方向上管排的數目。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對流傳熱系數提高。 液體沸騰傳熱液體沸騰傳熱 液體與高溫壁面接觸時被加熱，并產生大量氣泡變為蒸汽液體與高溫壁面接觸時被加熱，并產生大量氣泡變為蒸汽的過程稱為液體沸騰。的過程稱為液體沸騰。這種傳熱方式由于在加熱面上不斷經歷著汽泡的形成、長大和脫離的過程，造成對壁面處流造成對壁面

31、處流體的強烈擾動，因而對流傳熱系數要比無相變時大。體的強烈擾動，因而對流傳熱系數要比無相變時大。化工中常用的蒸發器、再沸器、蒸汽鍋爐等，都是通過液體沸騰而產生蒸汽。液體在加熱表面上沸騰時，按其沸騰所處的空間可分為大大容器沸騰和管內沸騰。容器沸騰和管內沸騰。大容器沸騰是指加熱面被沉浸在無宏觀流動的液體表面下所產生的沸騰，這種情況下汽泡脫離表面后能自由浮升，液體的運動只是由自然對流和氣泡體的運動只是由自然對流和氣泡擾動引起。擾動引起。當液體以一定流速在加熱管內流動時的沸騰稱為管內沸騰，管內沸騰，此時產生的汽泡不能自由浮升，被迫與液體一起流動，也稱為強制對流沸騰強制對流沸騰。1大容器飽和沸騰曲線大容

32、器飽和沸騰曲線 at=tw-tsA自然對流B B泡狀沸騰CDEF膜狀沸騰(2)BC段 當t繼續加大，加熱表面上開始形成汽泡，在汽泡形成和脫離壁面的過程中，壁面附近流體產生大的擾動，故a隨t急劇上升。隨著t的進一步增大，汽化核心數增多，傳熱增強。但汽泡的增多，使部分汽泡在脫離加熱面之前便相互連接，形成一片片汽膜，把加熱面和液體隔開，產生附加熱阻削弱了傳熱。因此a隨t增大達到C點時，由于汽化核心增多加強傳熱的影響與汽泡覆蓋表面削弱傳熱的影響相互抵消，在該點出現a的最大值。BC段的沸騰稱為泡狀沸騰，C點稱為臨界點。 (1)AB段當t0K)就會不斷向空間輻射出各種波長的輻射能。物體在一定溫度下，單位表

33、面積、單位時間內所能發射出物體在一定溫度下，單位表面積、單位時間內所能發射出的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力，的全部波長范圍的總能量，稱為該溫度下物體的輻射能力，用用E表示，單位表示，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的能力，物體發射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用物體發射特定波長的能力稱為單色輻射能力，用Ek表示，表示，單位單位W/m2m。E的大小不僅與波長及溫度有關，而且與物體的性質有關，于是在一定溫度下物體的輻射能力可表示為：對于黑體，其輻射能力Eb則可表示為： 0dEE0bbdEE.2 普朗克普朗克(MPlanck)定律定律 普朗

34、克定律揭示了黑體的輻射能力按照波長的分配規律，即表示黑體單色輻射能力Eb和波長、熱力學溫度T之間的函數關系，計算式為：式中： k 波長，m； T 黑體的絕對溫度，K； C1普朗克第一常數，3.74310-16 m2； C2普朗克第二常數，1.438710-2 mK。 1ecETc51b2 不同溫度下，Eb作圖，如圖示，每個溫度有一條能量分布曲線。在指定溫度下，黑體輻射各種波長的能量是不同的。但在某一波長可達到 Eb的最大值。在不太高的溫度下，輻射主要集中在波長為0.810m的范圍內。.3 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茨曼波爾茨曼(JStefan-D.Boltzman)定律定律 斯蒂芬-波爾

35、茨曼定律揭示了黑體的輻射能力與其表面溫度的關系：式中： 0黑體的輻射常數，5.6710-8 W/(m2K4) C0黑體的輻射系數，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。4o40bTc51b0bb100TCTE1ecEdEE2實驗證明，斯蒂芬-波爾茨曼定律也可以應用到灰體，此時定律的數學表達式為： 式中：C灰體的輻射系數，W/(m2K4)，不同物體的C值不同，它取決于物體性質，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

36、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、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，一般通過實驗測定。常用工業材料的黑度列于書中表5-6。 4100TCE4oob100TCECCEE.4 克希霍夫克希霍夫(Kirchhoff)定律定律 克希霍夫定律揭示了物體的輻射能力克希霍夫定律揭示了物體的輻射能力E與吸與吸收率收率A之間的關系。之間的關系。設有相距很近的平行平板1和2，從一板發射的輻射能可全部投射到另一平板上。板1：實際物體(灰體)，E1、A1、T1板2：黑體，Eb、A2(=1)、T2T1

37、T2,板間介質為透熱體，系統與外界絕熱12E1EbA1Eb(1A1)Eb因板2為黑體，板1發射出的E1被板2全部吸收。板2發射出的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。對板1，輻射傳熱的結果為： q/s=q發射/s-q接收/s=E1+(1-A1)Eb-Eb=E1-A1Eb輻射傳熱達到平衡時，即T1=T2 A時，q/s=0b11b11EAEEAE實際上板1可用任何板代替，則上式可寫成：上式稱為克希霍夫定律，它表明任何物體的輻射能力與其吸任何物體的輻射能力與其吸收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物體收率的比值恒等于同溫度下黑體的輻射能力，并且只和物

38、體的絕對溫度有關。的絕對溫度有關。根據克希霍夫定律： 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灰體的吸收率在數值上等于同溫度下該物體的黑度值上等于同溫度下該物體的黑度。因此若測定出了物體的黑度，即可知其吸收率和輻射能力。但A、物理意義不同 ：A：吸收率，表示由其它物體發射來的輻射能可被該物體吸收的分數；：黑度，表示物體的輻射能力占黑體輻射能力的分數因物體的A測定比較困難，工程計算中常用代替。)T(f100TCEAEAEAEAE40b332211 4.5.2 兩固體間的輻射傳熱兩固體間的輻射傳熱 工業上常遇到兩固體間的相互熱輻射，可近似按灰體

39、處理，故較復雜。兩固體間輻射傳熱的凈傳熱量與兩物體的溫度、形狀、相對位置以及物體本身性質有關。 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 12E1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 + )R2E1R22R12E1R2R1E1R22R1E1R23R12E1R23R13E1R24R13

40、E1板2輻射總能量： (q/s)2=(E2+R2R1E2+R22R12E2+ )- (R1E2+R2R12E2+R22R13E2+ ) = (E2-E2R1)(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + ) =E2A1(1+R2R1+R22R12 +R23R13 + )板1向板2傳遞的凈輻射熱通量：12E2R2R12E2R1E2R2R1E2R22R12E2R22R13E2R23R13E2R23R14E22121122121122121122121222121122221212121AAAAAEAE)A1)(A1 (1AEAERR1AERR1AE)RRRR1 (AE)RRRR1 (AE) s/q( 42412121424121424111o21221142022410112121122121100T100TSCqS100T100TC100T100T111C)sq(AA100TCE100TCEAAAAAEAE)sq(，則輻射傳熱速率為：若平行平板的面積均為 考慮幾何因素考慮幾何因素當兩壁面間距離與表面