1.“环境工程学”的主要研究对象是什么？

污染物有哪些可能的方法？它们的技术原理是什么？

简述废物资源化的技术体系。

阐述环境净化与污染控制技术原理体系。

一般情况下，污染物处理工程的核心任务是：利用隔离、分离和

（或）转化技术原理，通过工程手段（利用各类装置），实现污染物的高

效、快速去除。试根据环境净化与污染防治技术的基本原理，阐述实现污

染物高效、快速去除的基本技术路线。

第二章质量衡算与能量衡算

．什么是换算因数？英尺和米的换算因素是多少？

．什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？

质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。

．大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明

该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。

．平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流

速范围为多少？第二节质量衡算

进行质量衡算的三个要素是什么？

简述稳态系统和非稳态系统的特征。

界层的特征为：⑴边界层厚度δ与壁的尺寸l相比是极小值；⑵边界层内壁面法线方向速度变化率最大，即

?ux?y很大；⑶边界层

流动状态分为层流与紊流，而紊流边界层内，紧贴壁面处仍将是层流，称为层流底层；⑷流场可以划分为两个区：边界层区和主流区。边界层区是流体粘性起作用的区域，它的运动可由粘性流体运动微分方程描述。主流区速度梯度为0，可视为无粘性的理想流体，它的运动由伯努利方程描述。

以上四点就是边界层理论的基本论点。

7、流动边界层的意义是指什么？热边界层的意义是什么？边界层厚度是怎样定义的？

答：流动边界层的意义是指流体经壁面时，由于流体的粘性，使流体在靠近壁面处产生了较大的流速的变化，这个区域就是流动边界层，在流动边界层中粘性起作用。热边界层是指流体流经壁面时，由于流体的导热性能以及流体的温度与壁温的不同，使流体在靠近壁面处产生了较大的温度变化，这个区域称热边界层。流动边界层厚度是指速度达到主流速度的99%的点到壁面的距离。温度边界层厚度是指边界层中温度达到主流温度的99%的点到壁处面的距离。

8、分别说明强化单相对流换热、沸腾换热和膜状凝结换热的基本途径。

答：强化单相对流换热主要途径是通过各种措施来减薄层流底层的厚度。强化沸腾换热的主要途径是增加传热面上的汽化核心和汽泡产生的频率。强化膜状冷凝换热主要途径是降低冷凝液膜的厚度。

9、在层流边界层和紊流保边界层中的热量传递有何区别？

答：对于层流边界层，壁面法线方向的热量传递靠导热方式，边界层内温度分布呈抛物线。对于紊流边界层，层流底层的热量转移靠导热，而在底层之外的紊流区，除导热方式之外，主要靠涡旋扰动的对流混合作用，边界层内的温度分布在底层区较陡斜，而在紊流区变化平缓呈正截抛物线形式。

10、确定对流换热系数h有哪些方法？试简述之。

答：求解对流换热系数的途径有以下四种:(1)建立微分方程组并分析求解___应用边界层理论，采用数量级分析方法简化方程组，从而求得精确解，得到了Re，Pr及Nu等准则及其准则关系，表达了对流换热规律的基本形式。(2)建立积分方程组并分析求解___先假定边界层内的速度分布和温度分布然后解边界层的动量和能量积分方程式求得流动、热边界层厚度，从而求得对流换热系数及其准则方程式。以上两法目前使用于层流问题。(3)根据热量传递和动量传递可以类比，建立类比律，借助于流动摩擦阻力的实验数据，求得对流换热系数。此法较多用于紊流问题。(4)由相似理论指导实验，确定换热准则方程式的具体形式。提供工程上常用准则方程式，求解准则关联式得到对流换热系数。

11、导温系数和导热系数对对流换热系数的影响有什么不同？

答：导热系数λ值增大，对换热有利。因为λ大，边界层(特别是层流底层)内的热阻减小，从而增大换热系数。导温系数a值增大，对换热不利，因为a的增大，使温度分布均匀，减少边界层内的温度梯度，从而减小换热系数。

12、对于不可压缩流体沿平板受迫流动时的稳态换热现象，需要哪些微分方程式来描述？

答：对流换热现象涉及流体运动和换热两个方面，它可以用一组微分方程式来描述。其中对流换热微分方程是直接用来求解对流换热系数的方程，它把换热系数同壁面上流体的温度梯度关联起来，只要求得温度梯度，就可用它来求h。但为了确定温度梯度，必须知道流体内的温度分布规律，即温度场。为求取温度场，则必须事先解出流体内的速度分布规律，即速度场。速度场由流体运动微分方程和连续性方程求解确定。温度场则由能量方程解得。这四个方程总称为对流换热微分方程组。

13、何谓定型尺寸？通常如何选择？

答：在无因次准则数中所包含的换热面尺寸叫做定型尺寸。通常是选取对流体运动和换热发生主导影响的尺寸作为定型尺寸，例如管内受迫流动换热过程则取内径di，管外受迫流动换热过程则取外径do，对非圆形管道取当量直径de。

14、何谓定性温度？通常如何取法？

答：在无因次准则数中的物性参数λ、α、ρ(ν)、cp等是随流体温度而变化。用于决定这些物性的温度称为定性温度。定性温度的取法大致有以下三种：

(1)流体的平均温度：ｔf=(tf’+tf”)/2；(2)壁面的平均温度：ｔw；(3)流体和壁面的平均温度：ｔm=(tw+tf)/2； 15、雷诺类比的主要假设，以及雷诺类比律适用条件。

答：雷诺类比建立在一个简化了的模型基础上，即视边界层为一层结构紊流模型，不论边界层内流动是层流还是紊流均遵守雷诺类比方程：，雷诺类比律St=Cf/2只适用于:(1)Pr≈1的流体；(2)流体阻力只有摩擦阻力的场合(不包括形状阻力)，因此只适用于管内流动以及没有边界层脱离的外掠流动。

16、什么样的现象是同类现象？什么样的现象是相似现象？

答：凡描述现象的微分方程组的形式和实质内容都相同的现象是同类现象。单值性条件相似，同名已定准则相等的同类现象是相似现象。

17、定义普朗特数，为什么它是很重要的？

答：普朗特数是运动粘度与导温系数之比，即Pr=ν/a。首先，它的数值只与流体的物性有关，反映了流体的重要物性，即反映了流体传递动量与传递热量的能力的相对大小。对于纵掠平板的层流换热情况，若其流动边界层和热边界层从同一点开始发展，则当Pr=1时δ=δt，当Pr>1时δ>δt，当Pr＜1时δ＜δt。

18、写出自由流动换热的准则关系式(幂函数形式)。

19、什么叫相似倍数？什么叫相似准则？举例说明它们之间的联系和差别。 答：一个物理现象中的任一物理量y1和另一同类物理现象中的相对应同类物理量y2成比例，

其比例系数Cy=y1/y2称之为相似倍数。用以判断现象相似的无量纲数称之为相似准则。举例:一组三角形彼此几何相似。

其中a1/a2=b1/b2=Cl称之为相似倍数(1)；a1/b1=a2/b2=Ll称之为相似准则(2)。式(1)表示两个三角形相似的性质一对应边成比例。揭示现象相似的性质。式(2)表示一个三角形中的某个无量纲量必然与相似现象中的对应的无量纲量相等。揭示现象(三角形)相似的充分和必要条件。

20、、何谓对流换热微分方程式，试说明其用途。

答：根据傅立叶定律和牛顿冷却公式推导出来：梯度

式，称为对流换热微分方程式。该式说明只要知道了壁面处流体温度

，就可以确定对流换热系数。

21、采用一个缩小的模型来研究某大型设备中的流动和传热规律。如果保持模型中的工质温度和流速与大型设备相同，那么模型中的实验结果能否直接反映大型设备的规律？为什么？

答：此实验结果不能反映大型设备中的规律。虽然工质，温度，流速相同，但已定同名准则Ra不相等，则两现象不相似，所以其实验结果不能应用到大型设备中去。

22、有若干个同类物理现象，怎样才能说明其单值性条件相似。

答：所谓单值条件是指包含在准则中的各已知物理量，即影响过程特点的那些条件──时间条件，物理条件，边界条件。所谓单值性条件相似，首先是时间条件相似(稳态过程不存在此条件)。然后，几何条件，边界条件及物理条件要分别成比例。

23用同一准则方程描写的现象是否彼此相似，为什么？

答：用同一准则方程描写的现象彼此之间并不一定相似。因为准则方程式反映的是一类现象中无数相似现象组之间具有相同的规律。只有当其中的已定同名准则相等的一个现象组所描述的各现象之间才彼此相似。

24、何谓已定准则？何谓待定准则？稳定对流换热现象中哪些是已定准则，哪个是特定准则。

答：完全由单值性条件给出的物理量所构成的相似准则称之为已定准则。在所包含的物理量中具有待定的未知量的相似准则称之为待定准则。在稳态对流换热现象中，Re数Gr数和Pr数均为已定准则。Nu数为待定准则。

25、为什么要把实验结果整理成无因次的函数关系？用无因次量描写物理现象的场有什么好处？

答：用无因次量描写现象，其最大优点就是使所有相似的场能够完全重合。所以，必须把实验结果整理成无因次的函数形式，才能把从个别实验中得结果应用到相似的现象上去。

26、试讨论壁面粗糙度对对流换热的影响。

答：对于层流，层流厚度大于粗糙凸起的高度，凹处流动情况不良，对流作用减弱，虽然粗糙点也扩大了换热面积，则综合起来，粗糙度与换热无关。对于紊流，若粗糙凸起的高度与层流底层的厚度相差不多，对于换热也无影响。当粗糙度高于层流底层的厚度，流体越过凸出点，将在凹处引起涡流。使凹处流动得到改善，加上粗糙点扩大了换热表面积，则增强换热。

27、水在a、b两根长光滑管内受迫流动换热，已知流速wa=1.5m/s，wb=2m/s；管径da=40mm，db=15mm，两管内温度场完全相同，

且水的运动粘度νa=νb=0.805×10m/s。问两管内的对流换热现象是否相似？为什么？

解(1)：a、b两者均是管内受迫流动紊流换热，但因同名已定准则Rea≠Reb，所以两对流换热现象不相似。

解(2)：对于管内受迫紊流换热，有Nu=f(Re，Pr)，因为Rea≠Reb，所以Nua≠Nub。故两管内对流换热现象不相似。 28、对管内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?

答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”，从而强化换热。而对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热。

29、其他条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪个的表面传热系数大，为什么？

答：横向冲刷时表面传热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，而横向冲刷时热边界层薄且存在由于边界层分离而产生的旋涡，增加了流体的扰动，因而换热强。

第七章、凝结换热与沸腾换热

主要包括：凝结换热的基本特点、影响因素及其强化；沸腾换热的基本特点等。 1．沸腾换热

大空间饱和沸腾(也称为池沸腾)是研究的重点，其中又以核态沸腾和膜态沸腾两种形态为主。汽泡的发生、发展、跃升并脱离加热表面的过程对池沸腾换热的强度起决定性作用。理解水的沸腾曲线和各参数之间的相互关系将有助于掌握沸腾的基本特征。值得特别注意的是所渭临界热流密度(CHF)，以及通过调整壁面热流密度来控制沸腾过程的时候容易引起的超温问题。

核态沸腾表面传热系数的计算关系式很多，形式差异较大，计算结果误差甚至可能达到100％。对加热表面状况的定量描述始终是沸腾研究的难点，也是重点之一。目前常采用的办法仍以根据实验得出的经验常数为主。确定临界热流密度对给出实际沸腾运行工况点提供了有益的参照。计算膜态沸腾则必须注意与辐射传热方式相结合。

管内对流沸腾换热在工业上用途广泛、意义重大，但是其两相流动状态和传热机理太过复杂。多组分混合液体核态沸腾受质量传递(浓度扩散)的影响很大，汽泡成长减慢，表面传热系数比单组分低得多。

影响大空间饱和核态沸腾的主要因素包括：液体的热物性(粘度、密度、表面张力、汽化潜热和比热容等)，加热表面的材料和表面状况，液体的压力，加热面的大小和朝向，液位以及不凝气体的含量等。

表面凝结有两种基本形态――膜状凝结和珠状凝结，后者的表面传热系数大大高于前者，但在工业设备中实际发生的都是膜状凝结。 努塞尔竖壁膜状凝结理论解揭示了层流膜状凝结的换热以通过膜层的导热为主的本质，这无疑为强化膜状凝结换热指明了方向。 沿竖壁或竖管的膜状凝结液膜也可能发展成湍流，使表面传热系数得以明显提高。判断凝结液膜流动状态仍然用雷诺数，但其表达式和单相对流时很不一样。凝结液膜从层流转变到湍流的临界雷诺数等于1600。

管内凝结换热在工业上有很广泛的用途。和管内沸腾―样，它也与两相流的流型及表面状况等因素有关，是一个比较复杂的问题。

多组分混合物的膜状凝结同样频繁地出现在化工和制冷等重要的应用领域里。和多组分沸腾相同，它的表面传热系数也明显地低于单一组分时。

影响膜状凝结换热强弱的主要因素包括不凝气体含量、蒸气的流速与方向(汽液界画上的切应力)以及凝结表面的状况。

珠状凝结迄今为止仍是实验室里的研究课题，主要目标在于形成并维持长期稳定的珠状凝结状态。采用的方法不外乎改变凝结表面状况或者改变凝结液的物性。

强化核态沸腾的基本着眼点在于设法增加活化核化点的数目。为此主要通过对加热表面的改性处理，如多孔表面、人工粗糙表面或涂层等措施来实现。管内沸腾换热的强化则大都采用各种内肋或者内螺纹管。

强化膜状凝结换热的出发点在于促进液膜的排泄以尽可能地使液膜厚度减薄。格雷戈里格效应管是实现这一想法的良好典范。后来研制的各种膜状凝结强化管大都是其思想的延续和发展。值得注意的是，近年来对双面同时强化的技术和元件的研究日益受到重视和推祟。

热管是一种构思巧妙的高性能传热元件，要根据使用场合的具体情况正确地选择热管工质，并安排外部的换热结构。对于冷源、热源均为气体，或者是液体的情况，主要的传热热阻显然都在外部。

1、饱和沸腾：在一定压力下沸腾液体的主体温度(tf)为饱和温度(ts)，而壁面温度(tw)大于ts时所进行的沸腾。 2、过冷沸腾：在一定压力下沸腾时，流体主流温度tf低于该压力下对应的饱和温度ts时所产生的沸腾。 填空题

1、蒸汽沿壁面作膜状凝结时，蒸汽中若含有不可凝气体，凝结放热系数会_降低_，液膜附近的不凝气体的分压力_大__于离壁面较远处不凝气体分压力。

2、层流膜状凝结放热的主要热阻是__液膜的导热热阻__。

3、蒸汽在n≤25排水平管束上冷凝时，n排管束的平均放热系数比(n-1)排管束的平均放热系数_小__，n排管束的平均放热系数为(n-1)排的__[(n-1)/n]1/4_倍。

4、蒸汽遇冷壁面凝结的两种形式为__膜状凝结_和__珠状凝结__。

5、对流沸腾与泡状沸腾的区别是_前者的沸腾温差很小，热流通量较低，壁上即使产生汽泡也不能脱离与上浮__。

6、沸腾放热过程是与汽泡的产生和脱离密切相关的，由蒸汽泡上力的平衡式可以看出，汽泡产生必须具备的条件是：(1)_液体主体温度有一定的过热度_，(2)_核化点_。

7、大空间沸腾状态有_对流沸腾_、__泡态沸腾__和_膜态沸腾__。

8、由于_表面张力_的关系，液体沸腾时，汽泡内的压力大于汽泡外液体的压力。 1、要想增大一个卧式冷凝器的传热面积，从传热的角度看，适宜增加_______。(c) (a)管子直径；(b)管子数目；(c)管子长度。

2、蒸汽在水平管束外表面膜状凝结换热时，第一排管子的平均换热系数_______。(b) (a)最小；(b)最大；(c)与其他各排的一样

3、下列三类对流换热过程中，_______的对流换热系数为最大。(c) (a)水在竖直管内作紊流流动时的换热；(b)空气在竖直管内作紊流流动时的换热；(c)饱和水在竖直管内作紊流流动时的泡态沸腾换热。

1、两滴完全相同的水滴在大气压下分别滴在表面温度为120℃和400℃的铁板上，试问哪块板上的水滴先被烧干，为什么? 答：在大气压下发生沸腾换热时，上述两水滴的过热度分别是℃和℃，由大容器饱和沸腾曲线，前者表面发生的是核态沸腾，后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小，但其表面传热系数大，从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。

2、为什么蒸气中含有不凝结气体会影响凝结换热的强度?

答：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面附近蒸气的分压力降低，从而蒸气饱和温度降低，使传热驱动力即温差(ts-tw)减小；另一方面凝结蒸气穿过不凝结气体层到达壁面依靠的是扩散，从而增加了阻力。上述两方面的原因使不凝结气体存在大大降低了表面传热系数，使换热量降低。所以实际冷凝器中要尽量降低并排除不凝结气体。

3、空气横掠管束时，沿流动方向管徘数越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度降低。试对上述现象做出解释。

答：空气外掠管束时，沿流动方向管徘数越多，气流扰动增加，换热越强。而蒸气在管束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大，因而换热强度降低。

4、试述沸腾换热过程中热量传递的途径。

答：半径R≥Rmin的汽泡在核心处形成之后,随着进一步地的加热,它的体积将不断增大,此时的热量是以导热方式输入,其途径一是由汽泡周围的过热液体通过汽液界面输入,另一是直接由汽泡下面的汽固界面输入,由于液体的导热系数远大于蒸汽,故热量传递的主要途径为前者。当汽泡离开壁面升入液体后,周围过热液体继续对它进行加热,直到逸出液面,进入蒸汽空间。

5、为什么说单组分饱和蒸汽膜状冷凝时热阻是由液膜决定的，汽相中是否存在热阻？

答：单组分饱和蒸汽冷凝时，除了潜热之外，在汽相内不存在显热传递，无温度梯度，即汽相无热阻。∵tδ≈ts，∴相变热阻很小，所有热阻都集中于冷凝液膜内。若液膜为层流时，膜层内的传热完全依靠导热。因此对于一定物质来说其凝结换热系数的高低就取决于膜层的厚度。一切能使膜层增厚的因素都会减弱凝结换热，一切能使膜层减薄的因素都会增强凝结换热。

6、试述蒸汽速度大小、方向对凝结换热的影响。

答：蒸汽有速度，会使蒸汽与液膜表面产生切应力。当蒸汽向上吹时，使液膜减速和增厚，导致h下降。而向下吹的蒸汽则加速膜的运动，使膜变薄，换热加强。但不论向上或向下吹，如果蒸汽速度过大，液膜将脱离壁，换热将增强。

7、为什么膜状凝结时，同一管子横放比竖放时的换热系数为大？ 答：膜状凝结时，由于受重力场的作用，凝结的液体总是沿冷却面向下流动，膜层越来越厚，壁面处的温度梯度就小，使换热削弱。由于竖管上的凝液层要比横管厚，因此蒸汽在竖管上凝结的换热强度要比横管来的小，同一管子横放比竖放时的凝结换热系数来的大。[另外，膜状凝结换热与定形尺寸成反比h∝(1/l)1/4。同一管横放定形尺寸d为竖放定形尺寸l，所以h横＞h竖，其它条件同。]

8、在什么条件下形成珠状凝结，什么条件下形成膜状凝结？为什么

珠状凝结放热大于膜状凝结放热？

所谓膜状凝结是指：凝结液能很好地润湿壁面，形成完整的膜向下流动。珠状凝结是指：凝结液不能很好的润湿壁面，凝结液将聚成一个个的液珠。凝结之所以会形成膜状和珠状两种，是因为凝液润湿壁的能力取决于凝液的表面张力和凝液对壁的附着力的关系。若附着力大于表面张力则会形成膜状凝结，反之，则形成珠状凝结。膜状凝结时，蒸汽与壁之间隔着一层液膜，凝结只能在膜的表面进行，潜热则以导热和对流方式穿过液膜传到壁上。另外，膜的厚薄及其运动状态对换热系数影响很大，因此，由于膜的影响阻碍了凝结时的有效放热。而对珠状凝结来说，有人认为潜热以导热和对流方式通过液珠传到固体壁，并认为由于液珠表面张力随温度而变化，促使珠内液体发生内循环，从而强化了珠内热量传递过程，而且液珠的传热表面积比它所占的壁面面积大很多倍，因此，珠状凝结放热大于膜状凝结放热。也有人认为珠状凝结的凝结过程主要发生在液珠之间，在那里没有液膜，蒸汽直接与壁面接触，因此凝结放热强烈。

9、试说明凝结换热系数沿凝结液流动方向的变化规律，并与自由流动换热系数的变化规律进行比较。

答：凝结换热过程凝液沿运动方向随着冷凝面高度增长积存的冷凝液越来越多，膜层就越来越厚。对于竖壁而言，边界层从顶部向下发展，当凝液处于层流为主的冷却面上，凝结换热系数h将随着h增加而减小。在到达紊流状态之后，膜层的热阻将迅速减小，随着冷凝面高度L的增加，冷凝液再增加，Re数加大，则凝结换热系数将上升(见图a)。自由流动换热过程，对于竖壁而言，边界层的厚度随加热面高度h逐步增厚，是从底部向上发展，在底部由于边界层最薄，hx最大。沿着高度L边界层增厚hx逐渐下降，直至最低值。当由层流向紊流过渡，hx又开始上升，达到相当高度之后hx不再增加(见图b)。

12、试述冷凝面高度及布置方式(竖、横管和管束)对膜状凝结换热系数h影响。

答：在膜状冷凝过程中，沿冷凝液流动方向的尺寸x增大，则沿途积存的凝液增多，液膜增厚，凝结换热系数h下降，但尺寸增大到一定程度时，液膜进入紊流，h又开始上升。一般只有在较长的竖板或竖管下部才可能进入紊流。在横管上则很难达到紊流。在管束中，冷凝液从上部各排管子流下，使下部管排液膜变厚，h降低，沿垂直方向上管排数目越多，则h下降得也越多，因此在设计冷凝器时应注意正确布置和安放冷凝面。

14、试述珠状凝结和膜状凝结的形式和特点。

答：当蒸汽与温度低于其饱和温度的壁面接触时，在壁面上就会发生冷凝。润湿性液体的蒸汽凝结时，在壁面上形成一层完整的液膜，这种形式的凝结现象称之为膜状凝结。这层液膜把蒸汽和冷壁面隔开，蒸汽凝结放出的汽化潜热必须通过这层液膜层才能传递到壁面。非润湿性液体的蒸汽凝结时，在壁面上形成凝结的液珠称之为珠状凝结。此时液珠之间总还留有较多的冷壁面可以与蒸汽直接接触，不存在凝结液膜引起的附加热阻，因此珠状凝结的换热系数较膜状凝结的换热系数要大得多。

15、什么叫泡状沸腾临界热流通量？为什么发热率一定的设备热流通量的设计值应低于临界值？

答：泡状沸腾的临界热流通量就是在沸腾由泡状过程向膜状过程转化的临界点上的热流通量。对于发热率一定的设备热流通量的设计值应低于临界值，否则由于过程向膜状沸腾转化，放热系数急剧降低，而使壁温急剧上升以致烧毁换热壁面!

16、绘图说明大容器沸腾时的沸腾曲线。

答：大容器沸腾状态随Δt=tw-ts的变化大致可分为四种状态：

A─B：沸腾温差较小，热流通量较低，看不到沸腾景象，热量靠自由流动传递给液体，蒸发在液体表面进行，称对流沸腾。

B─C：壁上产生大量汽泡，并随Δt的增加，产生的汽泡越来越多。液体此时有一定的过热度，故可继续加热通过液体层的汽泡，使之膨胀，直到逸出水面，由于大量汽泡的迅速生成和它的激烈运动，使换热系数和热流通量急剧增大，称泡态沸腾。

C─D：此过程由于生成的汽泡太多，以致在加热面上产生汽膜，但还不稳定，会突然裂开，变成大汽泡离开壁。由于汽膜阻碍了传热，故h急剧下降至D点，壁面完全被汽膜覆盖此时h最小，称膜态沸腾。

D─E：此时由于壁温过高，辐射热量随绝对温度四次幂急剧增加。

17、当液体处于大空间过冷沸腾时，在一般情况下，汽泡能跃离自由液面产生蒸汽吗？为什么？

答：一般不能跃离自由液面产生蒸汽。因为，液体的主体温度低于沸腾压力下的饱和温度，脱离壁面的汽泡在上浮的过程中由于低温凝结而消失，一般不能上浮到自由液面而跃离自由液面产生蒸汽。

18、如何区分泡态沸腾和膜态沸腾？

答：泡态沸腾过程为加热面的各个汽化核心上以一定频率产生汽泡，而膜态沸腾为在加热面与液体之间存在着的一层汽膜，壁面以上的热量通过汽膜的导热和辐射而到达液体，使液体不断的汽化。

19、试说明生成汽泡的必要条件。

答：分析一个汽泡在液体内存在的条件，可知汽泡内部的压力Pv必须高于周围液体的压力Pl，即Pv-Pl=2σ/r。 汽泡产生必需具备下列两条件：

(1)液体必须过热。一定的压力对应于一定饱和温度。汽泡内的压力Pv既然高于周围液体的压力Pl，那么它的饱和温度tv必然高于周围液体压力Pl所对应的饱和温度ts。汽泡形成和长大都需要从周围液体吸收热量，则要求液体的温度ts至少不低于汽泡内蒸汽的温度tv，即液体必须过热，即：tl>ts。

(2)汽泡的形成需要有汽化核心。由上式知若r=0，则形成汽泡时压力Pv必需无穷大，那是不可能的。所以只有加热面的空穴等处的汽化核心上才能产生。在一定的过热度下，只有大于一定直径r0的空穴上才能成为汽化核心(核化点)。

20、什么是汽化核心(核化点汽化中心)？为什么沸腾必须有汽化核心？哪些因素对汽化核心有影响？

答：孕育汽泡生长的汽泡核称为汽化核心(核化点)。根据在液内汽泡存在的条件ΔP=Pv-Pl=2σ/r知，汽泡产生的条件之一，汽泡的形成需要有汽化核心。汽化核心主要是加热面上空穴中所包含的气体或蒸汽。从式中知，汽化核心上孕育汽泡的初始半径rv愈小，则形成汽泡所需的初压愈大，即要求液体有更高的过热度才能产生汽泡，因此在一定的过热度下，只有大于一定直径的空穴上才能产生汽泡，形成汽化核心，此直径称为这个过热度下的临界直径。随着过热度的增加，临界直径减小，更小的空穴可成为汽化核心，从而沸腾变得更激烈。由Pv-Pl=2σ/r可见一个汽泡长大所需的压力差是同它的半径r成反比的，半径越小的汽泡就需要较大的压力差。

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1、化工原理化工原理principles of chemical engineering第六章第六章 传热总结传热总结延安大学化学与化工学院延安大学化学与化工学院第六章第六章 传热传热第一节第一节 概述概述第二节第二节 热传导热传导第三节第三节 对流给热对流给热第四节第四节 沸腾给热与冷凝给热沸腾给热与冷凝给热第五节第五节 热辐射热辐射第六节第六节 传热过程的计算传热过程的计算第七节第七节 换热器换热器6.1.1 传热过程在化工生产中的应用传热过程在化工生产中的应用 第一节第一节 概述概述1、原料、产品的加热和冷却、原料、产品的加热和冷却一、传热的目的一、传热的目的2、设备或管道需要、设备或管道需

2、要保温和隔热保温和隔热，节省能源，降低生产成本，节省能源，降低生产成本3、废热能和冷量的回收再利用、废热能和冷量的回收再利用二、传热过程中冷热流体的接触方式二、传热过程中冷热流体的接触方式1、直接接触式传热、直接接触式传热2、间壁式传热、间壁式传热3、蓄热式传热、蓄热式传热 冷流体热流体热流体冷流体 蓄热式换热器示意图蓄热式换热器示意图 三、载热体及其选择三、载热体及其选择载热体：载热体：为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体为将冷流体加热或热流体冷却，必须用另一种流体 供给或取走热量的流体供给或取走热量的流体对载热体要求：对载热体要求：1.1.载热体的温度应易于调节载热体的温度应易于调

3、节2.2.载热体的饱和蒸汽压宜低，加热时不会分解载热体的饱和蒸汽压宜低，加热时不会分解3.3.载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本没有腐蚀载热体毒性要小，使用安全，对设备应基本没有腐蚀4.4.载热体应价格低廉而且容易得到载热体应价格低廉而且容易得到6.1.2 传热过程传热过程一、传热速率一、传热速率AQq 1.热流量热流量Q 表示换热器传热的快慢表示换热器传热的快慢 单位时间内热流体通过整个换热器的传热面，传递给单位时间内热流体通过整个换热器的传热面，传递给冷流体的热量。冷流体的热量。单位：单位：w w2.热通量热通量q单位时间、通过单位传热面积所传递的热量。单位时间、通过单位传热面积所传递

4、的热量。单位：单位：w/mw/m2 2 三、稳态传热与非稳态传热三、稳态传热与非稳态传热 稳态传热：稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处传热过程中，如果传热系统中各处温度温度只随位置而变，只随位置而变， 而不随时间而变，而不随时间而变，称此过程为稳态传热过程。此时，热称此过程为稳态传热过程。此时，热 流量流量Q为常数为常数。 非稳态传热：非稳态传热：传热过程中，如果传热系统中各处传热过程中，如果传热系统中各处温度及有关物理温度及有关物理 量（如量（如Q、q等）随时间而变等）随时间而变，称此过程为非稳态传，称此过程为非稳态传 热过程。热过程。物体中的物体中的分子或质点不发生宏观位移分子或质点

5、不发生宏观位移。1 1、热传导、热传导二、传热的基本方式二、传热的基本方式流体中流体中质点的位移和混合质点的位移和混合而引起的热量传递过程。而引起的热量传递过程。2 2、对流给热、对流给热 仅发生在液体和气体中仅发生在液体和气体中特点：特点：流体中质点有相对的宏观位移流体中质点有相对的宏观位移3 3、热辐射、热辐射 热辐射是以热辐射是以电磁波电磁波的形式发射的一种的形式发射的一种辐射能辐射能，辐射能被，辐射能被物体物体全部或部分的吸收全部或部分的吸收而而变为热能变为热能。一、一、温度场温度场 稳态温度场：稳态温度场： ),(zyxft ),(zyxft 非稳态温度场：非稳态温度场：6.2.1

6、傅里叶傅里叶(Fourier)定律和热导定律和热导率率 第二节第二节 热传导热传导 二、等温面二、等温面三、温度梯度三、温度梯度ntnttn0lim gradttttntnnAd法向法向等温面等温面等温面、温度梯度与热流方向等温面、温度梯度与热流方向 tqn 四、傅里叶四、傅里叶(Fourier)定律定律 热传导的基本定律热传导的基本定律式（式（6-5）注：注：热流方向与温度梯度方向相反热流方向与温度梯度方向相反五、热导率五、热导率qtn 单位，单位， W/(mK)或或 W/(m0C) 表示表示物质导热能力的强弱物质导热能力的强弱，是物质的一种物理性质；，是物质的一种物理性质； = f（物质的

7、结构、组成、密度、温度、压强、湿度等）（物质的结构、组成、密度、温度、压强、湿度等） 6.2.2 通过通过平壁的定态导热过程平壁的定态导热过程 t1txdxAt2t1 t2=ttQRA推动力阻力: RA其中导体的热阻导体的热阻K/W式（式（6-10）QtqA式（式（6-9）平壁内平壁内温度温度沿壁厚呈沿壁厚呈直线关系直线关系（为常数为常数）Q一、单层平壁的稳态热传导一、单层平壁的稳态热传导二、多层平壁的稳态热传导二、多层平壁的稳态热传导t1t211tt3稳态传热稳态传热QQQQtttQ A A

8、3 通过通过圆筒壁的定态导热过程圆筒壁的定态导热过程 一、单层圆筒壁的热传导一、单层圆筒壁的热传导=mtQA推动力阻力式（式（6-15）mmAd l式（式（6-16）221dddmd2/d12时时，dm取取对数平均值对数平均值1212lndddddm单层圆筒壁的导热热阻单层圆筒壁的导热热阻mRAd2/d1104, b.

9、性温度：除黏度定性温度：除黏度w w取壁温外，其余均取流体取壁温外，其余均取流体 进、出口温度的平均值进、出口温度的平均值当液体被加热时：当液体被加热时：当液体被冷却时：当液体被冷却时：0.14()1.05w0.14()0.95w式（式（6-42）w液体在壁温下的黏度液体在壁温下的黏度 3. 短管短管 l/d30-40的管子，管入口处扰动大，的管子，管入口处扰动大，较大，需给式较大，需给式(6-41)乘以校正乘以校正系数系数i对对校正校正1.021.07i：4. Re=的过渡流的过渡流 热阻大，需给式热阻大，需给式(6-41)乘以小于乘以小于1的校正的校正系数系数f51.8

10、6 101Ref 式（式（6-43） 5. 弯管弯管 由于离心力的作用，扰动加剧，给热系数增加由于离心力的作用，扰动加剧，给热系数增加=+dR（1 1.77） 直管的给热系数，直管的给热系数，W/(m2oC) d 管内径，管内径，m R 弯管的曲率半径，弯管的曲率半径，m式（式（6-44）6. 非圆管强制湍流给热系数非圆管强制湍流给热系数0.80.330.53210.02RePr(/)eddd de 直管的给热系数，直管的给热系数，W/(m2oC) d 2外管内径，外管内径，m d 1内管外径，内管外径，m式（式（6-45）（1） 定性尺寸按当量直径定性尺寸按当量直径de（2） 试验方法，例如

11、套管试验方法，例如套管d1d2二、流体在管外强制对流二、流体在管外强制对流 流体在圆管外垂直流过时，在管子圆周各点流动情况不同，流体在圆管外垂直流过时，在管子圆周各点流动情况不同，则各点的热阻和对流给热系数也不同。故需要整个圆周的则各点的热阻和对流给热系数也不同。故需要整个圆周的平均平均给热系数给热系数。4 . 0PrRencNu流体在管束外横向流过的对流给热系数可按下式计算：流体在管束外横向流过的对流给热系数可按下式计算：其中其中c、n为常数，见下表为常数，见下表式（式（6-48）依据：依据：热量衡算方程热量衡算方程 + 总传热速率方程总传热速率方程第六节第六节 传热过程的计算传热过程的计算

12、 设计型，操作型设计型，操作型 6.6.1 传热过程的数学描述传热过程的数学描述一、热量衡算方程：一、热量衡算方程：对热流体：对热流体：Q = qm1cP1(T1 - T2)对冷流体：对冷流体：Q = qm2 cP2 (t2 - t1)二、传热速率方程二、传热速率方程twTw对流对流导热冷流体热流体tTQ（6-115）（6-114）K总传热系数总传热系数，W/(m2K)各环节各环节热阻热阻，W/(m2K)-1 热阻较大的一侧称为：热阻较大的一侧称为：控制侧控制侧（控制步骤）（控制步骤）（6-117）d1d22内表面内表面外表面外表面dmd1和和d2的对数平均值的对数平均值三、污垢热阻三、污垢热

13、阻 污垢热阻一般不可忽略污垢热阻一般不可忽略。一般，污垢热阻只能根据。一般，污垢热阻只能根据经验经验数据确定数据确定之。之。 如换热器管壁两侧的污垢热阻分别用如换热器管壁两侧的污垢热阻分别用R1 和和 R2表示表示, 则则传热系数可由下式计算：传热系数可由下式计算：（6-118）1ddddRddRKm1ddddRddRKm以内表面为基准以内表面为基准以外表面为基准以外表面为基准四、壁温估算四、壁温估算此式表明：此式表明：传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比, 壁温壁温Tw 必必接近于热阻较小接近于热阻较小或或给热系

14、数给热系数 较大一侧较大一侧的流体温度。的流体温度。（6-119）（6-132）（6-131）ln)()(ln)()(tttttTtTtTtTtm其中其中对数平均温差对数平均温差或者或者对数平均推动力，对数平均推动力， 单位：单位：或者或者K。mtKAQ6.6.2 传热过程基本方程传热过程基本方程2111)(tTtTt1222)(tTtTt)()(ttcqTTcqQpmpm整个换热器的热量衡算为：整个换热器的热量衡算为：（6-129）一、设计型计算的命题方式一、设计型计算的命题方式设计任务：设计任务：将一定流量将一定流量qm1 的热流体自给定温度的热流体自给定温

15、度 T1 冷却至指定温度冷却至指定温度T2。设计条件：设计条件：可供使用的冷却介质温度可供使用的冷却介质温度, 即冷流体即冷流体 的进口温度的进口温度t1。计算目的：计算目的：确定经济上合理的确定经济上合理的传热面积传热面积及换热器及换热器 其它有关尺寸。其它有关尺寸。二、设计型问题的计算方法二、设计型问题的计算方法 设计计算的大致步骤如下：设计计算的大致步骤如下：1. 首先由传热任务计算换热器的首先由传热任务计算换热器的热流量热流量(通常称之通常称之为热负荷为热负荷) Q=qm1cP1 (T1T2) =qm2cP2 (t2t1)2. 作出适当的选择并计算平均推动力作出适当的选择并计算平均推动

16、力tm。3. 计算冷、热流体与管壁的计算冷、热流体与管壁的对流给热系数对流给热系数及及总传热总传热系数系数K；4. 由传热基本方程由传热基本方程Q=KAtm 计算计算传热面积传热面积。三、设计型计算中参数的选择三、设计型计算中参数的选择 为确定所需的传热面积为确定所需的传热面积, 必须求必须求tm 和和K。 为计算为计算tm, 设计者首先必须设计者首先必须1. 选择选择流体的流向流体的流向, 即决定采用逆流、并流还是其即决定采用逆流、并流还是其它复杂流动方式；它复杂流动方式；2. 选择选择冷冷却介质的却介质的出口温度出口温度。 为求得传热系数为求得传热系数K, 须计算两侧的给热系数须计算两侧的

17、给热系数, 故设计者必须决定：故设计者必须决定：1. 冷、热流体冷、热流体各走各走管内管内还是还是管外管外；2. 选择适当的选择适当的流速流速。同时同时, 还必须选定适当的污垢热阻。还必须选定适当的污垢热阻。四、选择的依据四、选择的依据 选择的依据不外经济、技术两个方面。选择的依据不外经济、技术两个方面。1. 流向的选择流向的选择 逆流操作的平均推动力大于并流逆流操作的平均推动力大于并流, 在一般情在一般情况下况下, 逆流操作逆流操作总是优于并流总是优于并流, 应尽量采用。应尽量采用。 但是但是, 对于某些热敏性物料的加热过程对于某些热敏性物料的加热过程, 并流并流操作可避免出口温度过高而影响

18、产品质量。操作可避免出口温度过高而影响产品质量。 另外另外, 在某些高温换热器中在某些高温换热器中, 逆流操作的最高逆流操作的最高温度温度t2 和和T1 集中在一端集中在一端, 会使该处的壁温特别高。会使该处的壁温特别高。为降低该处的壁温为降低该处的壁温, 可采用并流可采用并流, 以延长换热器的以延长换热器的使用寿命。使用寿命。2. 冷却介质出口温度的选择冷却介质出口温度的选择 冷却介质出口温度冷却介质出口温度t2 越高越高, 其用量越少其用量越少, 回收的回收的能量的价值也越高能量的价值也越高, 同时同时, 输送流体的动力消耗即操输送流体的动力消耗即操作费用也减小。作费用也减小。但是但是,

19、t2 越越高高, 传热过程的平均推动力传热过程的平均推动力tm 越小越小, 所需的加热面积所需的加热面积A 也越大也越大, 设备投资费用增设备投资费用增加。加。3.流速的选择流速的选择 一方面涉及传热系数一方面涉及传热系数K 即所需传热面的即所需传热面的大小大小, 另一方面又与流体通过换热面的阻力另一方面又与流体通过换热面的阻力损失有关。损失有关。 但不管怎样但不管怎样, 在可能的条件下在可能的条件下, 管内、外管内、外都必须尽量都必须尽量避免层流避免层流状态。状态。 除以上所述除以上所述, 还有多种选择因素还有多种选择因素, 设计换设计换热器需要全面而周全的考虑。热器需要全面而周全的考虑。换

20、热器的换热器的分类：分类：一、按用途一、按用途 加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。加热器、冷却器、冷凝器、再沸器、蒸发器等。二、按传热方式二、按传热方式 第七节第七节 换热器换热器 3、蓄热式蓄热式1、间壁式间壁式三、按换热器传热面的形状和结构分类三、按换热器传热面的形状和结构分类1、管式换热器、管式换热器2、板式换热器、板式换热器 2、直接接触式、直接接触式6.7.1 间壁式换热器间壁式换热器 1 1、套管换热器套管换热器一、管式换热器一、管式换热器2 2、蛇管换热器、蛇管换热器 沉浸式蛇管换热器沉浸式蛇管换热器 喷淋式换热器喷淋式换热器3 3、列管换热器、列管换热器化工生产中应用最

21、为广泛化工生产中应用最为广泛. .固定管板式固定管板式加热补偿圈加热补偿圈/ /膨胀节膨胀节 浮头式换热器浮头式换热器 U U型管式换热器型管式换热器1、夹套式换热器夹套式换热器二、板式换热器二、板式换热器2、平板式换热器平板式换热器3、螺旋板式换热器螺旋板式换热器4、板翅式换热器板翅式换热器6.7.2 列管式换热器的设计与选用列管式换热器的设计与选用 1流体流经管程或壳程的选择原则流体流经管程或壳程的选择原则2流体流速的选择流体流速的选择 3流体进、出口温度的确定流体进、出口温度的确定 4提高管内传热系数的方法提高管内传热系数的方法多程多程 5提高管外传热系数的方法提高管外传热系数的方法装置

22、挡板装置挡板 6管子的规格和管间距管子的规格和管间距列管式换热器设计或选用时应考虑的问题列管式换热器设计或选用时应考虑的问题（1 1）不清洁或易结垢不清洁或易结垢的流体，宜走的流体，宜走容易清洗的一侧容易清洗的一侧。对于直管。对于直管 管束易走管程；对于管束易走管程；对于U U形管束宜走壳程。形管束宜走壳程。（2 2）腐蚀性腐蚀性流体宜走流体宜走管程管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。，以免壳体和管束同时被腐蚀。 （3）压力高压力高的流体宜走的流体宜走管程管程，以避免制造耐高压的壳体。，以避免制造耐高压的壳体。（4）饱和蒸汽饱和蒸汽宜走宜走壳程壳程，以便于排出冷凝液。，以便于排出冷凝液。（5）需要

23、冷却需要冷却的流体宜走的流体宜走壳程壳程，便于散热，增强冷却效果。，便于散热，增强冷却效果。（6）有毒有毒流体宜走流体宜走管程管程，使向环境泄漏机会减少。，使向环境泄漏机会减少。（7）黏度大黏度大而而流量小流量小的流体宜走的流体宜走壳程壳程，因有折流挡板的作用，因有折流挡板的作用， 流速和流向不断改变，在低流速和流向不断改变，在低Re（ Re 100）数下即可达到）数下即可达到 湍流。湍流。一、流体流经管程或壳程的选择原则一、流体流经管程或壳程的选择原则 流体流速的选择涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构流体流速的选择涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，

24、也可减少杂质沉等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。选择流速时，应常根据经验选取。选择流速时，应尽量避免在层流尽量避免在层流下流动。下流动。 列管换热器中不同黏度液体的常用流速列管换热器中不同黏度液体的常用流速列管换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度列管换热器中易燃、易爆液体的安全允许速度列管换热器中常用的流速范围列管换热器中常用的流速范围二、流体流速的选择二、流体流速的选择 换热器内两股流体进、出口温度，常由生产过程的工换热器内两股流体进、出口温度，常由

25、生产过程的工艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。据一般的经验，则可增加水量，降低出口温度。据一般的经验，冷却水冷却水的温

26、度差可取的温度差可取510。缺水地区可选用较大温度差，水。缺水地区可选用较大温度差，水源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。 三、流体进、出口温度的确定三、流体进、出口温度的确定 当流体流量较小而所需当流体流量较小而所需传热面积较大传热面积较大，即管数多，管，即管数多，管内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流给热系数，内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流给热系数，可采用多程，即在换热器封头内装置隔板。但程数多时，可采用多程，即在换热器封头内装置

27、隔板。但程数多时，隔板占去了布管面积，使管板上能利用的面积少，导致管隔板占去了布管面积，使管板上能利用的面积少，导致管程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这些问题。列管换热器系列标准中管程数有些问题。列管换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。 四、提高管内传热系数的方法四、提高管内传热系数的方法多程多程 安装挡板的目的是为了安装挡板的目的是为了加大壳程加大壳程流体的速度，使流体的速度，使湍动程湍动程度度加剧，提高壳程流体的对流给热系数。加剧，提高壳程流体的对流给热系数。五、提高管外膜系数的方