对流传热

4.3对流传热

对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。

4.3.1对流传热过程分析

流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显著变

化的区域，称为热边界层或温度边界层。

由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进

行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的

状况有关。在流体流动一章中曾讲了流体流动型

态有层流和湍流。层流流动时，由于流体质点只

在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点

运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递，

但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对

流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。

流体在换热器内的流动大多数情况下为湍

流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情

况。流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分

别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。

层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维

运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，

传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。

湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。

过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。

根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。

4.3.2 对流传热速率方程

对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt 有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。

建立膜模型：δδδt e =+

式中

δt ──总有效膜厚度； δe ──湍流区虚拟膜厚度；

δ──层流底层膜厚度。

使用傅立叶定律表示传热速率在虚拟膜内：

流体被加热：Q A t t t

=-λδ()w 流体被冷却：Q A T T t =''

-λδ()w

设αλδ=

t

，对流传热速率方程可用牛顿冷却定律来描述： 流体被加热：Q A t t =-α()w

流体被冷却：)(w T T A Q -'='α

式中 Q’,Q ──对流传热速率，W ；

α’,α──对流传热系数，W/(m 2·℃)；

T w t w ──壁温，℃；

T ,t ──流体（平均）温度，℃；

A ──对流传热面积，m 2。

牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，而只是一种推论，是一个实验定律，假设Q ∝?t 。 热阻推动力＝=?=--=R t A

t t t t A Q w w αα1)( ↑↑?Q A t α一定时，和 对流传热一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了α当中──复杂问题简单化表示。

4.3.3影响对流传热系数的因素

对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。

1.引起流动的原因

自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成的浮升力，造成流体内部质点的上升和下降运动，一般u 较小，α也较小。强制对流：在外力作用下引起的流动运动，一般u 较大，故α较大。

自强αα>

2.流体的物性

当流体种类确定后，根据温度、压力（气体）查对应的物性，影响α较大的物性有：ρ，μ，λ，c p 。λ的影响：λ↑α↑；ρ的影响：ρ↑Re ↑α↑；c p 的影响：c p ↑ρc p 单位体积流体的热容量大，则α较大；的影响: μ ↑Re ↓α↓

3.流动型态

层流：热流主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。

湍流：质点充分混合且层流底层变薄，α较大。↓↓↑αδ,Re ；但Re ↑动力消耗大。层湍αα>

4.传热面的形状、大小和位置

不同的壁面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使α增大。

（1）形状：比如管、板、管束等；

（2）大小：比如管径和管长等；

（3）位置：比如管子得排列方式（如管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。

对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L 来表示其大小。

5.是否发生相变

主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。发生相变时，由于汽化或冷凝的潜热远大于温度变化的显热（r 远大于c p ）。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大，机理各不相同，复杂。无相变相变αα>

4.3.4对流传热系数经验关联式的建立

由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂简单表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。所以，对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因

素非常多。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。

一、因次分析

由上面的分析：α＝f(u ，l ，μ，λ，c p ，ρ，g β?t)

式中 l ———特性尺寸；

u ———特征流速。

基本因次，共4个，长度L ，时间T ，质量M ，温度θ

变量总数：共8个

因次分析之后，所得准数关联式中共有4个无因次数群（由π定理8-4=4）

因次分析结果如下：g

k a C Gr Pr Re Nu =

λ

αl Nu = Nusselt （努塞尔）待定准数（包含对流传热系数） μ

ρdu =Re Reynolds （雷诺）表征流体流动型态对对流传热的影响。 λ

μp c =Pr Prandtl （普兰特）反映流体物性对对流传热的影响 2

2

3μρβtl g Gr ?= Grashof （格拉斯霍夫）表征自然对流对对流传热的影响 g k p a tl g c du C l )()()(223μ

ρβλμμρλα?= （1）定性温度

由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值的温度称为定性温度。

定性温度的取法：1）流体进出口温度的平均值t m =（t 2+t 1）/2；2）膜温t=（t m +t W ）/2。

（2）特性尺寸

它是代表换热面几何特征的长度量，通常选取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。 另外，实验范围是有限的，准数关联式的使用范围也就是有限的。

液体沸腾

蒸汽冷凝有相变）圆非圆管直弯管管内外（形状过渡流湍流层流强制对流自然对流无相变的关联式α

4.3.5无相变时对流传热系数的经验关联式

一、流体在管内的强制对流

1．圆形直管内的湍流

k Nu Pr Re 023.08.0=

k p c du d )()(023.08.0λ

μμρλα= 使用范围：Re>10000，0.750

注意事项：

（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值t m ；

（2）特征尺寸为管内径d i ；

（3）流体被加热时，k ＝0.4，流体被冷却时，k ＝0.3；

上述n 取不同值的原因主要是温度对近壁层流底层中流体粘度的影响。当管内流体被加热时，

靠近管壁处层流底层的温度高于流体主体温度；而流体被冷却时，情况正好相反。对于液体，其粘度随温度升高而降低，液体被热时层流底层减薄，大多数液体的导热系数随温度升高也有所减少，但不显著，总的结果使对流传热系数增大。液体被加热时的对流传热系数必大于冷却时的对流传热系数。大多数液体的Pr>1,即Pr 0.4>Pr 0.3。因此，液体被加热时，n 取0.4；冷却时，n 取0.3。对于气体，其粘度随温度升高而增大，气体被加热时层流底层增厚，气体的导热系数随温度升高也略有升高，总的结果使对流传热系数减少。气体被加热时的对流传热系数必小于冷却时的对流传热系数。由于大多数气体的Pr<1，即Pr 0.4

通过以上分析可知，温度对近处层流底层内流粘度的影响，会引起近壁流层内速度分布的变化，故整个截面上的速度分布也将产生相应的变化。

（4）特征速度为管内平均流速。

以下是对上面的公式进行修正：

a ．高粘度

14.033.08.0)()()(027.0w

p c du d μμλμμρλα= 要考虑壁面温度变化引起粘度变化对α的影响（μ是在t m 下；而μW 是在t w 下）。在实际中，由于壁温难以测得，工程上近似处理为： 对于液体，加热时：05.1)(14.0=w

μμ，冷却时：95.0)(14.0=w μμ b ．过渡区

2300

1Re 1060.18.05

过渡区内流体比剧烈的湍流区内的流体的Re 小，流体流动的

湍动程度减少，层流底层变厚，α减小。

c ．流体在弯管中的对流传热系数

先按直管计算，然后乘以校正系数f

)77.11(R

d f += 式中 d ──管径；

R ──弯管的曲率半径。

由于弯管处受离心力的作用，存在二次环流，湍动加剧，α增

大。

d ．非圆形直管内强制对流

采用圆形管内相应的公式计算，特征尺寸采用当量直径。

k p e c u d d )()(023.08.0e λ

μμρλα= 式中 II

4A 4d e =?=润湿周边流动截面积 此为近似计算，最好采用经验公式和专用式更为准确。 套管环隙：2)1

2(318.002.0d d r P e R e d λα= 式中 d 1、d 2——分别为套管外管内径或内管外径。

适用范围：d 1/d 2=1.65～17，54102.2~101.2Re ??=。

e ．当l/d<60时则为短管，由于管入口扰动增大，α较大，乘上校正系数

f 。

117.0>??? ??+=l d f

2．圆形直管内的层流

特点：1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的

影响，导致速度分布受热流方向影响。2）层流的对流

传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。

（1）Gr<25000时，自然对流影响小可忽略

14.03/1)()Pr (Re 86.1w

l d Nu μμ= 适用范围：Re<2300，10)Pr (Re >l

d ，l/d>60 定性温度、特征尺寸取法与前相同，μw 按壁温确定，工程上可近似处理为： 对于液体，加热时：05.1)(14.0=w

μμ，冷却时：95.0)(14.0=w μμ （2）Gr>25000时，自然对流的影响不能忽略时，乘以校正系数)01501(8031/Gr ..f +=

在换热器设计中，应尽量避免在强制层流条件下进行传热，因为此时对流传热系数小，从而使总传热系数也很小。

例题：有一列管换热器，由60根φ25×2.5mm 钢管组成，通过该换热器用饱和蒸汽加热管内流动的苯，苯由20?C 加热至80?C ，流量为13kg/s 。求：

（1）苯在管内的对流传热系数；

（2）如苯流量加大一倍，对流传热系数如何变化；（假设物性不发生变化）

（3）如苯在壳程流动，管内为饱和蒸汽，问对流传热系数的计算与前有何不同。

已知苯的物性：)/(14.0,45.0),/(80.1,/8603C m W s mPa C kg kJ c m kg p ??=?=??==λμρ

例题：一列管式换热器，由38根φ25×2.5mm 的无缝钢管组成，苯在管内流动，由20℃加热到80 ℃，苯的流量为8.32kg/s ，外壳中通入水蒸气进行加热，求：

（1）管壁对苯的对流给热系数；

（2）管子换为φ19×2mm 管壁对苯的对流给热系数；

（3）当苯的流量提高一倍，对流给热系数变化如何？

已知苯的物性：)/(14.0,45.0),/(80.1,/8603C m W s mPa C kg kJ c m kg p ??=?=??==λμρ

二、流体在管外的强制对流

流体可垂直流过单管和管束两种情况。由于工业中所用的换热器多为流体垂直流过管束，由于管间的相互影响，其流动的特性及传热过程均较单管复杂得多。故在此仅介绍后一种情况的对流传热系数的计算。

1．流体垂直流过管束

流体垂直流过管束时，管束的排列情况可以有直列和错列

两种。

各排管α的变化规律：第一排管，直列和错列基本相

同；第二排管，直列和错列相差较大；第三排管以后（直

列第二排管以后），基本恒定；从图中可以看出，错列传

热效果比直列好。

单列的对流传热系数用下式计算

Nu C n =εRe Pr .04

适用范围：5000

（1）特性尺寸取管外径d o ，定性温度取法与前相同

t m ；

（2）流速u 取每列管子中最窄流道处的流速，即最大流速。

（3）C ，ε，n 取决于排列方式和管排数，由实验测定，具体取值。

对于前几列而言，各列的ε，n 不同，因此α也不同。

排列方式不同（直列和错列），对于相同的列，ε，n 不同，α也不同。

（4）对某一排列方式，由于各列的α不同，应按下式求平均的对流传热系数：

∑∑=++++++=i i i m A A A A A A ααααα

321332211A A

式中 αi ——各列的对流传热系数；

A i ——各列传热管的外表面积。

2．流体在换热器管壳间流动

一般在列管换热器的壳程加折流挡板，折流挡板分为圆形和圆缺形两种。由于装有不同形式的折流挡板，流动方向不断改变，在较小的Re 下（Re=100）即可达到湍流。

圆缺形折流挡板，弓形高度25%D ，α的计算式：

14.03155.0)(Pr Re 36.0w

u N μμ= 适用范围：Re=2×103～106。

定性温度：进、出口温度平均值；t w →μw 。

特征尺寸：（1）当量直径d e

正方形排列：0

202)785.0(4d d t d e π-= 正三角形排列：0

202)785.023(

4d d t d e π-= （2）流速u 根据流体流过的最大截面积S max 计算

)1(S 0m a x t

d hD -= 式中 h ——相邻挡板间的距离；

D ——壳体的内径。

提高壳程α的措施：提高壳程u ↑α↑，但h f ∝u 2，h f ↑↑；d e ↓α↑；加强壳程的湍动程度，如加折流挡板或填充物。

三、大空间的自然对流传热

所谓大空间自然对流传热是指冷表面或热表面（传热面）放置在大空间内，并且四周没有其它阻碍自然对流的物体存在，如沉浸式换热器的传热过程、换热设备或管道的热表面向周围大气的散热。

对流传热系数仅与反映自然对流的Gr 和反映物性的Pr 有关，依经验式计算：

Nu ＝C （Gr Pr ）n

n p tl g c l C )(223μ

ρβλμλα??= （1）特性尺寸对水平管取外径d o ，垂直管或板取管长和板高H 。

（2）定性温度取膜温（t m +t w ）/2。

（3）C,n=f （传热面的形状和位置,Gr,Pr ），具体数值列在书表中。

4.3.6有相变时对流传热系数的经验关联式

一、蒸汽冷凝

蒸汽与低于其饱和温度的冷壁接触时，将凝结为液体，释放出气化热。

1．冷凝方式

蒸汽冷凝方式：膜状冷凝，滴状冷凝。

膜状冷凝：若冷凝液能润湿壁面，形成一层完整的液膜布满液面并连续向下流动。

滴状冷凝：若冷凝液不能很好地润湿壁面，仅在其上凝结成小液滴，此后长大或合并成较大的

液滴而脱落。

凝液润湿壁面的能力取决于其表面张力和对壁面的附着力大小。若附着力大于表面张力则会形成膜状冷凝，反之，则形成滴状冷凝。通常滴状冷凝时蒸汽不必通过液膜传热，可直接在传热面上冷凝，其对流传热系数比膜状冷凝的对流传热系数大5～10倍。但滴状冷凝难于控制，工业上大多是膜状冷凝。

2．蒸汽在水平管外冷凝 计算公式：4/13/232725.0???

? ???=t l n g r μλρα 式中 n ——水平管束在垂直列上的管子数；

r ——汽化潜热（t s 下），kJ/kg ；

ρ——冷凝液的密度，kg/m 3；

λ——冷凝液的导热系数，W/（m.K ）；

μ——冷凝液的粘度，Pa.s 。

特性尺寸l ：管外径d o ； 定性温度：膜温2

W s t t t +=，用膜温查冷凝液的物性ρ、λ和μ；潜热r 用饱和温度t s 查；此时认为主体无热阻，热阻集中在液膜中。

3．在竖直板或竖直管外的冷凝

当蒸汽在垂直管或板上冷凝时，冷凝液沿壁面向下流动，同时由于蒸汽不断在液膜表面冷凝，

新的冷凝液不断加入，形成一个流量逐渐增加的液膜流，相应于液膜厚度加大，上部分为层流，当板或管足够高时，下部分可能发展为湍流。对于冷凝液来说，临界Re=2100。

如图所示，从顶向底流动时，液膜δ↑，α↓；当H 一定高时，流动从层流过渡到湍流时，Re ↑，层流底层δ↓，α↑。

μ

ρu d e =Re 介绍de 的计算方法。b

S d e 4=

μ

μμρμρM S G b S b S u ud e 4))(4()4(Re ====

式中 S ——冷凝液流过的截面积，m 2；

b ——润湿周边，m ；

G ——冷凝液的质量流量，kg/s ；

M ——单位长度润湿周边上冷凝液的质量流量，kg/s.m 。S G u b G M /,/==ρ

（1）层流时α的计算式 4

/13213.1???

? ???=t l g r μλρα 适用范围：Re<1800

定性温度：膜温

特征尺寸l ：管高或板高H （2）湍流时α的计算式

4.03

/1232Re 0077.0???

? ??=μλραg (是否正确) 适用范围：Re>1800

定性温度：膜温

特征尺寸l ：管高或板高H

注：Re 是指板或管最低处的值（此时Re 为最大）

4．冷凝传热的影响因素和强化措施

从前面的讲述中可知，对于纯的饱和蒸汽冷凝时，热阻主要集中在冷凝液膜内，液膜的厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。所以，影响液膜状况的所有因素都将影响到冷凝传热。 （1）流体物性的影响

冷凝液ρ↑μ↓，则液膜厚度越小δ↓?α↑；冷凝液λ↑?α↑。

冷凝潜热r ↑，同样的热负荷Q 下冷凝液量小，则液膜厚度越小?α↑。

以上的分析与前面讲的经验关联式一致。在所有的物质中以水蒸汽的冷凝传热系数最大，一般为104/（m 2.K ）左右，而某些有机物蒸汽的冷凝传热系数可低至103W/（m 2.K ）以下。

（2）温度差影响

当液膜作层流流动时，?t=t s －t W ，?t ↑，则蒸汽冷凝速率加大，液膜增厚δ↑,α↓。

（3）不凝气体的影响

上面的讨论都是对纯蒸汽而言的，在实际的工业冷凝器中，由于蒸汽中常含有微量的不凝性气体，如空气。当蒸汽冷凝时，不凝气体会在液膜表面浓集形成气膜。这样冷凝蒸汽到达液膜表面冷凝前，必须先以扩散的方式通过这层气膜。这相当于额外附加了一热阻，而且由于气体的导热系数λ小，使蒸汽冷凝的对流传热系数大大下降。实验可证明：当蒸汽中含空气量达1%时，α下降60%左右。

因此，在冷凝器的设计中，在高处安装气体排放口；操作时，定期排放不凝气体，减少不凝气体对α的影响。

（4）蒸汽流速与流向的影响

前面介绍的公式只适用于蒸汽静止或流速不大的情况。蒸汽的流速对α有较大的影响，蒸汽流速较小u<10m/s 时，可不考虑其对α的影响。当蒸汽流速u>10m/s 时，还要要考虑蒸汽与液膜之间的摩擦作用力。

蒸汽与液膜流向相同时，会加速液膜流动，使液膜变薄δ↓,α↑；蒸汽与液膜流向相反时，会阻碍液膜流动，使液膜变厚δ↑,α↓；但u ↑↑时，会吹散液膜，α↑。

一般冷凝器设计时，蒸汽入口在其上部，此时蒸汽与液膜流向相同，有利于α↑。

（5）蒸汽过热的影响

蒸汽温度高于操作压强下的饱和温度时称为过热蒸汽。

过热蒸汽与比其饱和温度高的壁面接触（t W >t s ），壁面无冷凝现象，此时为无相变的对流传热过程。过热蒸汽与比其饱和温度低的壁面接触（t W

整个过程是过热蒸汽首先在气相下冷却到饱和温度，然后在液膜表面继续冷凝，冷凝的推动力仍为?t=t s －t W 。

一般过热蒸汽的冷凝过程可按饱和蒸汽冷凝来处理，所以前面的公式仍适用。但此时应把显热和潜热都考虑进来r t t c r s v p +-=')(，为过热蒸汽的比热和温度。工业中过热蒸汽显热增加较小，可近似用饱和蒸汽计算。

（6）冷凝面的高度及布置方式

以减薄壁面上的液膜厚度为目的。

（7）强化传热措施

对于纯蒸汽冷凝，恒压下t s 为一定值。即在气相主体内无温差也无热阻，α的大小主要取决于液膜的厚度及冷凝液的物性。所以，在流体一定的情况下，一切能使液膜变薄的措施将强化冷凝传热过程。

减小液膜厚度最直接的方法是从冷凝壁面的高度和布置方式入手。如在垂直壁面上开纵向沟槽，以减薄壁面上的液膜厚度。还可在壁面上安装金属丝或翅片，使冷凝液在表面张力的作用下，流向金属丝或翅片附近集中，从而使壁面上的液膜减薄；使冷凝传热系数得到提高。

二、液体沸腾时的对流传热系数

对液体加热时，液体内部伴有液相变为气相产生汽泡的过程称为沸腾。

按设备的尺寸和形状可分为：

大容器沸腾：加热壁面浸入液体，液体被加热而引起的无强制对流的沸腾现象。

管内沸腾：在一定压差下流体在流动过程中受热沸腾（强制对流）；此时液体流速对沸腾过程有影响，而且加热面上气泡不能自由上浮，被迫随流体一起流动，出现了复杂的气液两相的流动结构。

工业上有再沸器、蒸发器、蒸汽锅炉等都是通过沸腾传热来产生蒸汽。管内沸腾的传热机理比大容器沸腾更为复杂。本节仅讨论大容器的沸腾传热过程。

? 气泡的生成和过热度

由于表面张力的作用，要求气泡内的蒸气压力大于液体的压力。而气泡生成和长大都需要从周围液体中吸收热量，要求压力较低的液相温度高于汽相的温度，故液体必须过热，即液体的温度必须高于气泡内压力所对应的饱和温度。在液相中紧贴加热面的液体具有最大的过热度。液体的过热是新相——小气泡生成的必要条件。

? 粗糙表面的气化核心

开始形成气泡时，气泡内的压力必须无穷大。这种情况显然是不存在的，因此纯净的液体在绝对光滑的加热面上不可能产生气泡。气泡只能在粗糙加热面的若干点上产生，这种点称为气化核心。无气化核心则气泡不会产生。过热度增大，气化核心数增多。气化核心是一个复杂的问题，它与表面粗糙程度、氧化情况、材料的性质及其不均匀性质等多种因素有关。

2．沸腾曲线

如图所示，以常压水在大容器内沸腾为例，说明?t对的α影响。

（1）AB段，?t=t W－t s，?t很小时，仅在加热面有少量汽化核心形成汽泡，长大速度慢，所以加热面与液体之间主要以自然对流为主。

?t<5?C时，汽化仅发生在液体表面，严格说还不是沸腾，而是表面汽化。此阶段，α较小，且随?t升高得缓慢。

（2）BC段，25?C>?t>5?C时，汽化核心数增大，汽泡长大速度增快，对液体扰动增强，对流传热系数增加，由汽化核心产生的气泡对传热起主导作用，此时为核状沸腾。

（3）CD段，?t>25?C进一步增大到一定数值，加热面上的汽化核心大大增加，以至气泡产生的速度大于脱离壁面的速度，气泡相连形成气膜，将加热面与液体隔开，由于气体的导热系数λ较小，使α↓，此阶段称为不稳定膜状沸腾。

DE段，?t>250?C时，气膜稳定，由于加热面t W高，热辐射影响增大，对流传热系数增大，此时为稳定膜状沸腾。

工业上一般维持沸腾装置在核状沸腾下工作，其优点是：此阶段下α大，t W小。从核状沸腾到膜状沸腾的转折点C称为临界点（此后传热恶化），其对应临界值?t c、αc、q c。对于常压水在大容器内沸腾时：?t c=25?C、q c=1.25×106W/m2。

3．沸腾传热的影响因素和强化措施

（1）流体物性

流体的μ、λ、σ、ρ等有影响；λ↑或ρ↑，α↑；μ↑或σ↑，α↓。

一般来说，有机物的μ大，在同样的P和?t下比水的α小；而且表面张力σ小，润湿能力大的液体，有利于气泡形成和脱离壁面，α大。

措施：在液体中加入少量添加剂，改变其表面张力σ↓。

（2）温差?t

从沸腾曲线可知，温差?t是影响和控制沸腾传热过程的重要因素，应尽量控制在核状沸腾阶段进行操作。

（3）操作压力

提高操作压力P，相当于提高液体的饱和温度t s，使液体的μ↓σ↓，有利于气泡形成和脱离壁面，强化了沸腾传热，在同温差下，α增大。

（4）加热面的状况

加热面越粗糙，提供汽化核心多，越有利于传热。新的、洁净的、粗糙的加热面，α大；当壁面被油脂玷污后，会使α下降。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。例如在水平管束外沸腾时，其上升气泡会覆盖上方管的一部分加热面，导致平均α下降。

措施：使加热面粗糙，用机加工或腐蚀等；

对于沸腾传热，由于过程的复杂性，虽然提出的经验式很多，但不够完善，至今还未总结出普遍适用的公式。有相变时的α比无相变时的α大得多，热阻主要集中在无相变一侧流体，此时有相变一侧流体的α只需近似计算。

第五章对流传热分析..

第五章 对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 5.1内容提要及要求 5.1.1 对流换热概述 1．定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式w f ()q h t t =-是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 2．影响对流换热的因素 （1）流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 （2）流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 （3）流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 （4）流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 （5）换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ()w f p ,,,,,,,,h f u t t c l λραμ= 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。 3．分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 2x x w,x W/(m K)t h t y λ??? ?=- ? ? ??? 由上式可有 2x x w,x W/(m K)h y λθ?θ?? ?=- ? ? ??? 其中θ为过余温度，t t θ=-。

对流传热与传质讨论复习题

对流传热与传质期末复习题 1(徐婷)、结合外掠平壁层流对流换热的求解，试述由边界层控制方程得到精确解和利用边界层积分方程式得到近似解两种方法的主要步骤、特点并比较其结果。 2（朱蕙）、同样是层流对流换热，为什么外掠平壁的Nu ～Re 1/2，而管内充分发展的则h X ＝常数？ 3（赖志燚）、以常压下20℃的空气在10 m/s 的速度外掠表面温度为45℃的平壁为例，计算离平壁前缘1mm 、2mm 、5mm 、10mm 、50mm 、100mm 、200mm 、300mm 、1000mm 、2000mm 、5000mm 、100000mm 处局部表面换热系数和平均换热系数（已知20℃的空气λ=0.0259W/(m.K)）。分析外掠平壁对流换热系数随距平壁前缘距离x 的变化规律，比较层流、过渡流、湍流时的对流换热系数并给以说明。 4（陈凯）、试说明管内充分发展的湍流换热和层流换热的本质区别，并分别简述其换热系数的计算方法及步骤。 5（梁志滔）、为什么当冷凝换热温差增大时，冷凝换热系数减小？说明冷凝器为何多采用横管结构，结合工程实际说明维持较大的冷凝换热系数应采取的措施。 6（杨帅）、试结合Rohsenow 的大容器核态沸腾换热关系式说明汽泡跃离加热面的运动是影响换热的最重要的因素。 7（邹伟）、一温度为120℃、高为1.2m 的竖壁，放置于温度为20℃的空气中，试计算离竖壁下端0.25m 处的局部表面换热系数。该壁面上是否会出现湍流边界层？如果出现的话，过渡为湍流边界层的位置在何处？已知20℃的空气ανv g m K 2 73114710=?--.。 8（钟世青）、3＃机油以1134 kg/h 的流量在直径为12.7 mm 的管内流动，油温从93 ℃被冷却到67 ℃，管内壁温度为20 ℃。已知t f =80 ℃时，ρ=857.4 kg/m 3，λ=0.138W/(m.K) ，p c =2131J/(kg.K) ，Pr=490,μ=114.7kg/(m.K), w t =20℃时w μ=2879kg/(m.h)。若不考虑物性随温度的变化，计算所需换热管长度。高Pr 数的油类在换热器管程内的常用流速为0.5～1.8 m/s ，试通过上述实例计算说明其流动形式和换热特性，并说明应如何计算其在换热器内的换热系数。 9（刘志成）、既然对流换热包含了流体中温度不同的各部分之间发生宏观相对运动和相互掺混所引起的热量传递，为什么管内流动和热充分发展段的对流换热系数仅具有导热的特征而没有对流的特征？

对流传热分析

对流换热分析 通过本章的学习，读者应熟练掌握对流换热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用，以及在相似理论指导下的实验研究方法，进一 步提出针对具体换热过程的强化传热措施。 1. 对流换热概述 1.1. 定义及特性 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。牛顿冷却公式 q=?×(t w?t f) 是计算对流换热量的基本公式，但它仅仅是对流换热表面传热系数h 的定义式。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 1.2. 影响对流换热的因素 (1)流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。 (2)流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。 (3)流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。 (4)流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。 (5)换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 综上所述，可知表面传热系数是如下参数的函数 ?=f u,t w,t f,c P,ρ,α,μ,l 这说明表征对流换热的表面传热系数是一个复杂的过程量，不同的换热过程可能千差万别。

1.3. 分析求解对流换热问题 分析求解对流换热问题的实质是获得流体内的温度分布和速度分布，尤其是近壁处流体内的温度分布和速度分布，因为在对流换热问题中“流动与换热是密不可分”的。同时，分析求解的前提是给出正确地描述问题的数学模型。在已知流体内的温度分布后，可按如下的对流换热微分方程获得壁面局部的表面传热系数 ?x=λ Δt x et ey w,x W/(m2·K) 由上式可有 ?x=λ Δθx eθ ey w,x W/(m2·K) 其中θ为过余温度，θ=t w?t f。 对流换热问题的边界条件有两类，第一类为壁温边界条件，即壁温分布为已知，待求的是流体的壁面法向温度梯度；第二类为热流边界条件，即已知壁面热流密度，待求的是壁温。 由于对流换热问题的分析求解常常要求解包括连续性方程、动量微分方程和能量微分方程在内的一系列方程，因此它的求解过程比导热问题要困难得多。 2. 对流换热微分方程组 2.1. 连续性方程 二维常物性不可压缩流体稳态流动连续性方程： eu ex +ev ey =0 2.2. 动量微分方程式 动量微分方程式描述流体速度场，可从分析微元体的动量守恒中建立。它又称纳斯－斯托克斯方程，简称N·S方程。 ρeu eτ+ueu ex +veu ey =X?ep ex +μ(e2u ex2 +e2u ey2 ) ρev eτ+uev ex +vev ey =Y?ep ey +μ(e2v ex2 +e2v ey2 )

4-5 对流传热系数关联式

知识点4－5 对流传热系数关联式 【学习指导】 1．学习目的 通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。 2．本知识点的重点 对流传热系数的影响因素及因次分析法。 3．本知识点的难点 因次分析法。 4．应完成的习题 4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。 4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。已知α为下 列变量的函数： 4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内湍流流动。压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。假设管壁和污垢热阻可忽略。 4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。

4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。换热器的热损失可以忽略。 4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。列管由直径为ф25×2.5mm的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数为2115W/(m2.℃)；若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得系数为2660 W/(m2.℃)。试求蒸汽冷凝的传热系数。假设污垢热阻可忽略。 对流传热速率方程虽然形式简单，实际是将对流传热的复杂性和计算上的困难转移到对流传热系数之中，因此对流传热系数的计算成为解决对流传热的关键。 求算对流传热系数的方法有两种：即理论方法和实验方法。前者是通过对各类对流传热现象进行理论分析，建立描述对流传热现象的方程组，然后用数学分析的方法求解。由于过程的复杂性，目前对一些较为简单的对流传热现象可以用数学方法求解。后者是结合实验建立关联式，对于工程上遇到的对流传热问题仍依赖于实验方法。 一、影响对流传热系数的因素 由对流传热的机理分析可知，对流传热系数决定于热边界层内的温度梯度。而温度梯度或热边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。 1．流体的种类和相变化的情况 液体、气体和蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。本书只限于讨论牛顿型流体的对流传热系数。 流体有无相变化，对传热有不同的影响，后面将分别予以讨论。 2．流体的特性

真冰溜冰场冷负荷计算

真冰溜冰场冷负荷计算 发表时间：2019-08-05T15:55:21.877Z 来源：《基层建设》2019年第15期作者：刘剑平 [导读] 摘要：本文通过一个项目实例，详细介绍了真冰溜冰场冷负荷的计算过程，并对计算过程进行分析。 上海城凯建筑设计有限公司上海杨浦区 摘要：本文通过一个项目实例，详细介绍了真冰溜冰场冷负荷的计算过程，并对计算过程进行分析。 关键词：真冰溜冰场详细负荷计算 0.引言 笔者最近在做一个真冰溜冰场的暖通设计，在设计过程中发现，对于真冰溜冰场在现有的规范及设计手册中没有具体的负荷计算实例。设计手册中仅仅有负荷估算值及负荷分项计算表。因此，通过这个案例和相关的研究，笔者试图给出一个具体的真冰溜冰场的冷负荷详细计算。 1.真冰溜冰场方案介绍 项目位于河北邢台，为新建体育场馆内的一部分，室内冰场规格为61米x30米。采用乙二醇作为载冷剂的采用大流量间接制冰系统。乙二醇水溶液的供回水温度为-11.7 ℃ / -14.2 ℃，供回水温差取2.5℃。排管材料采用DN25的不锈钢管，外径32mm，间距80mm。排管平行于冰场长边，总供、回液管布置在冰场中间，采用三联箱中分式交叉供液方式。冰场使用用途：满足全年不同公众娱乐性滑冰。冰层表面积S 约1738平方米（60米x 30米，圆角半径8.5米），冰层厚度40mm，凝结厚度为40毫米冰层所需的时间：48小时。 2.制冷负荷计算 制冷量的计算必须考虑三个不同的操作情况，即保持冰块的制冷负荷，初次注水凝成冰块的制冷负荷和扫冰后再凝结冰块的制冷负荷。 2.1 保持冰块情况下，制冷负荷主要包括： A.地面（楼板）传热冷负荷，由下层穿过楼板及保温传至冰场的热量； B.对流传热与传质冷负荷，与冰场上空气的热交换量； C.辐射传热冷负荷； D.室内人员冷负荷，溜冰人员所产生的热量； E.水泵及管道的热损失，取所有其他冷负荷的15%。 其中A，B，C，D都是经由冰面传至制冷系统，但E是不经冰面传导的热量，所以计算冰场制冷负荷不需计算Ｃ，但计算制冷机组制冷负量时就要包括E。 A.地面（楼板）传热冷负荷 热量会由三楼顶板、保温等，传至冰场，计算的方法如下： B.对流传热与传质冷负荷 对流传热与传质冷负荷受空气的温度、湿度与冰场上空气的流动速度所影响，计算方法如下： C.辐射传热冷负荷； 根据热辐射理论，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射。由于冰场表面的温度低，所以冰场周围的其他物体对冰面产生热辐

传热学 热对流 计算 (1)

1、水以1.5m /s 的速度流过内径为25mm的加热管。管的内壁温度保持100℃，水的进口温度为15℃。若要使水的出口温度达到85℃，求单位管长换热量（不考虑修正）。已知50℃的水λf =0.648 W/(m.K)，νf =0.566×10-6m2/s，Pr =3.54。 2、取外掠平板边界层的流动由层流转化为湍流的临界雷诺数5×105,试计算25℃的空气和水达到临界雷诺数时所需要的平板长度,取u =1m/s，ν空气=15.53×10-6m2/s,ν水=0.905×10-6。 3、试推导努谢尔特关于层流膜状凝结的理论解 4、用实验测定一薄壁管流体平均对流换热系数。蒸汽在管外凝结并维持管内壁温度为100℃。水在管内流动流量为G=0.5Kg/s，水温从15℃升到45℃。管的内径d=50mm，长L=4.5m。试求管内流体与壁面间的平均换热系数。已知水在30℃时c p=4.174KJ/(Kg.K)

5、以0.8m/s 的流速在内径为2.5cm 的直管内流动，管子内表面温度为60℃，水的平均温度为30℃，管长2m ，试求水所吸收的热量。已知30℃时水的物性参数为：Pr =5.42，c p =4.17KJ/(Kg.K)，λ=61.8×10-2 W/(m.K)，ρ=995.7Kg/m 3，μ =80.15×10-6 Kg/(m.s)；水60℃ 时的ν=0.4699×10-6 m 2/s ，水在管内流动准则方程式为 4 .08.0Pr Re 027.0f f f Nu =，适用条件：Re f =104-1.2×105，Pr f =0.6-120，水与壁面间的换热温差Δt ≤30℃。 6、计算一空气横掠管束换热的空气预热器的对流换热量。已知管束有25排，每排12根光管，管外径25mm ，管长 1.5m ，叉排形式，横向管间距S 1=50mm ，纵向管间距S 2=38mm ，管壁温度120℃，空气来流速度u f =4m/s ，空气进口温度20℃，出口温度40℃。已知空气物性：λf =0.0267W/(m.K)，νf =16.0×10-6m 2/s ，Pr f =0.701。最大流速u max = u f S 1/(S 1-d)；推荐关联式：m w f f n f f c Nu ??? ? ??=Pr Pr Pr Re 36.0（公式适 用条件：N ≥20，光管管束，Pr f =0.7～500，除Pr w 的定性温度为壁温外，其余定性温度为流体在管束中的平均温度。指数m 对气体m =0，对液体m =0.25，

对流换热系数的确定.doc

对流换热系数的确定 核心提示：1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。2.强制对流时的对流换热系数(1)气流沿 1.自然对流时的对流换热系数 炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气流沿平面强制流动时气流沿平面流动时，烧结炉其对流换热系数可按表1-1的近似公式计算。 表1-1对流换热系数计算 vo=C4.65(m/s) x；o>4.65(m/s) 光滑表面a=5.58+4.25z'o a^V.Slvg78 轧制表面a-=5.81+4.25vo a=7.53vin. 粗糙表面o=6.16+4.49vo a=T.94vi78 气流沿长形工件强制流动时当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算 气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关。 绝对黑体的概念 当物体受热后一部分热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，其波长从lfmi到若干m。各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。 当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量Qa将被吸收，一部分能量Qr被反射，还有一部分能量Qu透射过物体(如图1-5)。按能量守恒定律则有

图1-5辐射能的吸收、反射和透过 如果A=l，则R=D=0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。 如果R=l，则A=D=0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D= 1，则A=K=0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。 自然界中，黑体、白体和透过体是不存在的，它们都是假定的理想物体。对于一种实 际物体来说数值，不仅取决于物体的特性，还与表面状态、温度以及投射射线的波长等有关。为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体性质:所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6%，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。

对流传热与传质

对流传热与传质 第一章导论 第二章守恒原理 §2.1质量守恒原理 §2.2动量定理 §2.3能量守恒原理 第三章流体应力与通量定律 §3.1粘性流体应力 §3.2傅立叶热传导定律 §3.3费克扩散定律 §3.4输运性质的无量纲组合 §3.5湍流输运系数 第四章边界层的微分方程 §4.1边界层概念 §4.2连续方程 §4.3动量方程 §4.4质量扩散方程 §4.5能量方程 §4.6湍流边界层方程 第五章边界层的积分方程 §5.1动量积分方程 §5.2排量厚度与动量厚度 §5.3动量积分方程的其它形式 §5.4能量积分方程 §5.5焓厚度与传导厚度 §5.6能量积分方程的其它形式 第六章动量传递：外部层流边界层 §6.1相似性解：常物性和恒定自由流速度时的层流不可压缩边界层 §6.2时的层流不可压缩边界层的相似性解 §6.3时的层流不可压缩边界层的相似性解 §6.4非相似动量边界层 §6.5由动量积分方程导得的恒定自由流速度时的层流边界层近似解 §6.6旋成体上自由流速度任意变化时的层流边界层近似解 第七章传热：外部层流边界层 §7.1沿定温半无限大平板的恒定自由流速度时的流动 §7.2沿定温半无限大平板的流动 §7.3沿具有吹出或吸入的定温半无限大平板的流动 §7.4非相似热边界层 §7.5沿具有未加热起始长度的半无限大平板的恒定自由流速度的流动 §7.6沿具有任意指定的表面温度的半无限大平板的恒定自由流速度的流动§7.7沿具有任意指定的表面热通量的半无限大平板的恒定自由流速度的流动§7.8任意形状的定温物体上的流动 §7.9任意形状且具有任意指定的表面温度的物体上的流动 §7.10具有边界层分离的物体上的流动

传热课后问答题答案

绪论 1.冰雹落地后，即慢慢融化，试分析一下，它融化所需的热量是由哪些途径得到的？ 答：冰雹融化所需热量主要由三种途径得到： a 、地面向冰雹导热所得热量； b 、冰雹与周围的空气对流换热所得到的热量； c 、冰雹周围的物体对冰雹辐射所得的热量。 2.秋天地上草叶在夜间向外界放出热量，温度降低，叶面有露珠生成，请分析这部分热量是通过什么途径放出的？放到哪里去了？到了白天，叶面的露水又会慢慢蒸发掉，试分析蒸发所需的热量又是通过哪些途径获得的？ 答：通过对流换热，草叶把热量散发到空气中；通过辐射，草叶把热量散发到周围的物体上。白天，通过辐射，太阳和草叶周围的物体把热量传给露水；通过对流换热，空气把热量传给露水。 3.现在冬季室内供暖可以采用多种方法。就你所知试分析每一种供暖方法为人们提供热量的主要传热方式是什么？填写在各箭头上。 答：暖气片内的蒸汽或热水对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体；暖气片外壁辐射墙壁辐射人体 电热暖气片：电加热后的油对流换热暖气片内壁导热暖气片外壁对流换热和辐射室内空气对流换热和辐射人体 红外电热器：红外电热元件辐射人体；红外电热元件辐射墙壁辐射人体 电热暖机：电加热器对流换热和辐射加热风对流换热和辐射人体 冷暖两用空调机（供热时）：加热风对流换热和辐射人体

太阳照射：阳光辐射人体 4．自然界和日常生活中存在大量传热现象，如加热、冷却、冷凝、沸腾、升华、凝固、融熔等，试各举一例说明这些现象中热量的传递方式？ 答：加热：用炭火对锅进行加热——辐射换热 冷却：烙铁在水中冷却——对流换热和辐射换热 凝固：冬天湖水结冰——对流换热和辐射换热 沸腾：水在容器中沸腾——对流换热和辐射换热 升华：结冰的衣物变干——对流换热和辐射换热 冷凝：制冷剂在冷凝器中冷凝——对流换热和导热 融熔：冰在空气中熔化——对流换热和辐射换热 5.夏季在维持20℃的室内，穿单衣感到舒服，而冬季在保持同样温度的室内却必须穿绒衣，试从传热的观点分析其原因？冬季挂上窗帘布后顿觉暖和，原因又何在？ 答：夏季室内温度低，室外温度高，室外物体向室内辐射热量，故在20℃的环境中穿单衣感到舒服；而冬季室外温度低于室内，室内向室外辐射散热，所以需要穿绒衣。挂上窗帘布后，辐射减弱，所以感觉暖和。 6.“热对流”和“对流换热”是否同一现象？试以实例说明。对流换热是否为基本传热方式？ 答：热对流和对流换热不是同一现象。流体与固体壁直接接触时的换热过程为对流换热，两种温度不同的流体相混合的换热过程为热对

燃烧法与吸附法

一、燃烧法 燃烧法是利用某些废气中污染物可以燃烧氧化的特性，将其燃烧转变为无害或易于进一步处理和回收物质的方法。该法的主要化学反应是燃烧氧化，少数是热分解。石油炼制厂、石油化工厂产生的大量碳氢化合物废气和其他危险有害的气体；溶剂工业、漆包线、绝缘材料、油漆烘烤等生产过程产生的大量溶剂蒸气；咖啡烘烤、肉食烟熏、搪瓷焙烧等过程产生的有机气溶胶和烟道中未烧尽的碳质微粒以及所有的恶臭物质，如硫醇、氰化物气体、硫化氢等，都可用燃烧法处理。该法工艺简单，操作方便，可回收热能。但处理低浓度废气时，需加入辅助燃料或预热。 燃烧发生的化学作用是燃烧氧化作用和高温下的分解作用。因此，燃烧法只适用于净化可燃的或高温下分解的物质，有机废气一般都具有可燃性，适合燃烧处理。有机废气的燃烧工艺主要有直接燃烧、热力燃烧、催化燃烧以及蓄热燃烧。 1、直接燃烧法 直接燃烧亦称直接火焰燃烧，它是把废气中可燃有害组分当作燃料直接燃烧。因此，该方法只适用于净化含可燃有害组分浓度较高的废气，或者用于净化有害组分燃烧时热值较高的废气，因为只有燃烧时放出的热量能够补偿向环境中散失的热量时，才能保持燃烧区的温度，维持燃烧的持续。直接燃烧的设备包括一般的燃烧炉、窑，或通过某种装置将废气导入锅炉作为燃料气进行燃烧。直接燃烧的温度一般在1100℃左右，燃烧的最终产物为CO2、H20和NO X。直接燃烧法不适于处理低浓度废气。

石油炼制厂或石油化工厂所产生的有机废气通常排放到火炬燃烧器直接燃烧，不仅浪费资源，而且造成大气污染，近年来已较少使用。 2、热力燃烧法 热力燃烧法是在废气中VOCs浓度较低时添加燃料以帮助其燃烧的方法。在热力燃烧中，被净化的废气不是作为燃料，而是作为提供氧气的辅燃气体；当废气中氧的含量较低时，需要加入空气来辅燃。热力燃烧所需的温度较直接燃烧低，大约为540～820℃。本法工艺简单、投资小，适用于高浓度、小风量的废气，但对安全技术、操作要求较高。 热力燃烧的过程可分为三个步骤：①辅助燃料燃烧，提供热量；②废气与高温燃气混合，达到反应温度；③在反应温度下，保持废气有足够的停留时间，使废气中可燃的有害组分氧化分解，达到净化排气的目的。 热力燃烧可以在专用的燃烧装置中进行，也可以在普通的燃烧炉中进行。进行热力燃烧的专用装置称为热力燃烧炉，其结构应满足热力燃烧时的条件要求，即应保证获得760℃以上的温度和0.55s左右的接触时间。热力燃烧炉的主体结构包括两部分：①燃烧器，其作用是使辅助燃料燃烧生成高温燃气；②燃烧室，其作用是使高温燃气与旁通废气湍流混合达到反应温度，并使废气在其中的停留时间达到要求。 3、催化燃烧法 催化燃烧法是在系统中使用合适的催化剂，使废气中的有机物在较低温度(200～400℃)下完全氧化分解的方法。该法的优点是催化燃烧为无火焰燃烧，

热质交换复习题修订版

一、填空题（共30分） 1、流体的粘性、热传导性和_质量扩散性__通称为流体的分子传递性质。 2、当流场中速度分布不均匀时，分子传递的结果产生切应力；温度分布不均匀时，分子传递的结果产生热传导；多组分混合流体中，当某种组分浓度分布不均匀时，分子传递的结果会产生该组分的_质量扩散_；描述这三种分子传递性质的定律分别是___牛顿粘性定律___、傅立叶定律_、_菲克定律_。 3、热质交换设备按其内冷、热流体的流动方向，可分为___顺流__式、_逆流__式、__叉流___式和__混合_____式。工程计算中当管束曲折的次数超过___4___次，就可以作为纯逆流和纯顺流来处理。 5、__温度差_是热量传递的推动力，而_浓度差_则是产生质交换的推动力。 6、质量传递有两种基本方式：分子扩散和对流扩散，两者的共同作用称为__对流质交换__。 7、相对静坐标的扩散通量称为绝对扩散通量，而相对于整体平均速度移动的动坐标扩散通量则称为相对扩散通量。 8、在浓度场不随时间而变化的稳态扩散条件下，当无整体流动时，组成二元混合物中的组分A和组分B发生互扩散，其中组分A向组分B的质扩散通量m A 与组分A的_浓度梯度成正 比，其表达式为 s m kg dy dC D m A AB A ? - =2 ；当混合物以某一质平均速度V移动时，该表 达式的坐标应取___随整体移动的动坐标__。 9、麦凯尔方程的表达式为： ()dA i i h dQ d md z - =，它表明当空气与水发生直接接触，热湿 交换同时进行时。总换热量的推动力可以近似认为是湿空气的焓差。 1、有空气和氨组成的混合气体，压力为2个标准大气压，温度为273K，则空气向氨的扩散系数是1.405×10-5 m2/s。 3、喷雾室是以实现雾和空气在直接接触条件下的热湿交换。 4、当表冷器的表面温度低于空气的露点湿度时，就会产生减湿冷却过程。 5、某一组分的速度与整体流动的平均速度之差，成为该组分的扩散速度。 2、冷凝器的类型可以分为水冷式,空气冷却式( 或称风冷式) 和蒸发式三种类型. 6、刘伊斯关系式文中叙述为h/h mad=Cp刘伊斯关系式文中叙述为即在空气一水系统的热质交换过程中，当空气温度及含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数与传质系数之间需要保持一定的量值关系，条件的变化可使这两个系数中的某一个系数增大或减小，从而导致另一系数也相应地发生同样的变化。 7、一套管换热器、谁有200℃被冷却到120℃，油从100℃都被加热到120℃，则换热器效能是25% 。 8、总热交换是潜热交换和显热交换的总和。 1、当流体中存在速度、温度、和浓度的梯度时，就会分别产生动量、热量和质量的传递现象。 2、锅炉设备中的过热器、省煤器属于间壁式式换热器。 8、潜热交换是发生热交换的同时伴有质交换（湿交换）空气中的水蒸气凝结（或蒸发）而放出（或吸收）汽化潜热的结果。 3、热质交换设备按照工作原理不同可分为间壁式、直接接触式、蓄热式、热管式等类型。表面式冷却器、省煤器、蒸发器属于间壁式，而喷淋室、冷却塔则属于直接接触式。 10、相际间对流传质模型主要有薄膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论。 3.冰蓄冷系统中的制冰方式主要有两种：_动态_制冰方式和_静态_制冰方式。 4.一个完整的干燥循环由___吸湿___过程、___再生___过程和冷却过程构成。 5.用吸收、吸附法处理空气的优点是_____独立除湿______________________。

对流传热

4.3对流传热 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。 4.3.1对流传热过程分析 流体在平壁上流过时，流体和壁面间将进行换热，引起壁面法向方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处，流体温度发生显 著变化的区域，称为热边界层或温度边界层。 由于对流是依靠流体内部质点发生位移来进 行热量传递，因此对流传热的快慢与流体流动的 状况有关。在流体流动一章中曾讲了流体流动型 态有层流和湍流。层流流动时，由于流体质点只 在流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点 运动，此时主要依靠热传导方式来进行热量传递， 但由于流体内部存在温差还会有少量的自然对 流，此时传热速率小，应尽量避免此种情况。 流体在换热器内的流动大多数情况下为湍 流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热情 况。流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分 别为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。 层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运动，在传热方向上无质点的混合，温度变化大，传热主要以热传导的方式进行。导热为主，热阻大，温差大。 湍流核心：在远离壁面的湍流中心，流体质点充分混合，温度趋于一致（热阻小），传热主要以对流方式进行。质点相互混合交换热量，温差小。 过渡区域：温度分布不像湍流主体那么均匀，也不像层流底层变化明显，传热以热传导和对流两种方式共同进行。质点混合，分子运动共同作用,温度变化平缓。 根据在热传导中的分析，温差大热阻就大。所以，流体作湍流流动时，热阻主要集中在层流底层中。如果要加强传热，必须采取措施来减少层流底层的厚度。 4.3.2 对流传热速率方程 对流传热大多是指流体与固体壁面之间的传热，其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关。如图在靠近壁面处引起温度的变化形成温度边界层。温度差主要集中在层流底层中。假设流体与固体壁面之间的传热热阻全集中在厚度为δt有效膜中，在有效膜之外无热阻存在，在有效膜内传热主要以热传导的方式进行。该膜既不是热边界层，也非流动边界层，而是一集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜。由此假定，此时的温度分布情况如下图所示。 建立膜模型：δδδ =+ t e

高等传热学自学及作业安排

《高等传热学》课程自学及作业安排 2015级硕士研究生适用 本课程教学方式：以自学为主，教师指导为辅。 考核方法：开卷笔试（50%）+平时成绩（作业及自学情况30%）+两次大作业（20%） 一、教学资料 1.教材 孙德兴编.高等传热学—导热与对流的数理解析.北京：中国建筑工业出版社，2005（图书馆均可借到） 2.主要参考书 张靖周编.高等传热学.北京：科学出版社，2009* 王瑞金等编.Fluent技术基础与应用实例.北京：清华大学出版社，2007 3.参考资料 [1]杨强生，高等传热学.上海：上海交通大学出版社，1996 [2][美]E.R.G.埃克特，R.M.德雷克著，航青译.传热与传质分析.北京：科学出版社，1983 [3][美]M. N.奥齐西克,俞昌铭主译.热传导.北京：高等教育出版社，1983 [4]杨强生.对流传热与传质.北京：高等教育出版社，1985 [5]赵镇南译.对流传热与传质（第4版）.北京：高等教育出版社，2007* [6][美]E.M.斯帕罗，R.D.塞斯著，顾传保，张学学译.辐射传热.

北京：高等教育出版社，1982* [7]陶文铨编著.数值传热学.西安:西安交通大学出版社，1988 [8]周俊杰等编. FLUENT工程技术与实例分析.北京：中国水力水电出版社，2010 （除*外，均提供电子版） 4.课件、教案、FLUENT软件及其他 二、自学、收集整理资料及讲课 1.自学 根据教案及课件提前查资料并自学相关内容。 如： 2.收集整理资料及讲课 每三位同学负责一至二次课内容，具体分工自行商量。内容包括： (1)收集整理资料 按照教案要求，收集、整理、加工相关教学资料，如“典型一维

传热学对流换热(1)

《对流换热》试题 一. (1997)指出层流边界层中下列物理量<，=或>0。 y W x W y ?? x W x ?? 2x 2y W ?? y W y ?? 二. (1997)现假定流体横掠平板层流边界层中的速度分布用二次曲线 2)y c()y b(a u u δδ++=∞逼近。当y=0时，u=0；当δ≥y 时，∞=u u 且0y u =??。试列出积分形式的边界层动量方程，并通过求解给出(x)δ的表达式。 三. (1994)设水在光滑圆管内流动，阻力与换热关系为-0.25f Re ~C ，0.8Re ~Nu ， p ?表示阻力损失，P 表示流动功率，α为放热系数，脚标0表示原始状况。 1) 若管径不变，将流速提高一倍，其它条件不变，求： 01 0101P P p p αα，，?? 2) 若将管径减小一倍，流量不变，其它条件不变，求： 2 0202P P p p αα，，?? 3) 若壁温保持不变，问第2种情况与原始状况相比，管道的总换热量是增加还是减少，试列公式分析之。其中关于对数平均温差的变化，只作定性分析即可，不必进行定量的计算。 四. (1987)根据下述提示简述边界层理论的五个主要内容：1) 尺度；2) 速度梯 度；3) 发展过程；4) 整个流场分区情况；5) 边界层内压力分布情况。为什么边界层理论有巨大实用价值？ 五. (1987)一块平板置于x －z 坐标如图。流体由左侧横向冲刷，试写出该坐标 下平板边界层的动量方程与能量方程。

六. (1987)已知圆管中的速度分布与温度分布，写出其断面平均温度的表达式。 七. (1987)流体横掠平板边界层如图。1-1为边界层外不远处一平行面。已知边 界层内速度分布为： ])y (y [w w x 3 2123δ -δ=∞。求流出1-1面的流量V 以及0 x 点处的局部摩擦系数fx C 。 x 八. (1987)由达到小排列下述放热系数：1) 室外空气与墙放热1α；2) 水蒸汽珠 状凝结2α；3) 过热水蒸汽在管内强迫流动被继续加热3α；4) 油箱内油被壁面加热4α；5) 水箱内水被壁面冷却5α；6) 水蒸汽膜状凝结6α。 九. (1987)水平圆管与气体自然对流放热公式为3/1Pr)Gr (13.0Nu ?=，给下列比 例关系中各物理量添上正确的幂次： μ?λ?ρ????=αp c t d 十. (1987)水在空气中蒸发，同时发生热质交换，此时存在类比关系 31 p D Le c ?ρ?=αα ，式中的ρ?p c 应取： A 水的值； B 空气的值； C 水蒸汽的值 D 湿空气(空气与水蒸汽混合物)的值。 十一. (1983)已知圆管中的放热公式为：3.08.0f Pr Re 023.0Nu =，试给下列关

热量传递之对流传热分析

对流传热分析 摘要：通过本章的学习，我们掌握对流传热的机理及其影响因素，边界层概念及其应用。通过讨论运动方程、连续性方程、能量方程为基础，结合量纲分析理论，解释对流传热的机理，探讨强制对流的机理，探讨强制对流传热、自然对流传热等的基本规律。 关键词：对流；传热；边界层 靠气体或液体的流动来传热的方式叫做对流。液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于均匀的过程。对流是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体明显。对流可分自然对流和强迫对流两种。自然对流往往自然发生，是由于温度不均匀而引起的。强迫对流是由于外界的影响对流体搅拌而形成的。 1 对流传热概述 对流换热指流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程。在对流换热过程中，流体内部的导热与对流同时起作用。研究对流换热的目的是揭示表面传热系数与影响对流换热过程相关因素之间的内在关系，并能定量计算不同形式对流换热问题的表面传热系数及对流换热量。 影响对流换热的因素主要有，流动的起因：流体因各部分温度不同而引起密度差异所产生的流动称为自然对流，而流体因外力作用所产生的流动称为受迫对流，通常其表面传热系数较高。流动的状态：流体在壁面上流动存在着层流和紊流两种流态。流体的热物理性质：流态的热物性主要指比热容、导热系数、密度、粘度等，它们因种类、温度、压力而变化。流体的相变：冷凝和沸腾是两种最常见的相变换热。换热表面几何因素：换热表面的形状、大小、相对位置及表面粗糙度直接影响着流体和壁面之间的对流换热。 2 边界层和平板壁面对流传热 2.1边界层 由于对流换热的热阻大小主要取决于紧靠壁面附近的流体流动状况，而该区域中速度和温度的变化最为剧烈。因此，将固体壁面附近流体速度急剧变化的薄层称为流动边界层，而将温度急剧变化的薄层称为热边界层。流动边界层的厚度δ通常规定为在壁面法线方向达到主流速度99％处的距离。而热边界层的厚度δ为沿该方向达到主流过余温度99％处的距离。δ 不一定等于δ，两者之比决定于流体的物性。读者应熟练掌握流动边界层和热边界层的特点及两者的区别，这是进行边界层分析的前提。 边界层极薄，其厚度δ、δ与壁面尺寸相比都是很小的量。边界层内法线方向速度梯

对流传热与传质讨论复习题解答参

对流传热与传质期末复习题 请主要3－2、10－2和17题 1、结合外掠平壁层流对流换热的求解，试述由边界层控制方程得到精确解和利用边界层积分方程式得到近似解两种方法的主要步骤、特点并比较其结果。 答：对于外掠平壁层流对流换热，由边界层控制方程得到精确解的主要步骤为：先根据外掠平壁流动的边界层动量方程和连续性方程，运用相似变换用流函数将动量方程转化为常微分方程，根据相应的边界条件就可得到速度分布的精确解，在求出速度分布的基础上，根据能量方程式和相应的边界条件即可得到温度分布的精确解，从而得到壁面热流和局部换热系数。特点是：由边界层动量方程式得到的精确解，它的解依赖于速度分布的具体形式，且只适用于Re>>1的情况，不适用于进口导边附近的区域。 而利用边界层积分方程式得到近似解的主要步骤为：首先假定能满足有关边界条件的无量钢温度分布，在u ∞、t w 和t ∞都是常数的假定下，根据低速定物性流体外掠平壁的焓厚度定义式进行积分，可得到焓厚度及其沿轴向变化，壁面热流即可求出，进一步可得到换热系数。其特点在于用边界层积分方程式进行求解，它的解并不十分依赖于速度分布的具体形式，且工作量小，简便。 结果比较：两种方法得到的解结果完全一致。 2、同样是层流对流换热，为什么外掠平壁的Nu ～Re 1/2，而管内充分发展的则h X ＝常数？ 答：流体外掠平壁时，从进口处形成速度边界层和热边界层，且随着流体的往前推进而逐渐增厚，到一定距离后会发生层流到紊流的过渡，不会象管内流动那样出现充分发展区，热流密度也不是常数而是和x 有关，即('(0)w w q t t λ∞=-，因此局部换热系数w x w q h t t ∞ =-，局部努谢尔数() w w q x Nu t t λ∞= - ，所以可得'(0)Nu θ=，即Nu ～Re 1/2； 流体在管内作层流换热时，在充分热发展区，流体的无量纲温度分布不沿流体的推进方向而变化，只是r 的函数，管壁处沿径向的无量纲温度梯度 r r r θ=??也不推进方向变化，即 w r r m w r r t t r r t t θ==??-??= ???-??＝常数，而壁温t w 和流体的混合平均温度t m 不随径向距离r 变化，而换热系数是用壁温和流体混合平均温度之差来定义的，即0 w r r w m w m q t h t t t t r λ=?= =---?，显然为常数。

对流给热系数

化工原理实验报告 实验名称：对流给热系数测定实验 学院：化学工程学院 专业：化学工程与工艺 班级：化工班 姓名： 学号： 同组者姓名： 指导教师： 日期：

一、 实验目的 1. 观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型； 2. 测定空气在圆直管内强制对流给热系数i α； 3. 应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。 4. 掌握热电阻测温的方法。 二、 实验原理 在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下关系式： VρC P (t 2－t 1)＝αi A i (t w －t)m （1-1） 式中：V ——被加热流体体积流量，m 3/s ； ρ——被加热流体密度，kg/m 3； C P ——被加热流体平均比热，J/(kg·℃)； αi ——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m 2·℃)； t 1、t 2——被加热流体进、出口温度，℃； A i ——内管的外壁、内壁的传热面积，m 2； (T －T W )m ——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃； 2 2112211ln )()()(w w w w m T T T T T T T T Tw T -----=- （1-2） (t w －t)m ——内壁与流体间的对数平均温度差，℃； 2211 2211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----=- （1-3） 式中：T 1、T 2——蒸汽进、出口温度，℃； T w1、T w2、t w1、t w2——外壁和内壁上进、出口温度，℃。 当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为T w1＝t w1，T w2＝t w2，即为所测得的该点的壁温。 由式（1-3）可得： （1-4） 若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、

(整理)传热学习题

2-3有一厚为20mm 的平板墙，导热系数为1.3)./(K m W 。为使每平方米墙的热损失不超过1500W,在外表面上覆盖了一层导热系数为0.12)./(K m W 的保温材料。已知复合壁两侧的温度分别为750℃及55℃，试确定此时保温层的厚度。 解：依据题意，有 1500 12.03.1020.055 7502 2 2 112 1≤+-= +-= δλδλδt t q ，解得：m 05375.02≥δ 2-10某些寒冷地区采用三层玻璃的窗户，如附图所示。已知玻璃厚δg =3㎜，空气夹层宽δ air =6㎜，玻璃的导热系数λg =0.8W/（m ·K ） 。玻璃面向室内的表面温度t i =15℃，面向室外的表面温度t o =-10℃，试计算通过三层玻璃窗导热的热流密度。 解： 2-14 外径为100mm 的蒸气管道，覆盖密度为203 /m kg 的超细玻璃棉毡保温。已知蒸气管道外壁温度为400℃，希望保温层外表面温度不超过50℃。且每米长管道上散热量小于163W ，试确定所需的保温层厚度。 解：保温材料的平均温度为 t=225250 400=+℃ 由附录7查得导热系数为)./(08475.00023.0033.0K m W t =+=λ ()21212ln t t l d d -Φ = πλ 代入数据得到 2d ＝0.314mm 所以 mm d d 10721 2=-= δ 3－9 一热电偶的A cv /ρ之值为2.094)/(2 K m KJ ?，初始温度为200C ，后将其置于3200C 的气流中。试计算在气流与热电偶之间的表面传热系数为58 )/(2 k m W ?的两种情况下，热电偶的时间常数并画出两种情况下热电偶读数的过余温度随时间变化的曲线。 解：由 hA cv c ρτ= 当 )/(582 K m W h ?=时，s c 036.0=τ 当)/(1162 K m W h ?=时，s c 018.0=τ 3－28 一块后300mm 的板块钢坯（含碳近似为0.5％）的初温为200 C ，送于温度为12000C 的炉子里单侧加热，不受热侧面可近似地认为是绝热的。已知钢板热扩散率 s m /1055.526-?=α，加热过程中平均表面传热系数为)/(2902 K m W ?，设确定加热到钢