液液传热实验讲义
传热（冷水—热水）综合实验
一、实验目的：
1、通过对冷水—热水简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α及总传热系数o K 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
2、学会应用线性回归分析方法，确定关联式4.0m Pr
ARe Nu =中常数A 、m 的值；
二、实验内容：
1、在套管式换热器中，测定5~6个不同流速下，管内冷水与管间热水之间的总传热系数o K ；流体与管壁面间对流传热系数o α和i α。
2、将测定值同运用o K 与o α，i α之间关系式计算得出的i α值进行比较；计算得出Nu1(实验)和Nu2(计算)的值
2、对实验数据进行线性回归，求关联式Nu1(实验)=ARe m Pr 0.4和Nu2(计算)=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。
三、实验原理
1、总传热系数o K 的测定：
由总传热速率方程式 m o o t S K Q ?= （1-1） m
o o t S Q K ?= （1-2） 式中：Q —— 传热速率，W ；
o S —— 换热管的外表面积，m 2；
m t ?—— 对数平均温度差，℃；
o K —— 基于管外表面积的总传热系数，W/( m 2·℃)；
由热量衡算式：
)(12t t C W Q P C -= （1-3） 式中：C W —— 冷流体的质量流量，kg/s ；
P C —— 冷流体的定压比热，kJ/( kg·℃)；
21,t t —— 分别为冷流体进、出口温度，℃；
L d S o o π= （1-4） 式中：o d —— 传热管的外径，m ；
L —— 传热管的有效长度，m ；
1
22112211212ln )()(ln t T t T t T t T t t t t t m -----=???-?=? （1-5） 式中：T 1，T 2 —— 分别为热流体进、出口温度，℃；
2、对流传热系数i α，o α的测定
对流传热系数i α，o α可以根据牛顿冷却定律来实验测定：
)(m wm i i t t S Q -=α （1-6） )(m wm i i t t S Q
-＝α （1-7）
式中：S i —— 换热管的内表面积，L d S i i π= m 2；
m t —— 冷流体平均温度，2
21t t t m += ℃； wm t —— 换热管内壁表面的平均温度，℃；
同理：
)(wm m o o T T S Q
-＝α （1-8）
式中：m T —— 热流体平均温度，2
21T T T m += ℃； wm T —— 换热管外壁表面的平均温度，℃；
因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，加上传热管壁很薄故认为wm wm t T ≈，wm T 用热电偶来测量。
3、总传热系数计算式
o
m o i i o o d bd d d K αλα11++= （1-9） 4、三个准数
λμ
p C =Pr （1-10） λαd Nu =
（1-11） μρ
ud =Re （1-12）
冷流体在管内作强制湍流，准数关联式的形式为
n m A Nu Pr Re =
其中：
取冷流体的定性温度为定值，物性数据λ、C p 、ρ、μ可根据冷流体定性温度查得。则普兰特准数Pr 是常数，则关联式的形式简化为：
4.0Pr Re m A Nu =
通过实验确定不同流量下的Re 与Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。
传热学传热学--第三章 第三节 一维非稳态导热问题
传热学--第三章第三节一维非稳态导热问题 §3 — 3 一维非稳态导热的分析解 本节介绍第三类边界条件下：无限大平板、无限长圆柱、球的分析解及应用。如何理解无限大物体，如：当一块平板的长度、宽度>> 厚度时，平板的长度和宽度的边缘向四周的散热对平板内的温度分布影响很少，以至于可以把平板内各点的温度看作仅是厚度的函数时，该平板就是一块“无限大”平板。若平板的长度、宽度、厚度相差较小，但平板四周绝热良好，则热量交换仅发生在平板两侧面，从传热的角度分析，可简化成一维导热问题。 一、无限大平板的分析解 已知：厚度的无限大平板，初温t0，初始瞬间将其放于温度为的流体中，而且> t0，流体与板面间的表面传热系数为一常数。 试确定在非稳态过程中板内的温度分布。 解：如图3-5 所示，平板两面对称受热，所以其内温度分布以其中心截面为对称面。对 于x 0 的半块平板，其导热微分方程：(0 （边界条件） （边界条件） 对偏微分方程分离变量求解得： （3-10 ） 其中离散值是下列超越方程的根，称为特征值。 其中Bi 是以特征长度为的毕渥数。 由此可见：平板中的无量纲过余温度与三个无量纲数有关：以平板厚度一半为特 征长度的傅立叶数、毕渥数及即：（3-12) 二、非稳态导热的正规状况阶段 1 、平板中任一点的过余温度与平板中心的过余温度的关系 前述得到的分析解是一个无穷级数，计算工作量大，但对比计算表明，当Fo>0.2 时，采用该级数的第一项与采用完整的级数计算平板中心温度的误差小于1% ，因此，当Fo>0.2 时，采用以下简化结果：（3-13 ） 其中特征值之值与Bi 有关。 由上式（3-13 ）可知：Fo>0.2 以后平板中任一点的过余温度(x ，τ) 与平板中心的过余温度(0 ，τ)=（τ ）之比为：（3-14 ） 此式反映了非稳态导热过程中一种很重要的物理现象：即当Fo>0.2 以后，虽然(x ，τ) 与（τ ）各自均与τ 有关，但其比值则与τ 无关，而仅取决于几何位置（x/ ）及边界条件（Bi ）。也就是说，初始条件的影响已经消失，无论初始条件分布如何，只要 第2章边界层方程 第一节Prandtl 边界层方程一.边界层简化的基本依据 外：粘性和换热可忽略 )(t δδ , l l t <<<<δδ或内：粘性和换热存在 )(t δδ特征尺寸 —l 二.普朗特边界层方程 常数性流体纵掠平板，层流的曲壁同样适用)。 δ v l u ∞∞ ∞u l v v l u δδ~~，可见，0=??+??y v x u )()((x x R δ>>曲率半径y x u v ∞ ∞T u ,w T ∞ ∞T u ,δ l )(122 22 y u x u x p y u v x u u ??+??+??-=??+??νρδ δ ∞ ∞ u u l l u u ∞∞ 2 l u ∞ν2 δ ν ∞ u ) (2 l u ∞ 除以无因次化11 Re 12 ) )(Re 1 (δ l 因边界层那粘性项与惯性项均不能忽略，故 项可忽略，且说明只有Re>>1时，上述简化才适用。)(12 2 22y v x v y p y v v x v u ??+??+??-=??+??νρ1~))(Re 1(2 δ l l δ ；可见22 22 x u y u ??>>??δδ 1 ) (2 ∞u l l u l u /)(∞∞δ 2 /)(l u l ∞δ ν2 /)(δδ ν∞u l ： 除以l u 2 ∞ )(Re 1l δ))(Re 1(δ l l δ 可见，各项均比u 方程对应项小得多可简化为 于是u 方程压力梯度项可写为。 )(2 2 22y T x T a y T v x T u ??+??=??+??,0=??y p dx dp ρ1-),(l δ 乘了δθδ w u l )(∞l u w θ∞2 l a w θ除以： l u w θ∞Pe /12 )(/1δ l Pe 12δ θw a 1 ) (∞-=T T w w θPr) Re (?====∞∞贝克列数—导热量对流热量w w p l k u c a l u Pe θθρ 气—气传热综合实验讲义 一、实验目的： 1．通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数 i的测定方法，加 m 0.4中常数 A、m 的值； 2．通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的 m 传热的基本理论和基本方式； 3．了解套管换热器的管内压降p和 Nu之间的关系； 二、实验内容： 实验一： ①测定 5~6 个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数 i。 m 0.4 ③测定 5~6 个不同流速下简单套管换热器的管内压降p1。 实验二： ①测定 5~6 个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数 i。 m ③测定 5~6 个不同流速下强化套管换热器的管内压降p 2。并在同一坐标系下绘制普通管 p1 ~Nu 与强化管p 2 ~Nu 的关系曲线。比较实验结果。 ④同一流量下，按实验一所得准数关联式求得 Nu0，计算传热强化比 Nu/Nu0。 三、实验原理 实验一普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1. 对流传热系数 i的测定 对流传热系数 i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。 深对其概念和影响因素的理解，并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu = A * Re * Pr 实验研究，测定其准数关联式Nu = B * Re中常数B、m 的值和强化比Nu / Nu 0，了解强化②对α i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARe Pr 中常数A、m 的值。 ②对α i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRe 中常数B、m 的值。 i＝Q i t m S i （2-1） 2 Q i—管内传热速率，W； 2 t mi—内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。 平均温差由下式确定： t mi t w ( )（2-2） 2 式中：t i1，t i2—冷流体的入口、出口温度，℃； t w—壁面平均温度，℃； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度 和壁面平均温度近似相等，用 t w来表示。 管内换热面积： S i d i L i（2-3） 式中：d i—内管管内径，m； L i—传热管测量段的实际长度，m； 由热量衡算式： Q i W i c pi (t i 2 t i1)（2-4） 其中质量流量由下式求得： W i（2-5） 3600 3 cp i—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)； 3 cp i和ρi可根据定性温度 t m查得， t m为冷流体进出口平均温度。t i1、t i2、 2 tw、V i可采取一定的测量手段得到。 高等传热学导热理论——相变导热（移动边界问题）讨论 第五讲：相变导热（移动边界问题）： 移动边界的导热问题有许多种，本讲只讲固液相变时的导热模型。 5.1 相变换热特点与分类： 特点： (1) 相变处存在一个界面把不同相的物质分成两个区间（实际不是一个面， 而是一个区）。 (2) 相变面随时间移动，移动规律时问题的一部分。 (3) 移动面可作为边界，决定了相变问题是非线性问题。 分类： (1) 半无限大体单区域问题（Stefan Question ） (2) 半无限大体双区域问题（Neumman Question ） (3) 有限双区域问题 5.2 相变导热的数学描述和解： 假定：固液两相内部只有导热，没有对流（适用于深空中相变）。 物性为常量。不考虑密度变化引起的体积变化。 控制方程： 对固相： 2 21s s s t t a x τ ??=?? 对液相： 2 2 1l l l t t a x τ ??= ?? 初值条件：0:s l t t t τ∞=== 边界条件： 0:::s l w l s l s x t ort t x t ort or x t ort t ∞ ===∞≠∞ =?= 在相变界面，热量守恒，温度连续，Q l 为相变潜热： ()():s l s l l l s l p t t d x Q and t t t x x d δτδτλλρτ ??==+==?? 5.2.1 半无限大体单区域问题（Stefan Question ）的简化解： 以融解过程为例： 忽略液相显热， 2 210l l l t t a x τ ??==??，方程解为一直线，由边界条件得： ()/l w p w t t t t x δ =+- 对固相，忽略温差：w p t t t ∞==，即固相温度恒等于相变温度等于初始温度。 由相变处得换热条件求δ的变化规律： [实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 一、实验目的 1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。 2、确定热导率和温度之间的函数关系。 二、实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m ·K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。 球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。 设有一空心球体，若内外表面的温度各为t 1和t 2并维持不变，根据傅立叶导热定律： dr dt r dr dt A λπλφ24-=-= （1） 边界条件 2 211t t r r t t r r ====时时 （2） 1、若λ= 常数，则由（1）（2）式求得 1 22121122121) (2)(4d d t t d d r r t t r r --=--=πλπλφ[W] ) (2) (212112t t d d d d --= πφλ [W/(m ·K)] (3) 2、若λ≠ 常数，（1）式变为 dr dt t r ) (42λπφ-= （4） 由（4）式，得 将上式右侧分子分母同乘以（t 2－t 1），得 )()(412122 2 1 2 1 t t t t dt t r dr t t r r ---=?? λπφ (5) 式中 1 22 1 )(t t dt t t t -?λ项显然就是λ在t 1和t 2范围内的积分平均值，用m λ表示即 2-3 管槽内层流对流换热特征 工程上存在大量的管槽内对流换热问题。本节对管槽内层流强制对流换热的流动与换热特征进行分析。 一、流动特征 当流体以截面均匀的流速0u 进入管道 后，由于粘性，会在 管壁上形成边界层。 边界层内相同r 处的轴向流速随δ的增加 而降低，导致对管中心势流区的排挤作用，使势流区流速增加。当边界层厚度δ达到管内半径时，势流区消失，边界层汇合于管轴线处，同时截面内速度分布不再变化。 u o 将管入口截面至边界层汇合截面间的流动区域称为入口段，或称为未充分发展流、正在发展流。该区域内，速度分布不断变化， (,)u u x r =，同时存在径向速度(,)v x r 。 边界层汇合截面以后的流动速度不再变化，()u u r =，而径向速度 0v =，这段流动区域称为充发展段或充分发展流。 所以，管内流动存在特征不同的两个区域：入口段，充分发展段。充分发展流动又分为：简单充分发展流、复杂充分发展流两种。 1). 简单充分发展流 是指只存在轴向速度分量，而其它方向速度分量为零的充分发展流动。 对圆管： ()u u r =，0v w ==； 对矩形管道：(,)u u x y =，0v w ==。 简单充分发展流任意横截面上压力均匀，沿轴向线性变化，即 dp const dx = 证明：对简单充分发展流，径向速度0v =，根据径向动量方程： 222211()v v p v v v u v x r r r r x r νρ??????+=?+++?????? ? 0p r ?=?， 即任意横截面上压力均匀，压力仅沿轴向变化。于是，轴向动量方程为： 222211(u u dp u u u u v x r dx r r x r νρ?????+=?+++????? 又发展流0u x ?=?（速度分布不变，或由连续方程得出）? 换热器的操作及传热系数的测定 一、实验目的 1．了解换热器的结构； 2．掌握换热器主要性能指标的标定方法； 3．学会换热器的操作方法。 二、实验原理 在工业生产中换热器是一种经常使用的换热设备。它是由许多个传热元件（如列管换热器的管束）组成。冷、热流体借助于换热器中的传热元件进行热量交换而达到加热或冷却任务。由于传热元件的结构形式繁多，由此构成的各种换热器之性能差异颇大。为了合理的选用或设计换热器对它们的性能应该要充分的了解。除了文献资料外，实验测定换热器的性能是重要途径之一。 换热器是一种节能设备，它既能回收热能，又需消耗机械能。因此，度量一个换热器性能好坏的标准是换热器的传热系数K 和流体通过换热器的阻力损失Δp 。前者反映了回收热量的能力，后者是消耗机械能的标志。因此．在组织换热器的性能测定时，需要安排上述两方面的内容。 1．传热系数K 速率方程式为：m t A K Q ???=，式中： t m m t t ???=?ε逆 1 2211221ln )()t T t T t T t T t m -----=?（逆 而Q = q V ρCp Δt = q V ρCp ( t 2 - t 1 ) 换热系数K 是冷流体侧的传热面为基准的传热系数。即：),(h c G G f K = m c h h c c A A A A K λδαα+?+=11 符号说明： K 传热系数，W/m 2.K ； α 流体的给热系数，W/m 2.K ； A 换热器的传热面积，m 2； Qv 流体的体积流量，m 3/s ； Cp 流体的恒压热容。j/kg.K ； T 热流体温度，℃； t 冷流体温度，℃； Δt 传热温度差，K 。 t ε? 传热平均温差的修正系数，全逆流时t ε?=1，对于单壳程双管程或二管程以上的t ε?值可从录附计算方法中求得。 λ 固体壁导热系数，W/m.K ； δ 固体壁厚度，m 。 由传热速率方程式可知：影响传热量的参数有传热面积A ，传热系数K 和过程的平均温度Δt m 三要素。 当生产工艺决定了流体的进出口温度后，传热负荷的变化是随流体的流速变化而变化。分析传热阻力的控制因素，用改变流体的流率或改变流体的进口温度，能较方便地满足生产工艺的要求。 2．流体流动的阻力损失 由流体力学知： 22 u p ??=?ρξ 式中：Δp 流体通过管道的阻力损失，Pa ； u 流体在换热器管道中的流速，m/s 。 3．换热器的操作和调整 换热器的热负荷发生变化时，需通过换热器的操作，以完成任务。由传热速率方程式知，影响传热量的参数有传热面积，传热系数和过程的平均温度差三要素，由热量衡算方程知，由于换热器的热（或冷）流体的进、出口温度，不能随意改变。在操作时的调节手段只能改变冷（或热）流体的流量和进口温度。 热（或冷）流体的进、出口温度由生产工艺决定。传热负荷的变化是由热（或冷）流体流速变化所致。由图1知，若冷（或热）流体流速的变化率相同，则仅能维持平均温差相同，不能满足热负荷变化的要求。若传热阻力受冷（或热）流体控制，采用较大的冷（或热）流体的变化率，使传热系教和平均温差同时发生变化，以达到热负荷变化的目的。若传热阻力受热(或冷）流体控制，应该采用调整冷（或热）流体的进口温度；使平均温差增加或减少，从而满足热负荷变化的要求。按照上述的操作原则进行调整，能较 第三章 思考题 1. 试说明集总参数法的物理概念及数学处理的特点 答：当内外热阻之比趋于零时，影响换热的主要环节是在边界上的换热能力。而内部由于热阻很小而温度趋于均匀，以至于不需要关心温度在空间的分布，温度只是时间的函数， 数学描述上由偏微分方程转化为常微分方程、大大降低了求解难度。 2. 在用热电偶测定气流的非稳态温度场时,怎么才能改善热电偶的温度响应特性? 答：要改善热电偶的温度响应特性，即最大限度降低热电偶的时间常数hA cv c ρτ= ,形状 上要降低体面比，要选择热容小的材料，要强化热电偶表面的对流换热。 3. 试说明”无限大平板”物理概念,并举出一二个可以按无限大平板处理的非稳态导热问题 答；所谓“无限大”平板，是指其长宽尺度远大于其厚度，从边缘交换的热量可以忽略 不计，当平板两侧换热均匀时，热量只垂直于板面方向流动。如薄板两侧均匀加热或冷却、 炉墙或冷库的保温层导热等情况可以按无限大平板处理。 4. 什么叫非稳态导热的正规状态或充分发展阶段?这一阶段在物理过程及数学处理上都有 些什么特点? 答：非稳态导热过程进行到一定程度,初始温度分布的影响就会消失，虽然各点温度仍 随时间变化,但过余温度的比值已与时间无关，只是几何位置(δ/x )和边界条件(Bi 数) 的函数，亦即无量纲温度分布不变，这一阶段称为正规状况阶段或充分发展阶段。这一阶段的数学处理十分便利，温度分布计算只需取无穷级数的首项进行计算。 5. 有人认为,当非稳态导热过程经历时间很长时,采用图3-7记算所得的结果是错误的.理由 是： 这个图表明,物体中各点的过余温度的比值与几何位置及Bi 有关,而与时间无关.但当时间趋于无限大时,物体中各点的温度应趋近流体温度,所以两者是有矛盾的。你是否同意这种看法,说明你的理由。 答：我不同意这种看法，因为随着时间的推移，虽然物体中各点过余温度的比值不变 但各点温度的绝对值在无限接近。这与物体中各点温度趋近流体温度的事实并不矛盾。 6. 试说明Bi 数的物理意义。o Bi →及∞→Bi 各代表什么样的换热条件?有人认为, ∞→Bi 代表了绝热工况,你是否赞同这一观点,为什么? 答；Bi 数是物体内外热阻之比的相对值。o Bi →时说明传热热阻主要在边界，内部温度趋于均匀，可以用集总参数法进行分析求解；∞→Bi 时，说明传热热阻主要在内部，可以近似认为壁温就是流体温度。认为o Bi →代表绝热工况是不正确的，该工况是指边界热阻相对于内部热阻较大，而绝热工况下边界热阻无限大。 7. 什么是分非稳态导热问题的乘积解法,他的使用条件是什么? 传热（冷水—热水）综合实验 一、实验目的： 1、通过对冷水—热水简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α及总传热系数o K 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 2、学会应用线性回归分析方法，确定关联式4.0m Pr ARe Nu =中常数A 、m 的值； 二、实验内容： 1、在套管式换热器中，测定5~6个不同流速下，管内冷水与管间热水之间的总传热系数o K ；流体与管壁面间对流传热系数o α和i α。 2、将测定值同运用o K 与o α，i α之间关系式计算得出的i α值进行比较；计算得出Nu1(实验)和Nu2(计算)的值 2、对实验数据进行线性回归，求关联式Nu1(实验)=ARe m Pr 0.4和Nu2(计算)=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。 三、实验原理 1、总传热系数o K 的测定： 由总传热速率方程式 m o o t S K Q ?= （1-1） m o o t S Q K ?= （1-2） 式中：Q —— 传热速率，W ； o S —— 换热管的外表面积，m 2； m t ?—— 对数平均温度差，℃； o K —— 基于管外表面积的总传热系数，W/( m 2·℃)； 由热量衡算式： )(12t t C W Q P C -= （1-3） 式中：C W —— 冷流体的质量流量，kg/s ； P C —— 冷流体的定压比热，kJ/( kg·℃)； 21,t t —— 分别为冷流体进、出口温度，℃； L d S o o π= （1-4） 式中：o d —— 传热管的外径，m ； L —— 传热管的有效长度，m ； 1 22112211212ln )()(ln t T t T t T t T t t t t t m -----=???-?=? （1-5） 式中：T 1，T 2 —— 分别为热流体进、出口温度，℃； 第五章自然对流换热 当流体内部的温度分布或浓度分布不均匀时，会造成密度分布的不均匀，在体积力场的作用下，形成浮升力，而引起流体的流动与换热，这种现象称为自然对流。 在自然界与工程技术中，自然对流现象很多，譬如：地面与大气间温度差引起的复杂大气环流，工业排烟在大气中的混合与蔓延，工业废水在水域中的混合与扩散，各种电子器件的散热冷却，建筑物内的采暖，炉中的火焰与烟气的蔓延等。 在铸造、温控等涉及固/液相变的技术过程中，自然对流也是重要的物理过程。 与强制对流换热一样，自然对流也有层流与湍流，内部流动与外部流动的区别。 5-1 自然对流边界层分析 一、自然对流边界层的特点 以放置于静止流体中的竖壁为例。流体温度为T ∞，壁面温度为w T ，当w T T ∞>时，壁面附近的流体被加热，温度升高，密度变小，在重力场作用下产生浮力，使流体向上运动，如图。 (a) Pr 1=, ()T δδ= (b)Pr >>1, ()T δδ> 一般来说，不均匀的温度场仅出现在离壁面较近的流体层内，表现出边界层的特性。与强制对流不同，离壁面较远的流体静止不动。 对不同类的流体，其边界层内的速度分布、温度分布及控制机理有所不同。 (a) 当Pr 1=时，T δδ=，温度分布单调，速度分布在离壁面一定距离 处取得较大值，从壁面到速度极大值处，浮升力克服粘性力产生惯性力（速度）。随着离开壁面的距离的增加，浮升力减小，但粘性力以更快的速度减小，直至为零，即在此处取得极大值。从该点向边界层外缘，由于浮升力进一步减小，不足以维持如此大的惯性，所以速度又逐渐降低。 (b)Pr >>1时，T δδ>。在T y δ<区域，浮升力克服粘性力产生惯性；在T y δ>区域浮升力为零，流体靠消耗惯性力来克服粘性力。此时，温度分布与速度分布的宽度不同。 (c) Pr <<1时，T δδ<，热扩散能力大于粘性扩散能力。在y δ<区域， 传热学上机实验 班级: 学号： 姓名： 一：实验问题 一个长方形截面的冷空气通道的尺寸如附图所示。假设在垂直于纸面的方向上冷空气及通道墙壁的温度变化很小，可以忽略。试用数值方法计算下列两种情况下通道壁面中的温度分布及每米长度上通过壁面的冷量损失： (1)内、外壁面分别维持在10℃及30℃； (2)内、外壁面与流体发生对流传热，且有λ=0.53W/（m·K），t f1=10°C、h1=20W/（m2·K）, t f2=30°C、h2=4W/（m2·K）。 二：问题分析与求解 本题采用数值解法，将长方形截面离散成31×23个点，用有限个离散点的值的集合来代替整个截面上温度的分布，通过求解按傅里叶导热定律、牛顿冷却公式及热平衡法建立的代数方程，来获得整个长方形截面的温度分布，进而求出其通过壁面的冷量损失。 1. 建立控制方程及定解条件 对于第一问，其给出了边界上的温度，属于第一类边界条件。 ????? ??? ??=?==??+??C C y t x t 301002222外壁温内壁温 对于第二问，其给出了边界上的边界上物体与周围流体间的表面传热系数h 及周围流体的温度 t f ，属于第三类边界条件。 ()?????? ?-=??? ????-=??+??f w w t t h n t y t x t λ02222 2. 确定节点（区域离散化） 用一系列与坐标轴平行的网格线把长方形截面划分为31×23个节点。则步长为0.1m ，记为△x=△y=0.1m 。 3. 建立节点物理量的代数方程 对于第一问有如下离散方程： ()()()()()()()()()()? ??? ???? ? ????? ???+++==?==?==?==?==?==?==?==?=+-+-代表内部点,，点41 26~6,1018,26~6,106,18~6,10,2618~6,10,631~1,3023,31~1,301,23~1,30,3123~1,30,11,1,,1,1,n m t t t t t n C m t n C m t n C n t n C n t n C m t n C m t n C n t n C n t n m n m n m n m n m 对于第二问有如下离散方程： 对于外部角点（1,1）、（1,23）、（31,1）、（31,，23）有： ()()02 222,1,,22,,1,22 =??-+-?+??-+-?±±x y t t t t x h y x t t t t y h n m n m n m f n m n m n m f λλ 得到： ()()()()????? ??? ?? ? ++ =++=++=++=22,3123,3023,312,311,301,3122 ,123,223,12,11,21,11865331400186533140018653314001865331400t t t t t t t t t t t t 同理可得： 对于内部角点（6,6）（6,18）（26,6）（26,18） ，有 ()() ()()()()()()????? ??? ??? ++++ =++++ =++++=++++=7,2618,2518,2719,2618,267,266,256,275,266,2618 ,717,619,618,518,67,66,75,66,56,671853359533592000718533595335920007185335953359200071853359533592000t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t 传热学第三章对流传热 一、名词解释 1．速度边界层：在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。 2．温度边界层：在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。 3．定性温度：确定换热过程中流体物性的温度。 4．特征尺度：对于对流传热起决定作用的几何尺寸。 5．相似准则(如Nu,Re,Pr,Gr,Ra)：由几个变量组成的无量纲的组合量。 6．强迫对流传热：由于机械(泵或风机等)的作用或其它压差而引起的相对运动。7．自然对流传热：流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动。 8．大空间自然对流传热：传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰时的自然对流传热。 9．珠状凝结：当凝结液不能润湿壁面(θ>90?)时，凝结液在壁面上形成许多液滴，而不形成连续的液膜。 10．膜状凝结：当液体能润湿壁面时，凝结液和壁面的润湿角(液体与壁面交界处的切面经液体到壁面的交角)θ<90?，凝结液在壁面上形成一层完整的液膜。 11．核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加。 12．膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此表面传热系数大大下降。 二、填空题 1．影响自然对流传热系数的主要因素有：、、、、、。 (流动起因，流动速度，流体有无相变，壁面的几何形状、大小和位置，流体的热物理性质) 2．速度边界层是指。 （在流场中壁面附近流速发生急剧变化的薄层。） 温度边界层是指。 （在流体温度场中壁面附近温度发生急剧变化的薄层。） 3．流体刚刚流入恒壁温的管道作层流传热时，其局部对流传热系数沿管长逐渐，这是由于。 （减小，边界层厚度沿管长逐渐增厚） 4．温度边界层越对流传热系数越小，强化传热应使温度边界层越。 （厚，簿） 5．流体流过弯曲的管道或螺旋管时，对流传热系数会，这是由于。 （增大，离心力的作用产生了二次环流增强了扰动） 深对其概念和影响因素的理解，并应用线性回归分析方法，确定关联式 Nu = A * Re * Pr 实验研究，测定其准数关联式 Nu = B * Re 中常数 B 、m 的值和强化比 Nu / Nu 0 ，了解强化 ② 对α i 的实验数据进行线性回归，求关联式 Nu=ARe Pr 中常数 A 、m 的值。 ② 对α i 的实验数据进行线性回归，求关联式 Nu=BRe 中常数 B 、m 的值。 气—气传热综合实验讲义 一、 实验目的： 1． 通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数 α i 的测定方法，加 m 0.4 中常数 A 、m 的值； 2． 通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的 m 传热的基本理论和基本方式； 3． 了解套管换热器的管内压降 ?p 和 Nu 之间的关系； 二、 实验内容： 实验一： ① 测定 5~6 个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数α i 。 m 0.4 ③ 测定 5~6 个不同流速下简单套管换热器的管内压降 ?p 1。 实验二： ① 测定 5~6 个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数α i 。 m ③ 测定 5~6 个不同流速下强化套管换热器的管内压降 ?p 2 。并在同一坐标系下绘制普通管 ?p 1 ~Nu 与强化管 ?p 2 ~Nu 的关系曲线。比较实验结果。 ④ 同一流量下，按实验一所得准数关联式求得 Nu 0，计算传热强化比 Nu/Nu 0。 三、 实验原理 实验一 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1. 对流传热系数α i 的测定 对流传热系数α i 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。 一、实验目的 1、了解对流换热的实验研究方法； 2、测定空气横向流过管束表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准数方程式； 3、学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二、主要实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。 三、实验原理 根据相似理论，流体强制流过物体时的放热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及物性等的关系可用下列准数方程式描述： Pr)(Re,f Nu = 实验研究表明，空气横向流过管束表面时，由于空气普郎特数（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式， n C Nu Re = 式中 C,n 均为常数，由实验确定， Nu ——努塞尔特准数 λ ad Nu = Re ——雷诺准数 v d ω= Re 上述各准则中，α——壁面平均对流换热系数[?2/m W ℃] d ——实验管外径，作为定性尺寸，[m] λ——空气导热系数，[?2/m W ℃] ω——空气流过实验管外最窄截面处流速，[m/s] ν——空气运动粘度，]/[2s m 定性温度：空气边界层平均温度)(2 1 f w m t t t +=。 式中：m t ——实验管壁面平均温度[℃] f t ——空气平均温度本实验的任务在于确定C 与 n 的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压 V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、微压计动压头h 。至于α和ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组 Re 、Nu 值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组 Nu 、Re 值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 四、实验数据及处理结果 1.测试所得原始数据 表1测试数据表 2.数据分析与计算 ◆表2热电偶测管温度平均值 ◆已知管长L=450mm,管直径d=40mm ，求得管表面积为205655 .0m L d A =??=π ◆空气进出口的平均绝对温度[K]:K T T T f 15.273)(2 1 21++= ,（见表3）由差值法及查表可知，热电偶 2． 学会应用线性回归分析方法，确定关联式 Nu = ARe Pr 中常数 A 、m 的值； K o = S o ?t m 传热（冷水—热水）综合实验讲义 一、 实验目的 1． 通过对冷水—热水简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数 α 及总传热系数 K o 的 测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。 m 0.4 二、 实验内容 1． 在套管式换热器中，测定 5~6 个不同流速下，管内冷水与管间热水之间的总传热系数 K o ； 流体与管壁面间对流传热系数 α o 和 α i 。 2． 将测定值同运用 K o 与 α o ， α i 之间关系式计算得出的 α i 值进行比较；计算得出 Nu1(实 验)和 Nu2(计算)的值 3． 对实验数据进行线性回归，求关联式 Nu1(实验)=ARe m Pr 0.4 和 Nu2(计算)=ARe m Pr 0.4 中常数 A 、m 的值。 三、 实验原理 1． 总传热系数 K o 的测定： 由总传热速率方程式 Q = K o S o ?t m （1-1） Q （1-2） 式中：Q —— 传热速率，W ； S o —— 换热管的外表面积，m 2； ?t m —— 对数平均温度差，℃； K o —— 基于管外表面积的总传热系数，W/( m 2·℃)； 由热量衡算式： Q = W C C P (t 2 - t 1 ) （1-3） 1 ?t m = ?t 2 - ?t 1 (T 1 - t 2 ) - (T 2 - t 1 ) ?t 2 T - t 2 ?t 1 T 2 - t 1 S i (t wm - t m ) t 1 + t 2 S o (T m - T wm ) T 1 + T 2 式中：W C —— 冷流体的质量流量，kg/s ； C P —— 冷流体的定压比热，kJ/( kg·℃)； t 1 , t 2 —— 分别为冷流体进、出口温度，℃； S o = πd o L （1-4） 式中： d o —— 传热管的外径，m ； L —— 传热管的有效长度，m ； = （1-5） ln ln 1 式中：T 1，T 2 —— 分别为热流体进、出口温度，℃； 2． 对流传热系数α i ， α o 的测定 对流传热系数α i ， α o 可以根据牛顿冷却定律来实验测定： Q = α i S i (t wm - t m ) （1-6） Q （1-7） 式中：S i —— 换热管的内表面积， S i = πd i L m 2； t m —— 冷流体平均温度， t m = ℃； 2 t wm —— 换热管内壁表面的平均温度，℃； 同理： Q （1-8） 式中： T m —— 热流体平均温度， T m = ℃； 2 T wm —— 换热管外壁表面的平均温度，℃； 因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，加上传热管壁很薄故认为 T wm ≈ t wm ， T wm 用热 电偶来测量。 3． 总传热系数计算式 2 《传热学》实验指导书 实验名称：强迫流动单管管外放热系数的测定 实验类型: 验证性实验 学 时：2 适用对象: 热动、集控、建环、新能源等专业 一、实验目的 1.该项实验涉及较多课程知识，测量参数多，如风速、功率、温度，可考查学生的综合能力。 2.测量空气横向流过单管表面的平均表面传热系数h ，并将实验数据整理成准则方程式。 3.学习测量风速、温度、热量的基本技能，了解对流放热的实验研究方法。 二、实验原理 根据相似理论，流体受迫外掠物体时的表面传热系数h 与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述： ),(r e u P R f N = 实验研究表明，流体横掠单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式： m n r m n e um P CR N ?= 式中：m n c ,,均为常数，由实验确定 努谢尔特准则---um N m um hd N λ= ---em R 雷诺准则 m em d R νμ= ---rm P 普朗特准则 m n rm P αν= 上述各准则中--d 实验管外径，作定性尺寸(米) --μ流体流过实验管外最窄面处流速，（)/s m --λ流体导热系数（)/K m W ? --α流体导温系数)/(2s m --ν流体运动粘度)/(2s m --h 表面传热系数)/(2K m W ? 准则角码m 表示用流体边界层平均温度)(2 1 f w m t t t -= 作定性温度。 鉴于实验中流体为空气，rm P =0.7，故准则式可化成： n em um CR N = 本实验的任务在于确定n c 与的数值。首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、测试段动压P 。至于表面传热系数h 和流速μ在实验中无法直接测量，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查到。得到一组数据后，即可得一组e R 、u N 值，改变空气流速，又得到一组数据，再得一组e R 、u N 值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 三、实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、动压计、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。 由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。 《传热学》实验指导书 热工教研室编 目录 实验要求 (2) 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 (3) 实验二平板法导热系数的测定 (7) 实验三套管换热器液-液换热实验 (12) 实验四中温辐射黑度的测定 (16) 附录1 铜－康铜热电偶分度表 (22) 附录2 精密数字温度温差仪使用方法 (23) 实验要求 1．实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理和实验要求，做到心中有数。 2．在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。 3．实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能和培养科学的工作作风。 4．实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。 5．学生实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。6．按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 一、实验目的 1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法； 2.实验测定被测材料的导热系数λ； 3. 绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。 二、实验原理 加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球（1）组成。小球内装有电加热器（2）用来产生热量。大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外 气。 1.大小同心球； 2.电加热器； 3.颗粒状试材； 4.铜康铜热电偶； 5.专用稳压电源； 6.专用测试仪； 7.底盘； 8.UJ36a电位差计图1 加热圆球示意图 测取小球的温度t1，t2，t3, 取其平均温度：T1=(t1+ t2+ t3)/3； 测取大球的温度t4，t5, t6，取其平均温度：T2=(t4+ t5+ t6)/3； 第六章 高速流动对流换热 度超过 2000K 或者马赫数高于 5 的情况。对液体，如果普朗特数足 够高的话，粘性耗散实际上在中等速度时就具有很可观的作用。 我们的讨论仅限于普朗特数接近于 1 的气体。 有关高速对流的研究大都涉及对机械能转换和流体物性随温度 变化两个因素的总体考虑，很难看到它们单独的影响。这里，我们暂 不考虑变物性的影响，首先讨论能量转换问题。 能量转换过程能可逆地发生，也能不可逆地发生。比如，在边界 层内，激波与粘性的相互作用使得机械能与热能间的不可逆转换增 大，无粘性的速度变化（比如在接近亚音速滞止点附近流体的减速） 则产生可逆的，或者非常接近可逆的能量转换。高速边界层滞止点的 比较能很好地说明这两种情况的明显区别。 z 在滞止点（图 6-1）处速度降低，边界层以外的压力和温度提高。 对于亚音速流动， 该过程几乎是等熵的， 流体粘度不起什么作用。 无论减速可逆还是不可 逆，滞止区边界层以外的流体 温度等于滞止温度， 也就是说， 流体温升来自于绝热减速： dQ dt 不良导体的热导系数的测量 实验简介材料的导热系数是反映材料热性能的物理量，导热机理在很大程度上取决与它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。导热系数不仅与构成材料的物质种类密切相关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。测量导热系数的方法比较多，但可以归并为两类基本方法：一类是稳态法，另一类是动态法。用稳态法时，先用热源对测试样品进行加热，并在样品内部形成稳定的温度分析，然后进行测量。而在动态法中，待测样品中的温度分布是随时间变化的，例如按周期性变化等。本实验采用稳态法进行测量。 实验目的了解热传导现象的物理过程，学习用稳态平板法测量不良导体的导热系数并用作图法求冷 却速率。 实验仪器待测橡皮垫、黄铜板、加热铜质圆盘（带隔热层）、红外灯、热电偶、杜瓦瓶、冰水混合物、 0~250V 变压器、秒表、游标卡尺等实验原理 1，导热系数 当物体内存在温度梯度时，热量从高温流向低温，谓之热传导或传热，传热速率正比于温度梯度以及垂直于温度梯度的面积，比例系数为热导系数或导热率： dQ dT dS （1） dt dx 2，不良导体导热系数的测量 厚度为h 、截面面积为S的平板形样品（橡胶板）夹在加热圆盘和黄铜盘之间。热量由加热盘传入。加热盘和黄铜盘上各有一小孔，热电偶可插入孔内测量温度，两面高低温度恒定为T1 和T2 时，传热速率为 2） 由于传热速率很难测量，但当T1 和T2 稳定时，传入橡胶板的热量应等于它向周围的散热 量。这时移去橡胶板，使加热盘与铜盘直接接触，将铜盘加热到高于T2约10 度，然后再移去加热盘，让黄铜盘全表面自由放热。每隔30 秒记录铜盘的温度，一直到其温度低于T2，据此求出铜盘在T2 附近的冷却速率dT。 dt 铜盘在稳态传热时，通过其下表面和侧面对外放热；而移去加热盘和橡胶板后是通过上下表面以及侧面放热。物体的散热速率应与它们的散热面积成正比， dQ R R 2h dQ （3） dt R 2R 2h dt （） 式中dQ为盘自由散热速率。而对于温度均匀的物体，有 dt高等传热学讲义
气—气传热综合实验操作讲义
高等传热学相变导热解(移动边界)
传热学实验指导书22页
高等传热学课件对流换热-第2章-3
传热实验讲义
第四版传热学第三章习题解答
液液传热实验讲义
高等传热学课件对流换热-第5章-1
传热学上机实验
传热学第三章对流传热
气—气传热综合实验操作讲义
传热学实验
液液传热实验讲义
传热学-强迫对流实验指导书(2014)
传热学实验指导书
高等传热学课件对流换热-第6章-1
在前面几章介绍的强制对流换热中， 我们假设速度和速度梯度充 分小，以致动能和粘性耗散的影响可以忽略不计。现在考虑高速和粘 性耗散的影响。我们主要介绍有更多重要应用的外部边界层。
6.1 高速流对流换热基本概念
高速对流主要涉及以下两类现象： z 从机械能向热能的转换，导致流体中的温度发生变化； z 由于温度变化使流体的物性发生变化。 空气一类气体若具有极高的速度，将会导致超高温离解、质量浓 度梯度，并因此发生质量扩散，使问题变得更加复杂。这里仅限于关 注未发生化学反应的边界层；对空气来说，这意味着我们将不考虑温
? T∞
V2 = T∞ + 2c
（6.1.1）
V
若不考虑变物性影响，并
* 用 T∞ 代替 T∞ ， 低速滞止点的解
也能适用于高速滞止点问题：
? qw = h (Tw ? T∞ )
图 6-1 滞止点的流动
（6.1.2）
z 但高速边界层问题有所不同。 如果自由速度很高， 边界层以内速 度梯度很大， 边界层内因粘性切应力产生粘性耗散。 如果物体是 绝热的，那么耗散产生的热量可以靠分子或者涡漩传导的机理， 从靠近表面的向边界层外传递出去， 如图 6-2 所示。 稳态条件下， 在粘性耗散和热传导之间存在一种平衡状态， 导致图 6-2 所示的 温度分布。此条件下的表面温度就等于绝热壁面温度 Taw 。大学物理实验不良导体的热导系数的测量讲义