9第三章 对流传热
热传递热量通过流体的对流传递
热传递热量通过流体的对流传递热量传递是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
传热的方式有三种：传导、对流和辐射。
在介绍流体的对流传热之前，先了解一下传热的基本知识。
一、热传递的基本原理热传递是能量的传递方式，能量从高温物体到低温物体传递，使两者达到热平衡。
热传递的方式有传导、对流和辐射三种。
（一）传导传导是指通过物质内部的分子热振动传递热量的过程。
热量沿温度梯度从高温区域传递到低温区域。
传导率取决于物质的导热性质和温度梯度。
常见的固体和液体都能够传导热量。
（二）对流对流是指通过物体表面上的流体（比如液体或气体）的运动传递热量的过程。
对流分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在温差的驱动下，流体由于密度的差异而形成的运动。
比如，加热后的空气密度减小，上升形成对流。
强制对流是指通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流可以通过风扇或泵等设备来搅动流体，加速热量传递。
（三）辐射辐射是指通过电磁波将热量从发光物体传递到其他物体的过程。
辐射可以在真空中传递，无需介质传递。
常见的辐射形式有电磁波、红外线和可见光等。
二、流体的对流传热流体的对流传热是指通过流动的流体传递热量的过程。
流体的对流传热包括自然对流和强制对流。
（一）自然对流传热自然对流传热是指在温差作用下，流体通过密度的差异而产生的运动，从而传递热量。
自然对流传热的机理是流体受热后密度下降，体积膨胀，从而使流体向上运动。
同时，冷却后的流体密度增加，使流体向下运动。
形成这种循环运动的力称为浮力。
自然对流传热最常见的例子就是热气球。
在热气球中，空气被加热后变得轻，从而使热气球得以上升。
（二）强制对流传热强制对流传热是通过外部力（如风或泵）使流体运动，从而传递热量。
强制对流传热的机理是外部力搅动流体，使流体中的高温部分与低温部分混合，加速热量的传递。
在实际工程中，强制对流传热是非常常见的应用。
比如，利用风扇将空气吹向加热元件，加速热量传递。
环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答3传热
第三章 传 热1、传热基本方式有几种，各有什么特点？答：根据传质机理的不同，可将热量传递方式分为三种。
(1) 热传导热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导，又称导热。
特点：没有物质的宏观位移(2) 对流传热流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
自然对流:流体中各处的温度不同引起的密度差别，导致轻者上浮，重者下沉，流体质点产生相对位移强制对流：因泵或搅拌等外力所致的质点强制运动(3) 热辐射物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
热辐射不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移，不需要任何物质作媒介。
2、圆筒壁与平壁导热速率计算式有什么区别？答： 平壁热传导的导热速率公式：圆筒壁的导热速率公式：3、简述对流传热机理。
答：对流传热是指流动流体与固体壁面的热量传递过程，故对流传热与流体的流动状况密切相关。
对流传热包括强制对流（层流和湍流）、自然对流、蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。
它们的机理各不相同。
对强制湍流的情况分析如下。
当湍流的流体流经固体壁面时，将形成湍流边界层，边界层由邻近壁面处的层流内层、离开S b t t Rt Q λ21-=∆==热阻推动力12211221ln 1)(2ln )(2r r t t L r r t t L Q λπλπ-⋅=-⋅⋅=壁面一定距离处的缓冲层和湍流核心三部分组成。
假定壁面温度高于流体温度，热流便由壁面流向流体中。
在层流内层中，由于在传热方向上并不发生流体质点的移动和混合，因此其传热方式是热传导。
因流体的导热系数较小，虽然该层很薄，但热阻很大，故通过该层的温度差较大。
在缓冲层内，热对流和热传导均起作用，该层内温度发生缓慢的变化。
在湍流主体中，由于流体质点在传热方向上移动和混合，传热主要是热对流方式。
在湍流主体中温度较为均匀，热阻很小。
4、牛顿冷却定律形式，使用中应注意的问题。
答：为工程计算的需要，采用平均对流传热系数来表达整个换热器的对流传热速率， 牛顿冷却定律是一种推论，假设Q ∝∆t 。
传热学第三章对流传热
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）6． 流体横掠管束时，一般情况下， 布置的平均对流传热系数要比 布置时高。
化工原理思考题答案
化工原理思考题答案第一章流体流动与输送机械1、压力与剪应力的方向及作用面有何不同答：压力垂直作用于流体表面，方向指向流体的作用面，剪应力平行作用于流体表面，方向与法向速度梯度成正比。
2、试说明粘度的单位、物理意义及影响因素答:单位是N·S/m2即Pa·s，也用cp，1cp=1mPa·s，物理意义为：分子间的引力和分子的运动和碰撞，与流体的种类、温度及压力有关3、采用U型压差计测某阀门前后的压力差,压差计的读数与U型压差计放置的位置有关吗？答：无关，对于均匀管路，无论如何放置，在流量及管路其他条件一定时，流体流动阻力均相同，因此U型压差计的读数相同，但两截面的压力差却不相同。
4、流体流动有几种类型？判断依据是什么？答：流型有两种，层流和湍流，依据是：Re≤2000时，流动为层流；Re≥4000时，为湍流，2000≤Re≤4000时，可能为层流，也可能为湍流5、雷诺数的物理意义是什么？答：雷诺数表示流体流动中惯性力与黏性力的对比关系，反映流体流动的湍动状态6、层流与湍流的本质区别是什么？答：层流与湍流的本质区别是层流没有径向脉动，湍流有径向脉动7、流体在圆管内湍流流动时，在径向上从管壁到管中心可分为哪几个区域？答：层流内层、过渡层和湍流气体三个区域。
8、流体在圆形直管中流动，若管径一定而流量增大一倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失又是原来的多少倍？答：层流时W f∝u，流量增大一倍能量损失是原来的2倍，完全湍流时Wf∝u2 ，流量增大一倍能量损失是原来的4倍。
9、圆形直管中，流量一定，设计时若将管径增加一倍，则层流时能量损失时原来的多少倍？完全湍流时流体损失又是原来的多少倍？答：10、如图所示，水槽液面恒定，管路中ab及cd两段的管径、长度及粗糙度均相同，试比较一下各量大小11、用孔板流量计测量流体流量时，随流量的增加，孔板前后的压差值将如何变化？若改用转子流量计，转子上下压差值又将如何变化？答：孔板前后压力差Δp=p1-p2，流量越大，压差越大，转子流量计属于截面式流量计，恒压差，压差不变。
对流传热系数的影响因素
L 60 di
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。
2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
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Nu
1.86Re
1 3
Pr
1 3
di L
1
3
w
0.1 4
的算术平均值。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
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管子呈正方形排列时： de
4
t2
0.785d02
d0
管子呈三角形排列时：
de
4
2 3
t
2
4
d
2 0
d 0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
A hD1 d0 t
d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮
盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。 e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。
例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。
冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。
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2、液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
1）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随
温度升高较慢。
当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为气化核心。气泡产生的速度△t随上升而增加， α
传热学试题库含参考答案
传热学试题库含参考答案《传热学》试题库第一章概论一、名词解释1．热流量：单位时间内所传递的热量2．热流密度：单位传热面上的热流量3．导热：当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒(分子、原子或自由电子)的热运动传递了热量，这种现象被称为热传导，简称导热。
4．对流传热：流体流过固体壁时的热传递过程，就是热对流和导热联合用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。
5．辐射传热：物体不断向周围空间发出热辐射能，并被周围物体吸收。
同时，物体也不断接收周围物体辐射给它的热能。
这样，物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递，称为表面辐射传热，简称辐射传热。
6．总传热过程：热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。
7．对流传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的对流传热量，单位为W／(m2·K)。
对流传热系数表示对流传热能力的大小。
8．辐射传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的辐射传热量，单位为W／(m2·K)。
辐射传热系数表示辐射传热能力的大小。
9．复合传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的复合传热量，单位为W／(m2·K)。
复合传热系数表示复合传热能力的大小。
10．总传热系数：总传热过程中热量传递能力的大小。
数值上表示传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量。
四、简答题1．试述三种热量传递基本方式的差别，并各举1～2个实际例子说明。
（提示：从三种热量传递基本方式的定义及特点来区分这三种热传递方式）2．请说明在传热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响?如何防止?（提示：从传热过程各个环节的热阻的角度，分析水垢、灰垢对换热设备传热能力与壁面的影响情况）3.试比较导热系数、对流传热系数和总传热系数的差别，它们各自的单位是什么?（提示：写出三个系数的定义并比较，单位分别为W/(m·K)，W/(m2·K)，W/(m2·K)）4．在分析传热过程时引入热阻的概念有何好处?引入热路欧姆定律有何意义?（提示：分析热阻与温压的关系，热路图在传热过程分析中的作用。
对流传热系数的影响因素_OK
12
5）流体在非圆形管中作强制对流 对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经验式都适用，只是
要将圆管内径改为当量直径de。 套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的关联式为：
应用范围：
0.02
de
d1 d2
0.53
Re
0.8
Pr
1 3
Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17
当n 0.4时, 0.023 C p 0.40.6 u 0.8
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α与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高对流传热系数的效果 更为显著。
3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况
0.36
de
deu
0.55
n2 nz n20.75 nz0.75
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3）影响冷凝传热的因素 a）冷凝液膜两侧的温度差△t
当液膜呈滞流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，液膜厚度增厚，冷 凝传热系数降低。 b）流体物性
液膜的密度、粘度及导热系数，蒸汽的冷凝潜热，都影响冷凝传热系数。 c) 蒸汽的流速和流向 •蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大； •蒸汽和液膜逆向流动， α减小，摩擦力超过液膜重力时， 液膜被蒸汽吹离壁面， 当蒸汽流速增加，α急剧增大；
准数的符号和意义
符号 准数式
意义
Nu l
表示对流传热的系数
Re lu
确定流动状态的准数
Pr c p
表示物性影响的准数
Gr gtl3 2 表示自然对流影响的准数
2
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6
传热学(第9章--对流换热)
— —
横向节距 纵向节距
23
9-3 流体有相变时的对流换热
一、凝结换热
1.特点：
——蒸汽和低于饱和温度的冷壁面相接触时会发 生凝结换热，放出凝结潜热。（如电厂中：凝汽 器和回热加热器内，管外蒸汽与管外壁的换热）
➢两种凝结方式：根据凝结液体依附在壁面上的形
态不同分.
tw ts
1）膜状凝结：凝结液体能润湿壁面，
腾换热设备安全经济的工作区为泡态沸腾区。
34
炉内高热负荷区水冷壁沸腾换热的强化
35
各种对流换热比较
液体对流换热比气体强；
对同一种流体，强制对流换热比自然对流换热强；
紊流换热比层流换热强；横向冲刷比纵向冲刷强；
有相变的对流换热比无相变换热强。
表9-5 各种对流换热平均换热系数的大致范围
换热系数 α[w/(m2.K)]
二是在蒸汽中混入油类或脂类物质。对紫铜管进行表面改 性处理，能在实验室条件下实现连续的珠状凝结，但在工 业换热器上应用，尚待时日。
26
2.影响蒸汽膜状凝结换热的因素：
（1）蒸汽中含有不凝结气体的影响 ➢ 蒸汽中含有不凝结气体（如空气）时，即使含量极微，
也会对凝结换热产生十分有害的影响。不凝结气体将会在 液膜外侧聚集而形成一层气膜，使热阻大大增加，从而恶 化传热。
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（1）管束排列方式的影响
s1
s1
s2
顺排
s2
叉排
叉排：换热系数大，但流动阻力大. 顺排：换热系数小，但流动阻力小.
22
s1
s1
s2
s2
顺排
叉排
（2）流动方向上管排数的影响
后排管受前排管尾流的扰动作用对平均换热系 数的影响直到20排以上的管子才能消失。
对流传热的内容分析
对流传热的内容分析化学生物学专业学生：蒲金远指导老师：彭刚摘要对流传热是在流体流动过程中发生的热量传热现象。
工业生产当中遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固定壁面进行的热交换，即热流体将热量传给固体壁面，再由固体壁面将热量传给冷流体，这种传热亦常称为给热。
因为它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，故对流体传热与流体状况密切相关。
关键词对流传热流体1．对流传热分析在工程上，对流传热是指流体固体壁面的传热过程，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。
因此与流体的流动情况密切相关。
热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。
由流体力学知，流体流经圆体壁面时，在靠近壁面处总有一薄层流体顺着壁面做层流流动，即层流底层。
当流体做层流流动时，在垂直于流动方向的热量传递，主要以热传导方式进行。
由于大多数流体的导热系数较小，故传热热阻主要集中在层流底层中，温差也主要集中在该层中。
而在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合，可近似的认为无传热热阻，即湍流主体中基本上没有温差。
在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，在过渡区内，热传导与热对流均起作用使该区的温度发生缓慢变化。
所以，层流底层的温度梯度较大，传热的主要热阻即在此层中，因此，减薄层流底层的厚度δ是强化对流传热的重要途径。
在传热学中，该层又称为传热边界层。
综上所述，对流传热是以层流底层的导热和层流底层以外的以流体质点做相对位移与混合为主的传热的总称。
为了处理问题方便，一般将有温度梯度存在的区域，即层流底层和过度区称做传热边界层，传热的热阻主要集中在层流底层。
图1-1表示。
2．影响对流热的因素对流传热既有分子间的微观热传导作用, 又有流体宏观位移的热对流作用,是一种复杂的热传递过程, 以牛顿冷却定律Q = A$t 来计算通过传热面的传热量Q, 虽然形式简单, 但影响对流传热的许多因素都归纳到对流传热系数之中了, 使得A的变化错综复杂, 难以确定。
具体地说, 对流传热与以下几方面有关。
传热学中的对流传热与传导传热
传热学中的对流传热与传导传热传热学是研究物体内部或物体之间热量传递规律的学科。
在这个领域中，对流传热和传导传热是两个基本而重要的概念。
首先，我们来介绍一下对流传热。
对流传热是指通过流体（气体或液体）的运动传递热量的过程。
我们知道，热气会上升，冷空气则下沉。
当一个物体受热时，由于局部升温，局部的气体也会被加热，导致其密度减小，从而形成一个向上的热空气、气流。
这个热空气通过自然对流或强制对流传递热量。
对流传热可以分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是在没有外部力驱使的情况下，由于密度差异引起的热气体或流体的运动。
例如，我们在炉子上方能够感受到的热气流，正是由于自然对流所引起的。
而强制对流则是由于外部力的作用，将热气体或流体迫使运动起来。
例如，风扇产生的强风，能够加速热气体的运动，从而增强对流传热。
在传热学中，对流传热的计算是一个非常复杂的过程。
因为对流传热受到多种因素的影响，包括流体的性质、流体速度、流动的几何形状、壁面的温度等等。
要准确计算对流传热，需要引入一些基本参数，如传热系数和换热面积。
传热系数是描述热量传递效果的物理量，而换热面积则是描述实际接触面积的物理量。
与对流传热相对应的是传导传热。
传导传热是指热量通过物体内部的分子热运动传递的过程。
当我们将一个物体的一端加热时，热量将从加热端向冷却端传递。
这是因为在物体内部，热量会使得分子热运动加剧，分子之间的碰撞和传递也会加强。
传导传热的速率取决于物体的导热性能和温度差。
不同物质具有不同的导热性能。
导热性能越好，传导传热的速率越快。
例如，金属是一个非常好的导热体，因此可以迅速传导热量。
而空气和水则是较差的导热体，它们在传导传热时速率较慢。
在实际应用中，我们可以利用物质的导热性能来设计制造各种热传导设备，如散热片、散热器等，用于热管理和热控制。
除了对流传热和传导传热，还有一个重要的传热方式是辐射传热。
辐射传热是指通过热辐射波长范围内的电磁波传递热量的过程。
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3.7 管内速度分布随换热情况的畸变对于气体而言，情况恰好相反，同学们自己想一下。
同学们通过前面的学习知道，入口段由于热边界层较薄而具有比充分发展段更高的表面传热系数。
因此往往需要修正。
对于通常工业设备中常见的尖角入口，考虑到入口效应，可采用的修正系数为： 1()
l d C l
=+
3.8 螺旋管中的流动
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1 1.77
d
R =+d
图3.9 流体横掠单管边界层的分离
在这里，脱体的位置取决于雷诺数。
当Re<10时，不会出现脱体，当10<Re<1.5×时，边界层为层流，脱体发生在φ=80°～85°，而当Re≥1.5×105时，边界层在成为脱体前已转变为湍流，脱体的发生被推后到φ=140°。
、沿圆管表面局部表面传热系数的变化
下面来考查恒定热流壁面局部Nu随角度φ的变化情况。
在0～80°范围内，由于层流
图3.10圆管表面局部表面传热系数的变化、圆管表面平均表面传热系数的关联式
流体横掠单管的平均表面传热系数可以用如下关联式进行表达：的不同可以根据表6-5选择不同的C 和n
值，定性温度为 为15.5～980℃ ， =21～朋斯登对流体横向外掠单管提出了整个试验的准则式：第 页
1/21/30.62Re Pr 1/3
Re Pr n Nu C =∞w
t
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