第6章传热机理与热流速率方程1

❖ 特征尺寸分别为：x和板长l
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流体纵掠平壁时，并且从x=0处就形成湍流边界层的情
况，此时局部对流传热系数hx 和平均对流传热系数h
的特征数关联式： Nuxm=hxx/λm=0.029Rexm(4/5) Prm(1/3) 和Num=hl/λ m=0.037Relm(4/5) Prm(1/3)
适用范围：0.6<Prm<60
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流体在管内流动时，由于雷若数Re不同而呈现 不同的流动状态。
显然在不同的流动状态下，由于边界层的厚 度和边界层内流体流动情况不同，对流传热系数 有显著差异。
本章介绍的计算式将按照流动状态分别介绍。
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二、湍流强迫对流传热
❖ 层流：Re < 2300 ❖ 湍流：Re > 10000 ❖ 过渡区：2300 < Re < 10000 ❖ 计算Re时的流速称为特征速度，一般取截面平
❖
故液体被冷却时，近管壁处的粘度
❖
比中心处高，速度分布会低于等温
❖
曲线，变 为曲线2。
❖
这时换热会减弱。
❖ 若液体被加热，则速度分布变成曲线3，近壁处流速 ❖ 高于等温曲线。这时换热会加强。
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ct ：边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系 数
热流大小和方向影响对流传热系数的程度取决于加热还 是冷却、温差大小和流体是液体还是气体，在工程上ct加
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2、自然对流传热
❖ 1）恒壁温 ❖ 表面处于自然对流散热的薄壁在用蒸汽凝结加热
时，其散热表面温度近似相等，属于恒壁温自然 对流传热。 ❖ 大空间恒壁温自然对流传热系数关联式h:(P154)

第一节 热传导
导热: 以温度差为推动力的分子传递现象 传递规律: 傅立叶定律
通过平壁的稳态传热 通过圆管壁的稳态传热
（1）通过平壁的稳态传热
平壁厚度为 b，壁面两侧温度分别为 T1、T2，T1>T2。
一维稳定热传导，根据傅立叶定律，有
Q kAdT （6.1.1） dx
式中 A——传热面积，m2； k ——导热系数，W/m·h；
ln r2
R
r1
式中 R 为圆管壁的导热热阻。
ln r2 R r1
2k L
设圆管管壁为 b，b=r2-r1，式（6.1.9）可以写成
Q
2kLr2 r1 T1 T2
r2
r1 ln
r2 r1
2rm Lk
T1
T2
b
Amk
T1
T2
b
T1 T2 b
k Am
（6.1.10）
式中 rm—圆管壁的对数平均半径，m；
（5）流动边界层厚度与传热边界层厚度间的关系取决于
普朗特数Pr
Pr
c p
，表明了分子动量传递能力和分子热量传递能力的比值。
四、对流传热速率
（1）牛顿冷却定律：单位传热面积的传热速率正比于表面和周围流体的 温度差以及传热表面积，数学表达式为
dQ dAT （6.2.1）
式中 dA—与传热方向垂直的微元传热面积，m2； dQ－通过传热面 dA 的局部对流传热速率，W； T 、Tw—流体和与流体相接触的传热壁面的壁面温度，K；
套管式换热器
列管式换热器——管壳式换热器
固定管板式换热器 1—折流挡板；2—管束；3—壳体；4—封头；5—接管；6－管板
一、对流传热分类

6.2 传热过程
（1）、通过平壁的传热
例子：房屋的散热(墙壁、玻璃)、发动机的涡轮叶片 传热公式： 温度分布：
（2）、通过圆筒壁的传热
例子：管道散热 锅炉对流管束 传热公式： 注意传热系数的基准面积 温度分布：
第六章 传热过程 Heat Transfer Process
6.3 传热的强化
分析： 强化原则
第六章 传热过程 Heat Transfer Process
6.4 传热的削弱
例子：热力管道的保温、涡轮叶片外换热、保温瓶、棉衣 问题：冬天穿衣是否越厚越好？
热力管道保温层是否越厚越好？ 切入点：加大传热热阻
第六章 传热过程 Heat Transfer Process
6.4 传热的削弱
绝热方法：☆加绝热材料 绝热材料： 0.12W /(moC)
分 解析：灯泡1、上认的为能是量稳平定衡状态
投23441入、、、、 到灯灯灯表A穿表q座泡泡面透面A的的看外看上q分热成无成c的on额v损 是 强 是辐 q射失真迫灰rad能忽空流体h如h略的动A何T。w0求0ETEb？s,b,ddATwE401b(TE2s49b,00d) F 0 1 0.25
在质量流量、厚度和钢耗不变时，采用细管可大幅度提高h
异形管（如椭圆管、扁圆管）
第六章 传热过程 Heat Transfer Process
6.3 传热的强化
2、提高传热系数（主要提高对流换热系数） 采用弯管或螺旋管 采用短管 人工扰动，破坏边界层
管束的布置方式 冲刷方式 相变换热的强化 异型表面 热管
第六章 传热过程 Heat Transfer Process
6.1复合换热
一、复合换热 由两种或三种基本换热方式共存的复杂换热过程 例子 涡轮叶片、燃烧室、电炉烧水

6个未知量:：速度 u、v、w；温度 t；压力 p；对流 换热系数h
6个方程:换热微分方程式、能量微分方程、x、y、z 三个方向动量微分方程、连续性微分方程
1 能量微分方程 微元体的能量守恒： ——描述流体温度场 假设：（1）流体的热物性均为常量，流体不做功 （2）无化学反应等内热源 由导热进入微元体的热量Q1 +由对流进入微元 体的热量Q2 = 微元体中流体的焓增H
2t 2t 2t 微元体导热热量：Q1 x 2 y 2 z 2 dxdydzd
微元体对流换热收支情况：
在d时间内， 由 x处的截面热对流进入微元体的热量为
' Qx c tudydzd
在d时间内， 由 x dx处的截面热对流流出微元体的热量为
由连续性方程知此项为0
t t t Q2 c u v w dxdydzd x y z
在d时间内， 微元体中流体 温度改变了（t / ） d , 其焓增为
t H c dxdydzd
能量微分方程
t t t t 2t 2t 2t u v w 2＋ 2 2 x y z c x y z
boundary layer）
由于粘性作用，流体流速在靠近壁面 处随离壁面的距离的减小而逐渐降低； 在贴壁处被滞止，处于无滑移状态。
流场可以划分为两个区：边界层区与主流区 边界层区：流体的粘性作用起主导作用
主流区：速度梯度为0，τ=0；可视为无粘性理想流体

u , 牛顿粘性定律 y
2）热边界层（Thermal boundary layer） 热边界层：当壁面与流体间有温差时，会产生温度梯度很大的 温度边界层 热边界层厚度t （温度边 界层）：过余温度（t -tw ） 为来流过余温度（tf - tw ） 的99％处定义为t的外边 界