横掠单管：流体沿 着垂直于管子轴线的方 向流过管子表面。流动 具有边界层特征，还会 发生绕流脱体。
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边界层的成长和 脱体决了外掠圆管 换热的特征。
Nuf(ReP,r)
Nux
hxx
Rex
u x
努塞尔(Nusselt)数 雷诺(Reynolds)数
Pr
a
普朗特数
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横掠管束换热
外掠管束在换热 器中最为常见。 通常管子有叉排 和顺排两种排列 方式。叉排换热 强、阻力损失大 并难于清洗。
Φ h(tA w t )W
对流换热系数(表面传热系数)
hΦ(A(twt))W(m 2K)
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
如何确定h及增强换热的措施是对流换热的核心问题
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对流换热过程微分方 程式
hx
tw
t
yt w,x
hx 取决于流体热导系数、温度差
：导热系数（热导率）[W/( m K)]
? 热流矢量与温度梯度的关系?
成正比，方向相反
6.导热系数Fra bibliotek表征材料导热能力的大小，是一种物性参 数，与材料种类和温度关。
金 属 非金 属 液 固 体 体 气体
在稳态导热中，决定物体内温度分布的是 导热系数。
纯 3 铜 W 9 ( C m 8 ; 大 ) 2 .7 理 W ( C m 石 )
层流：
hfv c d (0 . 8 ,0 . 6 , p 0 . 4 ,0 . 8 , 0 . 4 , 0 . 2 )
强化流体在管内对流换热的 措施： • 在管内加内插物 • 加大管内流体流速 • 把圆管换成椭圆管
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外部流动强制对流换热
外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能 自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。
时间条件：
稳态导热：导热过程的进行不随时间发生变化。 （导热系数）
非稳态导热：导热过程的进行随时间发生变化。 因此，应该说明过程开始时刻物体内的温度分
布。（导温系数）
tf(r, )
非正规状况阶段（起始阶段）、正规状况阶段、 新的稳态
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边界条件
第一类边界条件： 已知任何时刻物体边界面上的温
度值。
c 伴随能量形式的转变；
d 具有强烈的方向性；
e 辐射能与温度和波长均有关；
f 发射辐射取决于温度的4次方。
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(3) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与 单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样。
(4) 辐射换热的特点
a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的 存在，在真空中就可以传递能量 b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换
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对流换热中边界层的示意图
(2) 对流换热：
当流体流过一个物体表面时的热量传递过程， 他与单纯的对流不同，具有如下特点：
a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观 运 动；也必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层
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对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式
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管内强制对流换热
1.流动有层流和湍流之分
层流： 过渡区：
Re2300 2 3 0 0 R e 1 0 0 0 0
旺盛湍流：
10000Re
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2. 入口段的热边界层薄，表面传热系数高。
层流入口段长度: 湍流时:
l/d0 . 0 5R eP r
l/d 60
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层流
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抛物线
湍流 对数曲线
管内对流换热的流态判定：Re 紊流： Re 104
传热学 Heat Transfer
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1
传热学
(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、计算和测试方法
(2) 热量传递过程的推动力：温差
热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给
低温热源 有温差就会有传热 温差是热量
传递的推动力
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2
传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学
0 C :冰 2 .2 W 2 ( m C ;水 ) 0 .5W 5 ( m C 1 )
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蒸汽 0..01W 83 (m C)
q
tw1
tw2
t r
Φ
tw1
tw2
t R
A
R
A
导热热阻
tw1
Q
tw2
A
r
单位导热热阻
导热热阻的图示
如何削弱传热？
8 采用导热系数较小. 的材料使导热热阻增加
和贴壁流体的温度梯度
温度梯度或温度场取决于流体热物性、流动状况 （层流或紊流）、流速的大小及其分布、表面粗
糙度等 温度场取决于流场
速度场和温度场由对流换热微分方程组确定：
连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程
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对流换热的影响因素
对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共 同作用的结果。其影响因素主要有以下五个方面： (1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质
终从高温热源向低温热院传递，如果没有能量形式的转化，
3
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则 始终是守恒的
热量传递的三种基本方式
• 导热(热传导)：conduction • 对流(热对流)：convection • 热辐射：radiation
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导热 Conduction
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1 导热的基本定律：傅立叶定律
ΦAdt W
dx
：热流量，单位时间传递的热量[W]； A：垂直于导热方向的截面积[m2]；
t s tw
第二类边界条件：已知任何时刻物体边界面上的热
流密度。
qs qw
第三类边界条件：已知流体温度和表面传热系数。
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t
.x
xl
h(t
s
tf
)
对流换热 Convection
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2 对流（热对流）(Convection)
(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各 部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热 量由一处传递到另一处的现象。
影响管束换热的因素除Re，Pr 数外，还有：叉 23 排或顺排；管间距. ；管束排数等。
热辐射 Radiation
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热辐射
(1) 定义：有热运动产生的，以 电磁波形式传递能量的现象
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(2) 热辐射特点
a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围 空间发出热辐射；
b 可以在真空中传播；
系统从一个平衡态到 另一个平衡态的过程 中传递热量的多少。
关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
热力学： tm Φ
铁块, M1 300oC
传热学： t ( x, y , z , ) Φ f ( )
水，M2 20oC
图 传热学与热力学的区别
(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始