第5章 对流传热例题
第5章 对流传热理论与计算-4-实验研究法
1
0 L y
y 0
d
Lx
L
1 0
f5
x,
Re,
Pr
dx
32
二 确定相似特征数的方法
h 1
L
1
0 L y
y 0
d
Lx
L
1 0
f5
x,
Re,
Pr
dx
hL
1
0
f5
x, Re, Pr dx
f
Re, Pr
Nusselt数
Nu hL
§5-4 特征数实验关联式的确定
实验研究仍然是目前研究复杂对流传热问题的可靠方法
实验目的：确定表面传热系数计算
直接进行实验时的问题：
——实际物体太大无法进行 ——实际物体可能还没设计出来
原型
实验通常是在实验室中进行的
模型
1
问题1： ——实验室中模型的结果能否代表实际的原型？ 需要相关的理论支持
特征数方程 Nu f Re，Pr
33
努谢尔（Nusselt 1882-1957）
☆德国著名物理学家。
☆1907年，他在慕尼黑高等工业学校完
成了他的博士论文：绝缘物体的导热
研究。
☆从1907年至1909年，开始了管道中热
量和动力传递的研究。
☆1913-1917年期间在德曼斯登高等工
业学校任教。
tw
tf
t tw Ly
L y
y 0
y 0
对流传热例题
例题冷热水通过间壁换热器换热，热水进口温度为90︒C ，出口温度为50︒C ，冷水进口温度为15︒C ，出口温度为53︒C ，冷热水的流量相同，且假定冷热水的物性为相同，则热损失占传热量的 。
A ．5%B ．6%C ．7%D ．8%在管壳式换热器中，热流体从90︒C 冷却至70︒C ，冷流体从20︒C 加热到60︒C ，如两流体作逆流时的对数平均温差为 ；两流体作并流时的对数平均温差为 。
一立式换热器规格如下：管长3m ，管数30根，管径为 φ25×2.5mm ，管程为1。
现拟选用此换热器冷凝、冷却CS 2饱和蒸气，使之从饱和温度46 ︒C 降至10 ︒C ，走管外，其流量W=0.07kg/s ，其冷凝潜热为356kJ/kg ，比热容为1.05kW/(kg ℃) 。
水走管内，且与CS 2呈逆流流动。
冷却水进出口温度为5 ︒C 和30︒C 。
已知冷凝和冷却段基于换热管外表面的总传热系数分别为K 1=200W/(m 2·︒C)和K 2=100 W/(m 2·︒C)。
问此换热器是否合用？解：（1）以管子外表面为基准计算已有换热器的传热面积：2007.73025.014.330m L d n A =⨯⨯⨯==π（2）求所需的传热面积①冷凝段与冷却段的传热量 kW r W Q 9.2435607.0=⨯=⋅= ()()kWT T c W Q s P h h 2065104605.107.022=-⨯=-= 总传热量：kWQ Q Q 5.2765.29.2421=+=+= ②两段的平均温差冷却水用量()()s kg t t C Q W c p c /263.053018.45.2712=-⨯=-=冷却水离开冷凝段的温度 4.718.4263.065.2521=⨯+=+=C p C C W Q t t冷凝段的平均温差 4.16166.38ln 166.381=-=∆m t冷却段的平均温差4.1656.38ln 56.382=-=∆m t ③所需传热面积冷凝段2311184.47.25200109.241m t K Q A m =⨯⨯=∆= 冷却段 2322261.14.161001065.22mt K Q A m =⨯⨯=∆= 22145.661.184.4m A A A =+=+='A >'A ，即已有传热面积大于所需传热面积，所以此换热器合用。
第5章 对流传热的理论基础(杨世铭,陶文栓,传热学,第四版,答案)
第5章 对流传热的理论基础课堂讲解课后作业【5-9】20℃的水以2m/s 的流速平行地流过一块平板，试计算离开平板前缘10cm 及20cm 处的流动边界层厚度及两截面上边界层内流体的质量流量（以垂直于流动方向的单位宽度计）。
取边界层内的流速为三次多项式分布。
【解】20℃的水ν=1.006×10-6 m 2/s ，u=2m/s （1） x =10cm=0.1m56101.98810006.11.02⨯=⨯⨯==-∞νx u Re x ，小于临界雷诺数5×105，是层流边界层。
xRe x 0.5=δ m 101.121421.010006.10.50.50.50.53-6⨯=⨯⨯====-∞∞u x x xu x Re x ννδ选用以下三次多项式作为速度分布的表达式32dy cy by a u +++=式中，4个待定常数由边界条件及边界层特性的推论确定，即0=y 时，0=u 且022=∂∂yuδ=y 时，∞=u u 且0=∂∂yu232dy cy b y u ++=∂∂ dy c y u 6222+=∂∂ 320000⨯+⨯+⨯+=d c b a 0620⨯+=d c32δδδd c b a u +++=∞ 2320δδd c b ++=由此求得4个待定常数0=a δ23∞=u b 0=c 32δ∞-=ud 于是速度分布表达式为33223y u y u u δδ∞∞-=32123⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛=∞δδy y u u ∞∞∞∞∞∞∞∞=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛====⎰⎰⎰⎰u u y y u yy y u y u u u y u u u y u q δρδδδδρδδρδδρρρρδδδδδ8181438143d 2123d d d 34203420300m()s u q kg 1.39922.998101.121485813-m =⨯⨯⨯⨯==∞δρ（2）x =20cm=0.2m56103.97610006.12.02⨯=⨯⨯==-∞νx u Re x ，小于临界雷诺数5×105，是层流边界层。
第五章 传热
第五章传热1. 有一套管换热器，长10m，管间用饱和蒸汽作加热剂，一定流量下且作湍流流动的空气由内管流过，温度可升至指定温度。
现将空气流量增加一倍，并近似认为加热面壁温不变，要使空气出口温度仍保持原指定温度，则套管换热器的长度应为原来的_______。
A：2倍B：1.74倍C：1.15倍D：1.14倍2. 判断下面关于系统进行稳定传热时的说法，错误的是_______。
A：通过一定传热面的传热速率不随时间变化，为一定值B：系统中任一点的温度维持恒定C：总的传热速率等于通过垂直于热流方向的各层传热面的传热速率之和D：系统中任一传热面上的热通量在过程中不变3. 为了减少室外设备的热损失，保温层外所包的一层金属皮应该是_______。
A：表面光滑，颜色较浅B：表面粗糙，颜色较深C：表面粗糙，颜色较浅D：表面光滑，颜色较深4. 双层平壁定态热传导，两层壁厚面积均相等，各层的导热系数分别为λ1和λ2，其对应的温度差为∆t1和∆t2，若∆t1>∆t2，则和的关系为_______。
A：λ1<λ2B：λ1>λ2C：λ1=λ2D：无法确定5. 空气、水、铁的导热系数分别是λ1、λ2和λ3，其大小顺序是_______。
A：λ1>λ2>λ3B：λ1<λ2<λ3C：λ2>λ3>λ1D：λ2<λ3<λ16. 随着温差增加，空气导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定7. 随着温差增加，水的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定8. 随着温差增加，大多数金属材料的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定9. 随着温差增加，大多数非金属材料的导热系数变化趋势是_______。
A：变大B：变小C：不变D：不确定10. 金属的导热系数大都随其纯度的增加而_______。
A：增大B：减少C：不变D：不确定变化11. 有一φ18×2mm的无缝钢管，管内通冷冻盐水，为减少冷量损失，在管外包一导热系数λ＝0.18W/(m℃)的石棉，保温层外壁与空气对流传热系数α＝10W/(m2℃)，原包石棉厚为5mm，现改为8mm，则冷量损失是_______。
化工原理传热习题及答案
化工原理习题及答案第五章传热姓名____________班级____________学号_____________成绩______________一、填空题：1.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃, 而环境温度为20℃, 采用某隔热材料,其厚度为240mm,λ=,此时单位面积的热损失为_______。
(注:大型容器可视为平壁)***答案*** 1140w2.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为500℃, 而环境温度为20℃, 采用某隔热材料,其厚度为120mm, λ=,此时单位面积的热损失为_______。
(注:大型容器可视为平壁)***答案*** 1000w3.（6分）某大型化工容器的外层包上隔热层,以减少热损失,若容器外表温度为150℃, 而环境温度为20℃,要求每平方米热损失不大于500w, 采用某隔热材料,其导热系数λ=,则其厚度不低于_______。
(注:大型容器可视为平壁)***答案*** 91mm4.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形直管内湍流的传热系数表达式为___________________.当管内水的流速为,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为,此时传热系数α=_____________.***答案*** α=0.023(λ/d)Re Prα=3.81(kw.m.K)5.（6分）某间壁换热器中,流体被加热时,圆形管内湍流的传热系数表达式为_____________________.当管内水的流速为,计算得到管壁对水的传热系数α=2.61(kw.m.K).若水的其它物性不变,仅改变水在管内的流速,当流速为,此时传热系数α=________________.***答案*** α=0.023(λ/d)Re Prα=5.26(kw.m.K)6.（3分）牛顿冷却定律的表达式为_________，给热系数（或对流传热系数）α的单位是_______。
化工原理第五章 复习题含答案
第五章 传热一、填空题5.1圆管内强制湍流，流量为V q ，管径为d 时，对流传热系数为1α；若管径不变而流量减少为2V q ，此时对流传热系数为2α，则2α=_0.5743_1α；若流量不变而管径减少为2d ，此时对流传热系数为3α，则3α=_3.482_1α；。
5.2单壳体无相变换热器，管程（水）与壳程（油）的质量流量均一定（流动均处于高度湍流）加热管尺寸不变，若：（1）将总管数变为原来的3/4，则管程对流传热系数i α为原来的_1.259__倍；（2）将单管程改为双管程，其余不变，则管程对流传热系数i α为原来的__1.741_倍；管程阻力损失为原来的_8_倍；5.3用饱和水蒸气在套管式换热器中加热冷空气，此时壁温接近于 _蒸汽_ 的温度。
5.4设计时212121,t t T T q q m m ，，，，均恒定，若将单管程单壳程逆流操作改为双管程单壳程，列管总数维持不变，则K__变大_，Δ tm __变小__（变大、变小、不变）。
5.5当采用复杂流型时，温差修正系数ψ不应小于0.8，其原因是_传热推动力损失大；操作不稳定___。
不考虑工艺方面的因素，试仅从传热角度考虑判断哪一种较好。
5. 6在传热实验中用饱和水蒸汽加热空气，总传热系数K 接近于_空气_侧的对流传热系数，而壁温接近于__水蒸气__侧流体的温度值。
5.7热传导的基本定律是___傅立叶定律____。
5.8间壁换热器总传热系数K 接近于热阻__大__（大，小）一侧的对流传热系数α值，间壁换热器壁温t w 接近于α值__大__（大，小）一侧流体的温度值。
5.9由多层等厚平壁构成的导热壁面中，所用材料导热系数越大，则该壁面的热阻越_小__，其两侧的温差越_小__。
5.10在无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在_滞流层内_，减小热阻最有效的措施是_提高流体的湍动程度，以减薄滞流层的厚度__。
5.11厚度不同的三种材料构成三层平壁，各层接触良好，已知b 1>b 2>b 3，导热系数λ1<λ2<λ3，在稳定传热过程中，各层的热阻__ R 1>R 2>R 3__，各层的传热速率__ Q 1=Q 2=Q 3_。
哈工大传热学答案——第5章
2 0.323u
Re x
0.323 1.045 100 2 1.538 10
5
8.61kg m s 2
hx 0.332
x
2 13 Re1 0.332 x Pr
0.0293 1.538 10 5 0.695 112.6W m 2 K 0.03
Re x 2 0.02 1.006 10 6 =39761.43 （为尽流）
（2）x=20cm=0.2m
4.64
vx 1.006 10 6 0.02 4.64 1.47 10 3 u 2
m
5 m u x d y 998.2 2 1.834 0 8
5-6、已知：如图，高速飞行部件中广泛采用的钝体是一个轴对称的物体。 求：画出钝体表面上沿 x 方向的局部表面传热系数的大致图像，并分析滞止点 s 附近边 界层流动的状态。 （层流或湍流） 。 解：在外掠钝体的对流换热中，滞止点处的换热强度是很高的。该处的流动几乎总处层 流状态，对流换热的强烈程度随离开滞止点距离的增加而下降。 5-7．温度为 80℃的平板置于来流温度为 20℃的气流中．假设平板表面中某点在垂直于 壁面方向的温度梯度为 40
Pr 1 ， Pr 1 ， Pr 1 ，试就外标等温平
板的层流流动， 画出三种流体边界层中速度分布和温度分布的大致图象 （要能显示出 的相对大小） 。 解：如下图：
与 x
5-3、已知：如图，流体在两平行平板间作层流充分发展对流换热。 求：画出下列三种情形下充分发展区域截面上的流体温度分布曲线： （ 1） （2）
kg / m 2
5-10、已知：如图，两无限大平板之间的流体，由于上板运动而引起的层流粘性流动称 为库埃流。不计流体中由于粘性而引起的机械能向热能的转换。 求：流体的速度与温度分布。
第五章对流换热
第五章对流换热思考题1、在对流换热过程中，紧靠壁面处总存在一个不动的流体层，利用该层就可以计算出交换的热量，这完全是一个导热问题，但为什么又说对流换热是导热与对流综合作用的结果。
答：流体流过静止的壁面时，由于流体的粘性作用，在紧贴壁面处流体的流速等于零，壁面与流体之间的热量传递必然穿过这层静止的流体层。
在静止流体中热量的传递只有导热机理，因此对流换热量就等于贴壁流体的导热量，其大小取决于热边界层的厚薄，而它却受到壁面流体流动状态，即流动边界层的强烈影响，故层流底层受流动影响，层流底层越薄，导热热阻越小，对流换热系数h也就增加。
所以说对流换热是导热与对流综合作用的结果。
2、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。
答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。
层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。
紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。
导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。
3、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。
试判断这种说法的正确性?答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。
因此表面传热系数必与流体速度场有关。
4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。
答：依据对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。
层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。
紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。
导热系数越大，将使边界层导热热阻越小，对流换热强度越大；粘度越大，边界层（层流边界层或紊流边界层的层流底层）厚度越大，将使边界层导热热阻越大，对流换热强度越小。
5、对管内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”，从而强化换热。
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Grm
gV td
2 m
3
9.8 3.25 103 50 20 0.43
16.58 10
6 2
2.2245 108
根据Grm得： C=0.48，n=1/4 于是：
Num 0.48 Grm Prm
14
0.48 2.2245 10 0.7
8
14
53.62
19
Num 0.48 Grm Prm
14
0.48 2.2245 10 0.7
8
14
53.62
表面传热系数为：
h Num
m
0.0272 53.62 3.65 W/(m2K) d 0.4
单位管长的对流传热量为：
ql hπd tw t
3.65 π 0.4 50 20 137.46 W/m
20
空气以2.5m/s的速度在内径为22mm、长2.5m的管内 流动，空气的平均温度为39℃，管壁温度为58℃，试 求管内对流传热的表面传热系数。 已知：管内强迫对流传热问题
u=2.5m/s，d=0.022m，l=2.5m，tf=39℃，tw=58℃
" f
' f
" f
hπdlt
' f
m
l
f duc pf t t
4 h t m
60 20 tf'' tf' 47.2 tm ' 90 20 t w tf ln ln '' 90 60 t w tf
12
l
f duc pf t t
" f
' f
4 h t m
999.2 0.02 2.0 4178.4 60 20 4 9515 47.2
= 3.72 m
13
3.72 3.51 100% 5.65% 3.72
tw t ''f
90 60 0.43 ' tw t f 90 20
关于对流传热问题的计算
1
关于对流传热问题的计算
2
关于对流传热问题的计算
3
例题2 关于对流传热问题的计算
4
冷却水以2m/s的速度流过内直径为20mm、内壁面平
均温度为90℃的长铜管，水的进口温度为20℃.试求将其
加热到60 ℃时所需的管长。
分析： 1）首先要判断问题的性质 铜管管壁－导热 流体与管壁－对流传热 水的温度为什么会变化？
来自高温管壁对其的加热作用－对流传热过程5
冷却水以2m/s的速度流过内直径为20mm、内壁面平
均温度为90℃的长铜管，水的进口温度为20℃.试求将其
加热到60 ℃时所需的管长。
分析： 给定了流体速度－强迫对流 流体流动通道（固体壁面的形状）－圆管管内 物理模型：流体在管内的强迫对流传热过程
6
如何计算管长？ 管长体现的是什么？换热面积的差异
壁面温度、管径、流体温度已知，但换热量，表面传热 系数 h 和管长未知？ h可由实验关联式确定，管长待求，那么换热量呢？
7
qm c pf t t
" f
' f
hπdl t
m
f
d2
4
uc pf tf" tf' hπdl tm
8
9
10
11
fd42uc pf t t
17
解：定性温度：
1 1 tm (tw t ) (50 20) 35 ℃ 2 2
查得空气的物性参数： λm=0.0272W/(mK)，νm=16.58×10-6m2/s，Prm=0.7
℃
将空气看作是理想气体：
1 1 V 3.25 103 K-1 Tm 273 35
Nu f 0.116 Re f
23
125 Pr f
13
d 1 l
23
f w
0.14
23 6 0.022 19.05 10 23 13 ＝0.116 3262.16 125 0.699 1 6 2.5 20.0 10
3×109<Gr<2×1010 Gr>2×1010
0.59
0.0292 0.11
1/4
0.39 1/3
高l
高l 高l
1.43×104<Gr<5.76×108
水平圆柱（管） 5.76×108<Gr<4.65×109 Gr>4.65×109
0.48
0.0165 0.11
1/4
0.42 1/3
直径 d
直径 d 直径 d
14
一水平放置的架空输油管道，保温层外径do=400mm， 壁温tw=50℃，周围空气温度t∞=20℃。试计算输油管道 外壁面的在无风时的对流散热量。
分析：
（1）所求：输油管外表面的对流散热量－对流传热问 题
（2）无风：自然对流传热 物理模型：大空间的自然对流传热问题
15
一水平放置的架空输油管道，保温层外径do=400mm， 壁温tw=50℃，周围空气温度t∞=20℃。试计算输油管道 外壁面的在无风时的对流散热量。
物理模型：大空间的自然对流传热问题
计算依据：麦克亚当（McAdams）实验关联式
Num C Grm Prm CRa
n
n m
16
计算依据：麦克亚当（McAdams）实验关联式
Num C Grm Prm CRa
n
换热面形状和位置 适用范围 C
n m
n 定型尺寸
1.43×104<Gr<3×109 竖平板和竖圆柱 （管）
求h
21
已知：管内强迫对流传热问题
u=2.5m/s，d=0.022m，l=2.5m，tf=39℃，tw=58℃ 求h
，
解: (1) 以 tf=39℃ 为定性温度，查得
f 16.86 10 m /s
6 2
f 19.05 106 kg/(m K)
f 0.0275W/ m K
Prf 0.699
22
以 tw=58℃ 查得：
w 20.0 10 kg/(m s)
6
（2）空气在管内流动的雷诺数为：
Re f
ud
f
2.5 0.022 3262.16 6 16.86 10
2300 <Re< 10000，处于过渡流状态
23
（3）选用豪森公式进行计算