第六章 第四、五、六节传热学讲稿
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传热学(全套课件666P) ppt课件
1A 1 (T 1 4T 2 4) （ 1-9 ）
§1-3 传热过程和传热系数
一、传热过程 1 、概念
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到 另一侧流体中去的过程称传热过程。
2 、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成， 即：
① 热流体 → 壁面高温侧； ② 壁面高温侧 → 壁面低温侧； ③ 壁面低温侧 → 冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
二、对流
1 、基本概念
1) 对流：是指由于流体的宏观运动，从而使 流体各部分之间发生相对位移，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递过程。 对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随 有导热现象。
2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的 热量传递过程，称为对流换热。
2 、对流换热的分类
1）根据对流换热时是否发生相变分：有
第一章
绪
论
§1-0 概 述
一、基本概念
❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物物体。
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
t f1 tw1
Ah 1
tw1 tw2 A /
t w 2 t f 2 Ah 2
（d） （e） （f）
三式相加，整理可得:
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
也可以表示成:
（1-10）
A(tkf1tf2)A k t （1-11）
式中， k称为传热系数，单位为
。
W/ m2K
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏 观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
§1-3 传热过程和传热系数
一、传热过程 1 、概念
热量由壁面一侧的流体通过壁面传到 另一侧流体中去的过程称传热过程。
2 、传热过程的组成 传热过程一般包括串联着的三个环节组成， 即：
① 热流体 → 壁面高温侧； ② 壁面高温侧 → 壁面低温侧； ③ 壁面低温侧 → 冷流体。 若是稳态过程则通过串联环节的热流量相同。
二、对流
1 、基本概念
1) 对流：是指由于流体的宏观运动，从而使 流体各部分之间发生相对位移，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递过程。 对流仅发生在流体中，对流的同时必伴随 有导热现象。
2) 对流换热：流体流过一个物体表面时的 热量传递过程，称为对流换热。
2 、对流换热的分类
1）根据对流换热时是否发生相变分：有
第一章
绪
论
§1-0 概 述
一、基本概念
❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物物体。
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
t f1 tw1
Ah 1
tw1 tw2 A /
t w 2 t f 2 Ah 2
（d） （e） （f）
三式相加，整理可得:
A(t f 1 t f 2 )
1 1
h1 h2
也可以表示成:
（1-10）
A(tkf1tf2)A k t （1-11）
式中， k称为传热系数，单位为
。
W/ m2K
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏 观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
传热学第六章课件
ε t ： 温差修正系数；
ε R：弯管效应修正系数。（详见后述）
14
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
① ε l 为考虑入口段对平均对流传热系数影响的入口效应修正系
数，又称管长修正系数。
εl≥1
15
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
3 加热液体或冷却气体
18
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
② ε t 为温差修正系数：
综上所述，不均匀物性场对对流传热的影响，视液体还是气体、
加热还是冷却以及温差大小而异，温差修正系数εt 一般可按下式
计算：
液体：
加热
冷却
气体：
加热
冷却
19
第一节 单相流体的强迫对流传热
气体：
εR≥1
式中，R为弯管的弯曲半径
液体：
※特别地，对于蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；
而直管段较长时（如锅炉过热器、省煤器的管子以及化工厂蛇形
管换热器中的管子等），弯曲管段对整个管子平均对流传热系数
的影响不大，可近似取εR=1。
21
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
长铜管，进、出口温度分别为20℃和60℃。设铜管内壁的平
均温度为90℃，试计算冷却水侧的对流传热系数及单位管长
的传热量。
解： 由题意，
① 选取特征温度，查取有关物性参数值。
27
第一节 单相流体的强迫对流传热
② 计算雷诺数Re，判定流动状态。
③ 选取公式，计算Nu数，进一步计算平均对流传热系数h。
ε R：弯管效应修正系数。（详见后述）
14
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
① ε l 为考虑入口段对平均对流传热系数影响的入口效应修正系
数，又称管长修正系数。
εl≥1
15
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
3 加热液体或冷却气体
18
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
② ε t 为温差修正系数：
综上所述，不均匀物性场对对流传热的影响，视液体还是气体、
加热还是冷却以及温差大小而异，温差修正系数εt 一般可按下式
计算：
液体：
加热
冷却
气体：
加热
冷却
19
第一节 单相流体的强迫对流传热
气体：
εR≥1
式中，R为弯管的弯曲半径
液体：
※特别地，对于蛇形管，直管段较短时必须考虑弯曲段的影响；
而直管段较长时（如锅炉过热器、省煤器的管子以及化工厂蛇形
管换热器中的管子等），弯曲管段对整个管子平均对流传热系数
的影响不大，可近似取εR=1。
21
第一节 单相流体的强迫对流传热
（1）湍流强迫对流传热（P90-91）
长铜管，进、出口温度分别为20℃和60℃。设铜管内壁的平
均温度为90℃，试计算冷却水侧的对流传热系数及单位管长
的传热量。
解： 由题意，
① 选取特征温度，查取有关物性参数值。
27
第一节 单相流体的强迫对流传热
② 计算雷诺数Re，判定流动状态。
③ 选取公式，计算Nu数，进一步计算平均对流传热系数h。
《传热学对流换热》PPT课件
✓ 由于流体的粘性和受壁面摩擦阻力的影响，紧贴壁面 处会形成速度梯度很大的边界层对流换热的机理与通 过紧靠换热面的薄膜层的热传导有关。
对流传热过程分类
传热学 / 对流换热
传热学 / 对流换热
6-0 有关概念
传热学 / 对流换热 一、实际流体的粘性和运动状态 〔一〕实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质。 表达流体内摩擦力及粘性作用的实验
度〔流动〕边界层。
• 理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力 等于零。这样的流体称为理想流体。
传热学 / 对流换热
〔二〕热边界层〔温度边界层〕
1、热边界层的形成原因 流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进
展对流换热，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到 主流温度。
近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有 热量的传递〔导热〕。
2、层流和湍流
传热学 / 对流换热
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存
在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换。
湍流〔紊流〕：流体质点做复杂无规那么的运动。 特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规那么的
混杂现象。
传热学 / 对流换热
3、临界速度 u c
Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层 流到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区。
传热学 / 对流换热
5、层流底层〔贴壁流体层〕 流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一 层流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加〔即Re增加〕 而减薄。
湍流核心
层流底层
传热学 / 对流换热
〔2〕层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较 弱；〔有热边界层和层流速度边界层〕
对流传热过程分类
传热学 / 对流换热
传热学 / 对流换热
6-0 有关概念
传热学 / 对流换热 一、实际流体的粘性和运动状态 〔一〕实际流体的粘性 1、粘性 是指流体流动时流体内部产生内摩擦力的性质。 表达流体内摩擦力及粘性作用的实验
度〔流动〕边界层。
• 理想流体：在速度边界层外，速度梯度等于零，粘性力 等于零。这样的流体称为理想流体。
传热学 / 对流换热
〔二〕热边界层〔温度边界层〕
1、热边界层的形成原因 流体流过壁面时，如果流体与壁面之间存在温差而进
展对流换热，沿壁面法线方向流体的温度从壁面温度变到 主流温度。
近壁流体中温度梯度的存在，说明流体与壁面之间有 热量的传递〔导热〕。
2、层流和湍流
传热学 / 对流换热
层流：整个流场呈一簇互相平行的流线。 特点：流体具有明显分层流动现象，相邻两层之间不存
在流体微团的混杂，而只有分子间的相互交换。
湍流〔紊流〕：流体质点做复杂无规那么的运动。 特点：流体在流动的垂直方向上出现明显而不规那么的
混杂现象。
传热学 / 对流换热
3、临界速度 u c
Re的值界于上、下临界雷诺数之间时，流体处于层 流到湍流的过渡状态，这一区域称为过渡区。
传热学 / 对流换热
5、层流底层〔贴壁流体层〕 流体在做湍流运动时，在管壁附近形成一 层流速很低的极薄的层流，称为层流底层。
层流底层的厚度随着流速的增加〔即Re增加〕 而减薄。
湍流核心
层流底层
传热学 / 对流换热
〔2〕层流状态时，以导热为主， dt/dy较大，对流换热较 弱；〔有热边界层和层流速度边界层〕
传热学基本知识PPT课件
Qt1t2t3 t1t4
R1R2R3
R
通过各层的导热量相同， 各层导热所遵循的规律相同
2021
29
传热学基本知识
热传导
4、导热计算 3）单层圆筒壁的稳定热传导
特点：单层圆筒壁的导热面积不是常量，随圆
筒半径而变、同时温度也只是随半径而变。
Q t1 t2 R
t
A均
A均=2πr均L
r均
r2 r1 ln r2
导热分为两类
稳定导热：温度不随时间而变化的导热 不稳定导热：温度随时间而变化的导热
知识回顾
2021
23
传热学基本知识
热传导
2、傅里叶导热定律
热传导的速率与垂直于热流方向的表面积成正比，与壁面两侧的温差成正比，与壁厚成反比。
QAt1t2
q
Q A
t
Q
t
t R
A
Q 导热量，传热速率 , W;
导热动力 导热阻力
自然对流
泡状沸腾或泡核沸腾（传热系数大）
膜状沸腾
2021
36
蒸汽冷凝时的对流传热
蒸汽冷凝的对流传热
蒸汽是工业上最常用的热源，在锅炉内利用煤燃烧 时产生的热量将水加热汽化，使之产生蒸汽。蒸汽在饱 和温度下冷凝成同温度的冷凝水时，放出冷凝潜热，供 冷流体加热。
2021
37
蒸汽冷凝时的对流传热
(1) 蒸汽冷凝的方式
t t1t2 l n t1 t2 2021
当⊿t1/⊿t2＜2时
⊿t=(⊿t1+⊿t2)/2
15
（2）双侧变温时的平均温度差
并流
逆流
错流
折流
①并流时的(对数)平均温度差
传热学第六章
定性温度： Prw的定性温度为tw，其它物性的定性温度为t.。 式中C和.m的数值列于下表。
第六章 单相对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联式
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
6-2
可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同：
qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于 短管，进口段的影响不能忽略，可用齐德－泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：
在计算弯管内的对流换热时， 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明：
1）上述公式都属于经验公式，当采用公式进行对流换热计算 时，要注意每个公式的使用条件；
2）在对流换热的研究中，曾经提出过数以十计的关联式，以 上几个公式只是有代表性的几个；
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义
第六章 单相对流传热的实验关联式
第六章 单相对流传热的实验关联式
外掠平板流动
内部流动
6-3 内部强制对流换热实验关联式
6.3.1. 管槽内强制对流流动与换热的特点 1.两种流态
6.3.1.管槽内强制对流流动与换热的特点 2. 入口段与充分发展段
流动进口段与充分发展段
管内等温层流流动充分发展段具有以下特征： (a) 沿轴向的速度不变，其它方向的速度为零； (b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布；
6-2
可见，对于圆形管道，边界条件不同，对流换热强度也不同：
qw = 常数，Nu = 4.36，tw = 常数，Nu = 3.66。
6.3.3 管内层流强制对流换热关联式
对于长管，可以利用表中的数值进行计算。对于 短管，进口段的影响不能忽略，可用齐德－泰特关系式 计算等壁温管内层流换热的平均努塞尔数：
在计算弯管内的对流换热时， 应在直管基础上加乘弯管修正因
子c R 。
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
6.3.2 管内湍流强制对流换热关联式
对上述公式的几点说明：
1）上述公式都属于经验公式，当采用公式进行对流换热计算 时，要注意每个公式的使用条件；
2）在对流换热的研究中，曾经提出过数以十计的关联式，以 上几个公式只是有代表性的几个；
相似原理指导下的实验研究仍然是解决复杂对 流换热问题的可靠方法。 相似原理回答三个问题： （1）如何安排实验？ （2）如何整理实验数据？ （3）如何推广应用实验研究结果？
6-1 相似原理与量纲分析
6-1 相似原理与量纲分析
6.1.1物理现象相似的定义
传热学完整课件PPT课件
原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的）
的作用。
说明：只研究导热现象的可宏编观辑课规件 律。
18
2 、导热的基本规律
❖ 1 ）傅立叶定律 ❖ （ 1822 年，法国物理学家）
如图 1-1 所示的两个表面分别维持均匀
恒定温度的平板，是个一维导热问题。对于
x方向上任意一个厚度为的微元层来说，根
据傅里叶定律，单位时间内通过该层的导热
可编辑课件
8
b 微电子： 电子芯片冷却
c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存
d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存
e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵
f 新能源：太阳能；燃料电池
可编辑课件
9
三、传热学的特点、研究对象及研究方法
1、特点
❖ 1 ）理论性、应用性强
机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热
过程。
可编辑课件
4
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
2 、传热学在生产技术领域中的应用十分广 泛。如：
(1) 日常生活中的例子：
❖ 3 、研究方法
❖ 研究的是由微观粒子热运动所决定的
宏观物理现象，而且主要用经验的方法寻
求热量传递的规律，认为研究对象是个连
续体，即各点的温度、密度、速度是坐标
的连续函数，即将微观粒子的微观物理过
程作为宏观现象处理。
可编辑课件
13
由前可知，热力学的研究方法仍是如此，但 是热力学虽然能确定传热量（稳定流能量方 程），但不能确定物体内温度分布。
传热学讲义
A
dx
W m 2
称Fourier（傅立叶）定律
t
dx
dt 0
Q
x
一维稳态平板内导热
：热流量，单位时间传递的热量[W]； q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量； A：垂直于导热方向的截面积[㎡]；
：导热系数（热导率）[W/( m K)]
(5) 导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与
(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
物体热力学能 电磁波能 物体热力学能 c 无论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁 波 能、相互辐射能量；高温物体辐射给低温物体的能 量大于低温物体辐射给高温物体的能量；总的结果 是热由高温传到低温
0
tw1
φ
A
x
tw2
导热热阻的图示
2 对流（热对流）(Convection)
⑴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。
(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
（7）黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann (斯特藩-波尔兹曼)定律
AT 4
q T 4
σ——黑体辐射常数，5.67×10-8 W/(㎡·K4)
传热学-第六章5
二. 自然对流与强制对流并存的混合对流 在实际对流问题中总是自然对流与强制对流相混合。 在实际对流问题中总是自然对流与强制对流相混合。 因为有温差才能换热，而有温差就有自然对流， 因为有温差才能换热，而有温差就有自然对流，因 而受迫对流中必然存在自然对流。在分析计算时可 简化。 简化。 强制对流，主要是惯性力起作用；自然对流， 强制对流，主要是惯性力起作用；自然对流，主要是 浮升力起作用，在处理问题时， 浮升力起作用，在处理问题时，是否忽略自然对流或 强迫对流取决于浮升力与惯性力的比值 取决于浮升力与惯性力的比值。 强迫对流取决于浮升力与惯性力的比值。 3 2
Ra < 108
Ra = Gr ⋅ Pr > 109
——层流 层流 ——紊流 紊流 ——过渡 过渡
108 < Ra < 109
在本课程中用Gr数判别流态。 在本课程中用Gr数判别流态。 Gr数判别流态
一. 大空间自然对流换热的实验关联式 1）由实验可知：气体自然对流关联式为： ）由实验可知：气体自然对流关联式为： ( P r )
算h，再校核假定值。 ，再校核假定值。
空气在横圆柱外自然对流的统一关联式： 5）空气在横圆柱外自然对流的统一关联式：
Nu=
0 . 3 6
适用范围： 适用范围： 定性温度为： 定性温度为：
Gr + 1 0 6 1 . 3 1 01 3 Gr = − → × ( ) / 2 tm = tw + ∞ t
2、自然对流的特点：a)如图竖直放置的热壁与冷流体 自然对流的特点： 如图竖直放置的热壁与冷流体
接触， 接触，在近壁处会形成温度边界层和速度边界层且
δ ＝δt在贴壁处由于粘性的作用，速度为零，在边界 在贴壁处由于粘性的作用，速度为零，
传热学 第6章
h(Ts − T∞ )
dT − k fluid dy
y= 0
hLc Nu = k fluid
conductive resist. in the solid vs. convective resist. in the fluid
h(Ts − T∞ )
ksolid
− ksolid
dT dy
Bi =
y= 0
hLc k solid
9 10
Characteristic length Lc is also different !!!!
V∞ ,T∞
No slip condition The fluid adheres to the solid surface, at which the fluid velocity equals to zero. This is called no slip conditions.
y
Bulk Fluid
T2 Fluid layer · Q
The local heat transfer coefficients vary along a surface. The average coefficients are obtained by integrating local values over the entire surface. Average heat transfer coefficients
y =0
2
Newtonian Fluid
Friction(drag) force:
FD = C fA
ρV∞ 2
2
(N)
μ, dynamic viscosity of the fluid, kg/m·s
传热学课件课件
❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化
❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方 面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
❖ 2 、研究对象 ❖ 传热学研究的对象是热量传递规律。 ❖ 3 、研究方法
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
❖ 黑体在单位时间内发出的辐射热量服从于 斯忒藩——玻耳兹曼定律，即
AT 4 （1-7）
其中 T ——黑体的热力学温度 K ；
——斯忒潘—玻耳兹曼常数（黑体辐 射常数），其值为 5.6710-；8 W/ m2 K4
A——辐射表面积 m2 。
实际物体辐射热流量根据斯忒潘——玻耳 兹曼定律求得：
⑤热辐射现象仍是微观粒子性态的一种宏 观表象。
⑥ 物体的辐射能力与其温度性质有关。这 是热辐射区别于导热，对流的基本特点。
2 、热辐射的基本规律：
❖ 所谓绝对黑体：把吸收率等于 1 的物体
称黑体，是一种假想的理想物体。
❖ 黑体的吸收和辐射能力在同温度的物体中
是最大的而且辐射热量服从于斯忒藩—— 玻耳兹曼定律。
二、讲授传热学的重要性及必要性
1 、传热学是热工系列课程教学的主要内容 之一，是建环专业必修的专业基础课。是 否能够熟练掌握课程的内容，直接影响到 后续专业课的学习效果。
第六章 第四、五、六节传热学讲稿
临界热流密度
• 定义：核态沸腾终点时所对应的热流密度称为临 界热流密度。用符号 q max 表示。 • 意义：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热 设备（如电加热器、对冷却水加热的核反应堆等 设备）， 临界热流密度是最大值，是不能超过的， 否则，设备将有被烧毁的危险。 • 有时临界点也被称为“烧毁点”。
膜态沸腾的特点
随着壁面温度的进一步提高，壁面上已形成稳定 的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律的排列膜层，热 流密度随壁面过热度的增加而增加。此段称为稳 定膜态沸腾 膜态沸腾区。稳定膜态沸腾区在物理上与膜状 膜态沸腾 凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻 较大的汽膜，而不是液膜，所以换热系数比凝结 要小得多。
重力加速度对沸腾换热的影响
随着航空航天技术的发展，对超重力及微重力情 况下传热规律的研究在近几十年中得到了很大的 发展。关于重力场对沸腾换热的影响，现有的研 究结果表明，在很大的变化范围内重力加速度几 乎对核态沸腾的换热规律没有影响。但是重力加 速度对液体自然对流则有显著的影响。在零重力 场的情况下，沸腾换热的规律还缺乏足够的研究。
液位高度对沸腾换热的影响
• 在大容器沸腾中，当传热面上的 液位高度足够高时，沸腾换热表 面传热系数与液位高度无关。 • 但是当液位高度降低到一定值时， 沸腾换热的表面传热系数会明显 地随着液位的降低而升高。这一 特定的液位值称为临界液位 临界液位。 临界液位 • 对于常压下的水，其值约为5mm。 低液位沸腾在热管及电子器件冷 却中有重要的应用。下图给出的 三条实验曲线，说明了液位高度 与沸腾换热表面传热系数的关系。
各种沸腾换热的定义
• 饱和沸腾 饱和沸腾：流体主体温度达到饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸 腾。 • 过冷沸腾 过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为过冷沸 腾。 • 大空间沸腾 大空间沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液体 中所发生的沸腾称为大空间沸腾换热。 • 管内强制对流沸腾 管内强制对流沸腾：流体在管内流动时发生的沸 腾称为管内强制对流沸腾。
传热学5-6
大多数建筑材料和绝热材料具有多孔或纤维结构 多孔材料的热导率与密度和湿度有关 保温材料： 国 家 标 准 规 定 ， 温 度 低 于 350 度 时 热 导 率 小 于 0.12W/(mK)的材料（绝热材料）
8
、湿度
导热系数理解与应用
思考 1. 现在的建筑物多采用空心砖，试以热传导 的知识解释其理由。
稳态导热： q w const
非稳态导热：q w
f ( )
0
时 ( t n ) w f 2 ( )
28
（3）第三类边界条件: 当物体壁面与流体相接触进行对流 换热时，已知任一时刻边界面周围 流体的温度和表面传热系数
牛顿冷却定律： 傅里叶定律：
tf, h qw
q w h (t w t f )
12
理论基础：傅里叶定律
方法：
从导热体内任意取出一个边长分 别为dx, dy, dz的微元平行六面体 进行能量收支平衡分析 假定该微元体积处于热平衡状态 (与外界无功的交换) 根据能量守恒定律，在dτ时间内
x
z dz
y dy
x dx
z
z
⊿d ⊿v 导入与导出微元体的净热量＋微元体内热源的发热量 ＝微元体热力学的增加
2. 两块厚度为d的双层玻璃窗和一块厚度为2d 的单层玻璃窗，哪种更节能？
9
2.2 导热问题的数学描写
10
2.2.1 导热微分方程的推导
为了获得导热物体温度场（温度分布）的数学表达 式，必须根据能量守恒定律与傅立叶定律，建立导 热物体中的温度场应满足的数学表达式，称为导热 微分方程。
所有导热物体的 温度场都应满足
传热学讲义对流换热——第六章
第六章 单相流体对流换热及准则关联式第一节 管内受迫对流换热本章重点：准确掌握准则方程式的适用条件和定性温度、定型尺寸的确定。
1-1 一般分析),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ=流体受迫在管内对流换热时，还应考虑以下因素的影响：① 进口段与充分发展段，② 平均流速与平均温度，③ 物性场的不均匀性，④ 管子的几何特征。
一、进口段与充分发展段1．流体在管内流动的主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动进口（或发展）段和流动充分发展段，如图所示。
（1）从管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口段。
（2）进入定型流动的区域称为流动充分发展段。
在流动充分发展段，流体的径向速度分量v 为零，且轴向速度u 不再沿轴向变化，即：0=∂∂xu， 0=v 2．管内的流态（1）如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。
2300Re <用νdu m =Re 判断流态, 式中 m u 为管内流体的截面平均流速， d 为管子的内直径，ν为流体的运动黏度。
（2）如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。
410Re >（3）如果边界层汇合时正处于流动从层流向紊流过渡的区域，那么其后的流动就会是过渡性的不稳定的流动，称为流体管内过渡流动过程。
410Re 2300<<3．热进口段和热充分发展段当流体温度和管壁温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流， 热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。
热充分发展段的特征对常物性流体，在常热流和常壁温边界条件下，热充分发展段的特征是：)(1x f t f =及)(2x f t w =与管内任意点的温度),(r x f t =组成的无量纲温度⎪⎪⎭⎫⎝⎛--x f x w w t t t t ,,x ,随管长保持不变，即： 0,,x ,=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--∂∂x f x w w t t t t x 式中，t —管内任意点的温度，),(r x f t = ⇒xf x w w t t tt ,,x ,--仅是r 的函数。
传热学讲义
（7）黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann (斯特藩-波尔兹曼10-8 W/(㎡·K4)
真实物体则为： AT 4
（8）两黑体表面间的辐射换热
A (T14 T24 )
T1
T2
T14
T24
q12 (T14 T24)
按温度与时间的依变关系，可分为 稳态和非稳态两大类
稳态：温度场不随时间变化而变化
非稳态：周期性 瞬态
热量传递的三种基本方式
热传导（导热）conduction
热对流（对流）convection
热辐射
thermal radiation
1 导热（热传导）(Conduction)
⑴定义： 指同一物体温度不同的各部分或温度不同的两物体间直接接触 时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量 传递现象。
(2)物质的属性： 可以在固体、液体、气体中发生 (3)导热的特点： a 必须有温差； b 物体直接接触；
c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 传递热量；
d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。
热运动而
(4)导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier:
Φ A dt W
dx
q Φ dt
Δt——换热温差，℃
(5) 对流换热系数
（Convection heat transfer coefficient）
h Φ (A(tw t )) W/㎡·℃
当流体与壁面温度相差1℃时、每单位壁面 面积上、单位时间内所传递的热量
影响h因素：
流速、流体物性、壁面形状大小等
(6) 对流换热热阻： Thermal resistance for convection
传热学-第六章3-4
换热时管内速度分布： 1——等温流 2——冷却液体或加热气体 3——加热液体或冷却气体
第五章 对流换热 19
3）弯管的影响：当流体沿弯管流动时由于离心力的作
用，管外侧的压力大于内侧，使外测流体流向内侧， 形成二次回流。增强了边界层的扰动，加强了换热。 其h值在直管的基础上进行修正，乘上修正系数cr。
续表
由上两表得出： 1）均匀热流条件下的Nu数比均匀壁温下的Nu数大. 2）层流充分发展段的换热与Re无关，但紊流却于 Re数有关。 3）使用当量直径作为特征长度，不同截面的管道 层流充分发展段的Nu数不相等。
实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段 的范围。可采用下列齐德－泰特公式。
层流
湍流
无论层流还是紊流，流体在管内流动都可分为两段： 流动入口段和流动充分发展段 起始段：
l 0.065 Re d
2. 对流换热特点
当流体与管壁发生对流换热时，有热边界层形成， 热边界层厚度不断增加，直至等于管半径处。 热起始段特点： 1）层流时，hx随δt增加而下降（导热厚度大，Φ下降） 在层流向紊流过渡时， hx上升，故从加强换热的角 度看，应使流动处于紊流。 2）层流热边界层起始段长度: L 0.05 Re Pr d 湍流热边界层起始段长度: L 60
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 气体： 水： 油：
t 500 C t 20 t 100 C 300 C
大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯－贝尔特修正公式
0.8 Nuf 0.023 Ref Prfn ct
对气体被加热时，
Tf ct Tw
可用（5－54）式
Nu 0.023Re0.8 Pr 0.4 189.1 Nu h 6064 W / m2℃ d
第五章 对流换热 19
3）弯管的影响：当流体沿弯管流动时由于离心力的作
用，管外侧的压力大于内侧，使外测流体流向内侧， 形成二次回流。增强了边界层的扰动，加强了换热。 其h值在直管的基础上进行修正，乘上修正系数cr。
续表
由上两表得出： 1）均匀热流条件下的Nu数比均匀壁温下的Nu数大. 2）层流充分发展段的换热与Re无关，但紊流却于 Re数有关。 3）使用当量直径作为特征长度，不同截面的管道 层流充分发展段的Nu数不相等。
实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段 的范围。可采用下列齐德－泰特公式。
层流
湍流
无论层流还是紊流，流体在管内流动都可分为两段： 流动入口段和流动充分发展段 起始段：
l 0.065 Re d
2. 对流换热特点
当流体与管壁发生对流换热时，有热边界层形成， 热边界层厚度不断增加，直至等于管半径处。 热起始段特点： 1）层流时，hx随δt增加而下降（导热厚度大，Φ下降） 在层流向紊流过渡时， hx上升，故从加强换热的角 度看，应使流动处于紊流。 2）层流热边界层起始段长度: L 0.05 Re Pr d 湍流热边界层起始段长度: L 60
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 气体： 水： 油：
t 500 C t 20 t 100 C 300 C
大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯－贝尔特修正公式
0.8 Nuf 0.023 Ref Prfn ct
对气体被加热时，
Tf ct Tw
可用（5－54）式
Nu 0.023Re0.8 Pr 0.4 189.1 Nu h 6064 W / m2℃ d
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气泡动力学简介
气泡动力学简介
气泡成长过程
气泡存在的条件
气泡的成长过程
• 实验表明，在通常情况下，沸腾时汽泡只发生在 加热面的某些点，而不是整个加热面上。这些产 生汽泡的点称为汽化核心。比较普遍的看法是， 壁面上的凹穴和裂缝处易残留气体，是最好的汽 化核心。在汽化核心产生的汽泡，由于受到周围 加热面的加热，汽、液交界面上的液体继续蒸发， 汽泡长大。待汽泡长大到一定的程度后，汽泡受 到的液体浮力超过汽、固间产生的表面张力，汽 泡便脱离加热面，四周的液体来补充汽泡脱离后 留下的空间。 • 演示：单个气泡的生成长大过程
pl ps
2 R pv p s
tl ts tv
对汽泡存在条件的分析
• 还应该指出，平衡状态的汽泡是很不稳定的。汽泡半径稍 微小于上式所要求的半径，表面张力大于压差，则汽泡内 蒸汽凝结，汽泡瓦解。只有半径大于上式所要求的半径时， 界面上液体不断蒸发，汽泡才能成长。 • 在一定壁面过热度条件下，壁面上只有满足上式条件的那 些点，才能成为工作的汽化核心。 • 随着壁面过热度的提高，压差的值越来越高。所以汽泡的 平衡半径将递减。因此，壁面温度提高时，壁面上越来越 小的存气凹穴处将成为工作的汽化核心，因此汽化核心数 随壁面过热度提高而增加。 • 关于加热表面上汽化核心的形成及关于汽泡在液体中长大 与运动规律的研究，无论对于掌握沸腾换热的机理以及强 化沸腾换热的表面都具有十分重要的意义。现有的预测沸 腾换热的各种物理模型都是基于对成核理论及汽泡动力学 的某种理解而建立起来的。
气泡存在的条件
• 右图所示为在流体中存在的一 个球形汽泡，它与周围液体处 于力平衡和热平衡条件下。 • 汽泡受力分析如图所示。 • 由于表面张力的作用，汽泡内 的压力必须大于汽泡外的压力。 根据力平衡条件，汽泡内外压 差应被作用于汽、液界面上的 表面张力所平衡，即 • 由此可以得到汽泡在液体中存 在的条件为
孤立气泡区的照片
汽块区的照片
过渡沸腾区域的特点
从峰值点开始进一步提高壁面温度时，会发现换热规律出 现几乎寻常的变化。此时，热流密度不仅不随的温度的升 高而提高，反而是越来越低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加 热面上，壁面上生成的气泡不能自由升腾，蒸汽排除的过 程越趋恶化。这种情况一直持续到达到最低热流密度为止。 这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的沸腾过程。
各种沸腾换热的定义
• 饱和沸腾：流体主体温度达到饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为饱和沸 腾。 • 过冷沸腾：流体主体温度低于饱和温度 t s ，壁面 温度t w 高于饱和温度时所发生的沸腾称为过冷沸 腾。 • 大空间沸腾：加热面沉浸在具有自由表面的液体 中所发生的沸腾称为大空间沸腾换热。 • 管内强制对流沸腾：流体在管内流动时发生的沸 腾称为管内强制对流沸腾。
核态沸腾区的特点
• 当壁面过热度进一步增加时，加热面上开始出现汽泡。
• 开始阶段，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称独立汽 泡区； • 随着壁面过热度的进一步提高，汽化核心数增加，汽泡互 相影响，并会形成汽块或汽柱； • 在这两个区域中，汽泡的扰动剧烈，换热系数和热流密度 都急剧增大。由于汽化核心对换热起着决定性的影响，这 两区的沸腾统称为核态沸腾（或称为泡状沸腾）。核态沸 腾具有温差小、换热强的特点，所以一般工程应用都设计 在这个范围。核态沸腾的终点即为热流密度最大时对应的 点。
大气压力下饱和沸腾的分析
• • • • • 演示：大气压力下大空间饱和沸腾过程 第一个区域：自然对流区； 第二个区域：核态沸腾区； 第三个区域：过渡沸腾区； 第四个区域：稳定的膜态沸腾区。
自然对流区的特点
壁面过热度较小时（ t 5 ℃），加热面上不产生 汽泡，只有被加热表面加热的液体向上升浮，该 区域称为自然对流区，此时的换热遵从单项流体 的对流换热规律。
• 定义：核态沸腾终点时所对应的热流密度称为临 界热流密度。用符号 qmax 表示。 • 意义：对于依靠控制热流密度来改变工况的加热 设备（如电加热器、对冷却水加热的核反应堆等 设备）， 临界热流密度是最大值，是不能超过的， 否则，设备将有被烧毁的危险。 • 有时临界点也被称为“烧毁点”。
管沸腾简介内
• 管内强制对流换热时，由于产生的 蒸汽混入液流，会出现多种不同形 式的两相流结构，换热机理也很复 杂。右图展示的是竖管内的强制对 流换热。 • 随着流动过程的进行，流动依次出 现单相流、泡状流、块状流、环状 流和单相流。 • 相应的换热会出现未饱和流体的对 流换热、过冷沸腾换热、核态沸腾、 液相对流沸腾、湿蒸汽换热和过热 蒸汽换热。 • 对流换热表面传热系数也会出现如 图所示的相应变化。
膜态沸腾的特点
随着壁面温度的进一步提高，壁面上已形成稳定 的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规律的排列膜层，热 流密度随壁面过热度的增加而增加。此段称为稳 定膜态沸腾区。稳定膜态沸腾区在物理上与膜状 凝结有共同点，不过因为热量必须穿过的是热阻 较大的汽膜，而不是液膜，所以换热系数比凝结 要小得多。
临界热流密度
第五节 沸腾换热的计算
• 大容器饱和核态沸腾换热的计算 • 大容器沸腾的临界热流密度计算
• 大容器膜态沸腾换热的计算
大容器饱和核态沸腾换热的计算
• 影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核 心数，而汽化核心数又受到壁面材料及其表面状 况、压力、物性的支配。 • 由于因素比较复杂，如壁面的表面状况需视表面 污染、氧化程度而有不同等情况，因此各文献提 出的计算式分歧较大。 • 在此仅介绍两种类型的计算式： (1)是针对一种液体的； (2)是广泛适用于各种液体的。 • 一般而言，针对性强的计算式精度比较高。
pl pv
压力
R 2 pv pl
R 表面张力
2R
R 2 pv pl 2R
2 R pv pl
对汽泡存在条件的分析
• 如果忽略液柱高度的影响，对 于饱和沸腾有 • 所以，汽泡存在的力学条件为 • 汽泡在液体中存在时，其汽泡 内的最低温度为 pv 压力下的饱 和温度t v ，而此时液体主体温 度 t l 也必须大于等于该温度， 即 tv · 所以，汽泡存在的温度条件为 流体必须是过热的。 ·由于壁面处流体的温度最高，所 以此处最易产生汽泡。