对流换热部分习题.

例十：空气横掠管束时，沿流动方向管排数
越多，换热越强，而蒸气在水平管束外凝结 时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强 度降低。试对上述现象作出解释。
解：空气外掠管束时，沿流动方向管排数越
多，气流扰动增加，换热越强。而蒸气在管 束外凝结时，沿液膜流动方向排数越多，凝 结液膜越来越厚，凝结传热热阻越来越大， 因而换热强度降低。
例七：一帮情况下粘度大的流体其Pr数也较
大。由对流换热的实验关联式Nu=CRemPrn 可知（m>0,n>0），Pr数越大，Nu数也越大， 从而h也越大。即粘度大的流体其表面传热系 数也越高。这与经验得出的结论相反，为什 么？

解：粘度越高时，Pr数越大，但Re数越小。由
ud Nu C Re m Pr n C e n m

2 2
2 2
2
2
2
2
2
2
例二：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？
解：采用短管，主要是利用流体在管内换热
处于入口端边界层较薄，因而换热强的特点， 即所谓的‘入口效应’，从而强化换热。而 对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作 用，在横截面上产生二次环流，增强了扰动， 从而强化了换热。
例三：其他条件相同时，同一根管子横向冲
刷与纵向冲刷相比，哪个的表面传热系数大， 为什么？
解：横向冲刷时表面传热系数大。因为纵向
冲刷时相当于外凉平板的流动，热边界层较 厚，而横向冲刷时热边界层薄且存在由于边 界层分离而产生的漩涡，增加了流体的扰动， 因而换热强。
例四：在地球表面某实验室内设计的自然对
绝热Hale Waihona Puke Baidu
th
tc
绝热

解：以如图所示的有限空间自然对流为例。如果方 腔内的空气没有对流，仅存在导热，则 t t
q
h c



此时当量的对流换热量可按下式计算
由于以上两式： h 1 即Nu＝1 即方腔内自然对流完全忽略时，依靠纯导热的Nu数 将等于1，即Nu数的最小值为1，不会小于1，所以 上述结果是不正确的。
gsinφ（φ表示与水平轴的倾斜角，φ>0）。从而h减 小。

例九：为什么蒸气中含有不凝结气体会影响
凝结换热的强度？
解：不凝结气体的存在，一方面使凝结表面
附近蒸气的分压力降低，从而蒸气饱和温度 降低，使传热驱动力即温差减小；另一方面 凝结蒸气穿过不凝结气体层到达壁面依靠的 是扩散，从而增加了阻力。上述两个方面的 原因使不凝结气体存在大大降低了表面传热 系数，使换热量降低。所以实际冷凝器中要 尽量降低并排除不凝结气体。
max

4个不同的区域 1、单相自然对流区域。此时Δt<4℃。在加热表面上没有气泡产生。

2、核态沸腾区域。此时4℃<Δt<25℃，在加热表面上产生气泡，换热 温差小，且产生气泡的速度小于气泡脱离加热表面的速度，气泡的剧烈 扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增大，汽化核心对换热起决定性 作用，一般工业应用都设计在这一范围。
流换热实验，到太空中是否仍然有效，为什 么？
解：该实验到太空中无法得到地面上的实验
结果。因为自然对流是由流体内部的温度差 从而引起密度差并在重力的作用下引起的。 在太空中实验装置将处于失重状态，因而无 法形成自然对流，所以无法得到预期的实验 结果。
例五：对有限空间的自然对流换热，有人经
过计算得出其Nu数为0.5。请利用所学过的传 热学知识判别这个结果的正确性。
q h th tc
例六：电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰
克在海水里被冻死而女主人公罗丝却躺在筏 上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一 现象。
解：杰克在海水里身体与海水间由于自然对
流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之 间产生自然对流。在其他条件相同时，水的 自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体 由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。 因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。
例一：对流换热边界层微分方程组是否适用
于粘性很大的油和Pr数很小的液体金属？为 什么？
解：对于粘度很大的油类，Re数很低，速度边界 u 层厚度与x为同一数量级，因而动量微分方程中 x 与 u 为同一量级，不可忽略，且此时由于δx~x y 速度u和v为同一量级，y方向的动量微分方程不能 忽略。 对于液态金属，Pr很小，速度边界层厚度与温度边 界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界 t 厚度，在边界层内 t t ，因而能量方程中 x 不 x y 可忽略。 因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大 的油和Pr数很小的液态金属。
m n

一般情况下，对流换热m>n，即n-m<0，所以粘度 增加时，Nu数减少，即h减小。
例八：竖壁倾斜后其凝结换热表面传热系数
是增加还是减少，为什么？

解：竖壁倾斜后，使液膜顺壁面流动的力不再是重 力而是重力的一个分量，液膜流动变慢，液膜加厚， 从而热阻增加，表面传热系数减小。另外，从表面 1 3 2 grl中的 l 4g亦要换成 传热系数公式 h 1.13 l t t l s w
例十一：在电厂动力冷凝器中，主要冷凝介
质是水蒸汽，而在制冷剂的冷凝器中，冷凝 介质是氟利昂蒸气。在工程实际中，常常要 强化制冷设备中的凝结换热，而对电厂动力 设备一般无需强化。试从传热角度加以解释。
解：相变对流换热主要依靠潜热传递热量，
而氟利昂的汽化潜热只有水的约1/10，因此 电厂动力冷凝器中水蒸气的凝结表面换热系 数很大，凝结侧热阻不占主导地位。而制冷 设备中氟利昂蒸气的凝结表面传热系数较小， 主要热阻往往在凝结侧，因而其强化就有更 大现实意义。

例十二：试从沸腾过程分析，为什么用电加热器加 热时加热功率 q qmax 时易发生壁面被烧毁的现象， 而采用蒸气加热则不会？
解：用电加热时，加热方式是控制表面的热
流密度。而采用蒸气加热则是壁面温度可控 制的情形。由大容器饱和沸腾曲线可知，当 加热功率q超过qmax值时，工况将沿qmax虚线 跳至稳定膜态沸腾 q 线，使壁面温度 烧毁点 飞升，导致设备 烧毁。