传热学就是研究热量传递规律的一门科学.只要不同物体或物体不

1、传热学就是研究热量传递规律的一门科学。只要不同物体或物体不同部分之间存在温度差，它们之间就会发生热量的传递，热量传递有三种方式：导热、对流换热和辐射换热。在制冷空调领域，热量传递普遍存在。例如在压缩式制冷系统中，从蒸发器回来的气态制冷剂进入压缩机，被压缩为高温高压的气体，然后进入冷凝器内放热，把热量传递给周围的介质（一般为空气或水），同时制冷剂被冷却成液态，然后经节流进入蒸发器，在蒸发器内沸腾吸热，即可得到我们需要的冷却的水或空气。因此，认识、掌握热量传递的过程和规律，在制冷空调技术实践中有着极其重要的意义。在传热学的工程应用中，通常要达到两个基本目的：（1）能准确计算所研究系统中传递的热量；

2、（2）能准确预测所研究物体中的温度分布。第一章 稳态导热在三种热量传递方式中，导热是最容易利用数学工具进行分析和处理，对传热学的深入学习就从导热开始。本章首先引出导热的基本定律和一般数学表达式，然后介绍制冷空调装置中常见壁面（如平壁和圆筒壁）中热流量和温度分布的规律和计算方法。第一节 导热基本概念和傅里叶定律一、导热的概念导热即热传导，是指发生在物质本身各部分之间或直接接触的物质与物质之间的热量传递现象。它是依靠物质的分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动来传递热量的，也就是说，导热是在分子集团不发生宏观相对运动时，单纯由微观粒子的直接作用（如迁移、碰撞或振动等）而引起的热量传递现象。导热是物

3、质的属性，导热过程可以在固体、液体及气体中发生。但是在重力场下，单纯的导热一般只发生在密实的固体中，这是因为，在有温差时，液体和气体的密度会改变从而形成对流，不能维持单纯的导热。在专业学习和实践中，一般把发生在换热器管壁、肋片、管道保温层、墙壁等固态材料中的热量传递过程都看成导热问题。二、温度场在工程应用中，常常需要预测物体的温度分布，通常将某一时刻物体中各点温度分布的状况称为温度场。一般来说，温度场是空间和时间的函数，其数学表达式为 1-1式中，x,y和z是空间坐标；是时间坐标；t代表温度。温度场分为两类，即稳态温度场和非稳态温度场。当温度场内各点的温度随时间而变化时，这种温度场称为非稳态温

4、度场，例如制冷机在开机、停机过程中的温度场就属于非稳态温度场。当温度场内各点的温度不随时间而变化，这种温度场称为稳态温度场，例如制冷机在工况稳定持续运行状态下的温度场就属于稳态温度场。在稳态温度场中的导热就是稳态导热，反之，在非稳态温度场中的导热就是非稳态导热。稳态温度场内温度的分布与时间无关，仅是空间坐标的函数。若温度在空间三个坐标方向都发生变化，则称为三维稳态温度场，其数学表达式为 1-2在稳态温度场中，若温度仅在空间两个坐标方向发生变化，则称为二维稳态温度场，其数学表达式为 1-3在稳态温度场中，若温度仅在空间一个坐标方向发生变化，则称为一维稳态温度场，其数学表达式为 1-4三、等温线和

5、等温面 同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面称为等温面，它可能是平面，也可能是曲面。不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。等温面和等温线具有以下性质：1） 同一时刻，物体内的任一点不可能具有多于一个的不同温度，所以不同温度值的等温面或等温线不会彼此相交。2） 等温面或等温线可以是完全封闭的曲面或曲线，或者终止于物体的边界上，但不可以在物体内部中断。3） 在等温面或等温线上，不存在温差，所以没有热量的传递。图1-1在任何时刻，标绘出物体中所有的等温面（线），就给出了这一时刻物体内的温度分布情况，即给出了物体的温度场。所以，习惯上温度场是等温面（线）图来表示

6、的（图1-1）。四、温度梯度在等温面（线）上，不存在温差，因此不可能有热量的传递，热量传递只发生在不同的等温面（线）上。自等温面（线）上的某点出发沿不同方向到达另一等温面（线）时，将发现单位距离的温度变化，即温度的变化率具有不同的数值。自等温面（线）上某点到另一等温面（线），以该点法线方向的温度变化率最大。设两等温面（线）之间的温差为，法线方向的距离为，则与的比值的极限称为温度梯度，记作grad，单位为/m，即 1-5对于一维稳态温度场，温度梯度为 1-6温度梯度是向量，其方向是指向温度增加的方向，而热量传递方向与温度梯度方向正好相反。五、傅里叶定律1882年，法国数理学家傅里叶（Fourie

7、r J.）提出了导热的基本定律，称为傅立叶定律，其数学表达式为 1-7式中，q为单位时间内单位面积上的热流量，称为热流密度（W/m2），为导热系数W/m，grad为温度梯度。当导热面积为F时，有 1-8式中，为单位时间内通过F面积上的热流量（W），F为导热面积（m2）。以上两式中，负号表示热流方向与温度梯度相反。傅里叶定律用文字表述是：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于该截面的温度梯度和面积，而热量传递的方向与温度梯度方向相反，即由高温部分传向低温部分。对于一维稳态温度场，傅立叶定律的数学表达式为 1-9或 1-10六、导热系数导热系数可由傅立叶定律数学表达式（1-7）得到 1

8、-11 由此可见，导热系数的数值就是物体的温度改变1时，单位时间内通过物体单位面积的热量，的单位是W/m。导热系数是物质的一个重要热物性参数，其大小表征着物质导热性能的优劣。在工程应用中，各种材料的导热系数都是用专门试验测定出来的，可以从相关资料查取。下表列出了一些典型材料在常温下的导热系数值。材料W/m材料W/m金属固体：纯银纯铜黄铜（70%Cu，30%Zn）纯铝铝合金（87%Al，13%Si）纯铁碳钢（约0.5%C）非金属固体：石英晶体（0,平行于轴）石英玻璃大理石玻璃松木（垂直木纹）松木（平行木纹）冰（0）42739810923616281.149.819.41.132.700.650.

9、710.150.352.22液体：水水银（汞）变压器油柴油润滑油气体（标准大气压）：空气氦气氮气水蒸气0.5990.790.1240.1280.1460.02570.02560.1770.194表1-1 几种常用材料在20时的导热系数值各种材料导热系数的大小会随温度改变而发生变化，一般的讲，合金材料和气体的导热系数随温度的升高而增大，纯金属和大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，而水、甘油等强缔合液体的导热系数随温度的升高而增大。在工程计算中，常常要用到材料在一定温度变化范围内的导热系数，这时只需取材料在温度变化范围内的平均值所对应的导热系数即可。导热系数不同的材料应用在不同的场合，下面就制

10、冷空调领域常见材料的导热系数进行简单讨论。1. 换热器的导热系数制冷空调装置中的换热器应使用导热系数大的金属材料，以增强换热效果。金属的导热通过两种方式进行，即自由电子的迁移和晶格的振动，其中自由电子的迁移是热量的主要传递者，晶格的振动起次要作用。由于金属的导热和导电都是依靠自由电子，所以良好的导电体通常也是良好的导热体。当金属中含有杂质和因加工而有残余应力时，就会破坏晶格的完整性而使自由电子的迁移受到约束，使其导热系数下降，因此合金的导热系数一般比纯金属要低很多。在众多的金属材料中，由于铜具有良好的导热性和延展性，并且易于焊接，所以被大量应用于换热设备中。2. 隔热保温材料的导热系数在制冷空

11、调工程中，还会经常用到导热系数很小的保温材料（又称隔热材料）。我国国家标准规定，凡平均温度不高于350时，导热系数不大于0.12 W/m的材料称为保温材料。矿渣棉、硅藻土等都属于这类材料，近年来，我国发展生产了岩棉板、岩棉玻璃布缝毡、膨胀珍珠岩、膨胀塑料及中孔微珠等许多新型隔热保温材料，它们都具有容积重量轻、隔热性能好和价格便宜、施工方便等优点。这些高性能的保温材料都是蜂窝状多孔性结构，出厂时一般附有厂家提供的导热系数的数据。如岩棉玻璃布缝毡在0时的导热系数仅为0.031 W/m。另外，隔热保温材料的导热系数与其材料结构、湿度以及密度等有密切的关系：1）隔热保温材料的密度越小，则多孔结构中的空

12、隙就越大，材料的导热系数就越小，这是因为材料空隙中的空气的导热系数远小于固体成分的导热系数。例如，石棉的密度从800kg/m3减小到400 kg/m3，导热系数从0.2480 W/m减小到0.105 W/m。2）隔热保温材料的湿度越大，则空隙中的水越多，材料的导热系数就越大，这是因为水的导热系数比空气大得多。某些情况下，湿材料的导热系数比水的导热系数还大，例如干砖的导热系数为0.350W/m，水的导热系数为0.60W/m，湿砖导热系数为1.0 W/m。这是因为，一方面由于水的渗入代替了多孔材料空隙中的空气，水的导热系数比空气的大很多，另一方面由于多孔介质中毛细力的作用，高温区的水向低温区迁移，

13、因此产生热量转移，使湿材料的导热系数增大。因此，对于冷库的围护结构以及空调工程中的送风管道、冷媒水管等，其隔热保温层的外表面应包裹一层隔汽层，以防潮湿空气渗入。第二节 通过平壁的稳态导热一、单层平壁的稳态导热 如图1-2所示为一单层平壁。设平壁厚度为，无内热源，平壁两侧表面分别维持稳定的温度和。若平壁的高度和宽度远大于其厚度，则称为无限大平壁，这时可以认为沿高度与宽度两个方向的温度变化率很小，导热只沿厚度方向进行，即可认为是一维稳态导热。通过实际计算证实，当高度和宽度是厚度的10倍以上时，就可近似作为一维导热问题来处理。在离左壁面x处，取一厚度为dx的薄层平壁，该薄层温度差为dt，根据傅立叶定

14、律，通过该薄层的单位面积热流量为 分离变量后得 在稳态导热中，q为常数，导热系数为一定温度范围内的平均值，也是常数，所以上式积分后可得 1-12上式表明，一维稳态导热的温度分布与距离之间是线性关系，式中积分常数c由边界条件即可确定，把x=0，t=tw1和x=，t=tw2代入上式，可得 则单层平壁的单位面积上的热流量为 1-13式中，可看成一种热阻，称为单位面积平壁的导热热阻（m2/W），若平壁的导热面积为F，则总热量为 1-14式中，为单层平壁的总导热热阻（/W）。由式（1-12）（1-13）可得，单层平壁内温度场可表示为 1-15图1-2 单层平壁的导热二、多层平壁的稳态导热在工程计算中，常

15、常遇到多层平壁，即由几层不同材料组成的平壁。例如，房屋的墙壁以红砖为主体砌成，内有白灰层，外抹水泥砂浆；锅炉墙内为耐火材料，中间为保温材料，外为钢板。在讨论多层材料组成的平壁导热时，都是假设各层平壁间是完全平整的接触，如果各层之间接触不够严实，就会产生接触热阻。图1-3表示一个由三层不同材料组成的无限大平壁。各层的厚度分别为、和，导热系数分别、和，且看作常数，两侧的温度分别为tw1和tw4,且tw1tw4。由于各层之间接触严实，彼此接触两表面温度相等，设第一层与第二层间的温度为tw2，第二层与第三层间的温度为tw3。在稳态导热下通过各层平壁的热流密度相等，即 整理后得由以上三式可得通过各层平壁

16、的热流密度为 1-16得到热流密度q以后，则各层间的温度即可很方便的计算出来 1-17 1-18对于n层平壁导热，可以直接写出 1-19式中，tw1- tw,n+1是n层平壁的总温差，为第i层平壁单位面积的热阻，Rt为n层平壁单位面积的总热阻，它说明n层平壁的总热阻等于各串联平壁分热阻之和。因为在每一层中温度分布都是直线的，所以在整个多层平壁中，温度分布将是由每一层直线组成的折线。图1-3 三层平壁的导热例题1-1 一台锅炉的炉墙由三层材料叠合组成。最里面是耐火粘土砖，厚115mm，中间是B级硅藻土砖，厚125mm，最外层为石棉板，厚70mm。已知炉墙内、外表面温度分别为495和60，试求每平

17、方米炉墙每小时的热损失及耐火粘土砖与硅藻土砖分界面上的温度。解 采用图1-3为示意图，=115mm，=125mm，=70mm。各层材料的导热系数可以从手册中查出。由于材料的导热系数与其温度有关，因此需要首先估算出材料的平均温度。第一次估算的平均温度不一定正确，待算得分界面温度后，如与估算值相差太大，可重新设定每层的平均温度。经几次试算，逐步逼近，最后可得合理的数值。这里列出的是几次试算后的结果：=，=0.116W/m，=0.116W/m代入式（1-18）得每平方米炉墙每小时的热损失为将q=244W/m2代入1-19，可求出耐火粘土砖与硅藻土砖分界面的温度为= 470讨论 本题计算采用了迭代法。

18、工程计算中常常会碰到这样的情况：为了某一个量，必须预先估计其数值。这时迭代法是一种行之有效的方法，即先估算一个所求量的数值进行计算，再用计算结果修正估算值，逐次逼近，一直到估算值与计算值在一定允许的偏差范围内，即达到收敛。第三节 通过圆筒壁的稳态导热一、 通过单层圆筒壁的稳态导热制冷空调工程中的制冷剂管路、水管路等，其长度远远大于管壁的厚度。在热流量计算中，可以忽略沿轴向的温度变化，而仅仅考虑沿径向发生的温度变化。在稳定工况下，管壁内外的温度可看作均匀的，即温度场是轴对称的，是一维稳态导热。图1-4 单层圆筒壁的导热对于不设保温层的光管，其导热过程可看作单层圆筒壁的一维稳态导热。图1-4所示为

19、一单层圆筒壁，其内径为r1（内径为d1），外径为r2（外径为d2），长度为L，导热系数为且为常数；圆筒内外壁分别维持均匀不变的温度tw1和tw2，且tw1tw2。在圆筒壁内半径为r处取厚度为dr的一薄层，稳定导热情况下，通过长度为L的圆筒壁的导热量是恒定的，根据傅立叶定律，通过这一薄层的热流量为分离变量后，有把上式积分后得式中的积分常数由边界条件决定，把r=r1，t=tw1和r=r2，t=tw2代入上式，可得到单层圆筒壁的热流量计算公式 1-20a对于单位长度的管道，通过管壁的热流量为 1-20b最后，可得到圆筒壁内的温度分布 1-21上式表明，在导热系数为常数的圆筒壁内，其温度分布呈对数曲线

20、，而且同半径的圆柱面即是等温面。二、 通过单层圆筒壁的稳态导热图1-5 多层圆筒壁的导热空调工程中的冷媒水系统中，其输水管道大都是由钢管、隔热层、隔汽层和保护层等部分组成。图1-5所示为三种不同材料组成的多层圆筒壁，其各层内径分别为r1、r2、r3和r4；导热系数分别为、和；圆筒壁内外表面的温度为tw1和tw4，层间温度为tw2和tw3。在稳定导热的情况下，通过各层圆筒壁的热流量为由上式可得将以上三式相加得于是得到 1-22对以n层圆筒壁 1-23在制冷空调工程中，多层圆筒壁一般最多为四层，则各层间的温度为例题1-2 一蒸汽管道，内外直径分别为150mm和159mm。为了减少热损失，在管外包有

21、三层隔热保温材料：内层为=0.07 W/m，厚度=5mm的矿渣棉；中间层为=0.10W/m，厚度=80mm的石棉白云瓦状预制件；外层为=0.14W/m，厚度=5mm石棉硅藻土泥。已知蒸汽管道钢材的导热系数=52 W/m，管道内表面和隔热保温层外表面温度分别为170和50，试求蒸汽管道的散热量。解 由已知条件得到d1=0.150m, d2=0.159m, d3=0.169m, d4=0.329m, d5=0.339m则根据1-22，可计算单位长度蒸汽管道的热损失讨论 在一般工程计算中，如果对精度要求不高，可以把材料的导热系数看作定值，不必用迭代法计算。从本题计算中看出，蒸汽管壁的导热热阻远比其他

22、保温层的热阻要小，故在计算中可以忽略不计。练习题1 影响导热系数的因素有哪些？2 在多层平壁中，在每一层平壁的导热系数为定值的条件下，为什么温度分布是折线？3 用平底锅烧开水，与水相接触的锅底温度为111，热流密度为42400W/m2。使用一段时间后，锅底结了一层平均厚度为3mm的水垢，假设此时与水相接触的水垢的表面温度及热流密度分别等于原来的值，试计算水垢与金属锅底接触面的温度。水垢的导热系数取为1W/（m）。4 一冷藏室的墙由钢皮、矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm、152mm及9.5mm，导热系数分别为45 W/（m）、0.007 W/（m）及0.1 W/（m）。

23、冷藏室的有效换热面积为37.2m2，室内、外壁面的温度分别为0及26。为维持冷藏室温度恒定，试确定冷藏室内的冷却排管每小时内需带走的热量。5 有一厚度为20mm的平面墙，导热系数为1.3 W/（m）。为使每平方米墙的热损失不超过1500W，在外墙表面覆盖了一层导热系数为0.12 W/（m）的保温材料。已知复合璧两侧的温度分别为750及55，试确定此时保温层的厚度。6 某房间的墙壁有一层厚度为240mm的砖层和一层厚度为20mm的灰泥构成。现在拟安装空调设备，并在内表面加贴一层硬泡沫塑料，使导入室内的热量比原来减少80%。已知砖的导热系数=0.7 W/（m），灰泥的导热系数=0.58 W/（m）

24、，硬泡沫塑料的导热系数=0.06 W/（m），试求加贴硬泡沫塑料层的厚度。7 钢管的内径d1=200mm，外径d2=300mm，导热系数=55 W/（m），管壁内表面温度tw1=70，外表面温度tw2=65。计算通过钢管的热流量。8 有一蒸汽管道，内、外径各为150mm和160mm，管壁的导热系数1=52 W/（m）。为了减少散热损失，在管外包有三层隔热材料：内层2=0.11 W/（m），2=5mm；中间层3=0.1W/（m），3=80mm；外层3=0.14 W/（m），3=5mm。管的内表面和保温层外表面温度分别为170和30。求该蒸汽管道的散热量以及各层间的温度。9 户式中央空调的吸气管路

25、主要由两层构成：制冷剂管道为紫铜管，其外径为20mm，厚度为1.2mm，导热系数为46.5 W/（m）；紫铜管外为保温套，其厚度为10mm，导热系数为0.046 W/（m）。若管的内壁温度为15，保温套的外表面温度为25，试求每米管长的冷量损失。10 在一根外径为100mm的热力管道上拟包覆两层隔热材料，一种材料的导热系数为0.06 W/（m），另一种为0.12 W/（m），两种材料的厚度都取为75mm。试比较把导热系数小的材料紧贴管壁，及把导热系数大的材料紧贴管壁这两种方法对保温效果的影响，这种影响对于平壁的情形是否存在？假设在两种做法中，绝热层内外表面的总温差保持不变。第二章 对流换热第一

26、节 对流换热概述一、对流及对流换热的概念1.对流对流是指由于流体的宏观运动，使流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而引起热量传递的现象。就引起流动的原因而论，对流可分为自然对流和强制对流两大类。（1）自然对流 自然对流是在无外力作用下，由于流体中各部分的密度不同而引起的。当流体中各部分之间存在温差时，其密度也发生变化，于是轻浮重沉，引起流体的流动。电冰箱冷凝器和房间暖气片等换热设备，其表面空气的流动就是自然对流。（2）强制对流 如果流体的流动是由于动力机械的作用而造成的，则称为强制对流。如空调装置中的冷媒水、冷却水、制冷剂以及空气的受迫流动，就是由水泵、压缩机和风机等所驱动，都属于强制

27、对流。2.对流换热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流必然伴有导热现象。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时的热量传递过程，并称之为对流换热。二、流体力学基本概念对流换热与流体的流动有密切关系，影响流体流动的因素必然会影响对流换热，因此，下面让我们先了解一下流体力学基本概念。1.速度边界层当具有粘性的流体流过壁面时，就会在壁面上产生粘滞力。粘滞力阻碍了流体的运动，使靠近壁面流体的速度降低，直接贴附于壁面的流体实际上将停滞不动。这种在固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层称为速度边界层。如图2-1所示，从y=0处u=0开始，流体的速度随着离开壁面距

28、离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后u增长到接近主流速度。这个薄层即为速度边界层，其厚度视规定的接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度的99%处的距离y为速度边界层的厚度，记为。一般来说，边界层厚度相对于壁面尺寸是一个很小的数值，例如，20的空气以u=10m/s的速度外掠平板，在板前缘100mm和200mm处的边界层厚度分别为1.8mm和2.5mm。在这样薄的一层流体内，速度由0变化到接近于主流速度u，由此可见边界层内的平均速度梯度是极大的。对于工业中常见的流体，如空气、燃气和水等，虽然它们的黏度较低，但因速度梯度大，边界层内仍显现较大的粘滞应力。图2-1 速度边界层2.温度边界层

29、速度边界层的概念可以推广到对流换热中去，把固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为温度边界层，其厚度记为。对流换热主要发生在温度边界层内，主流区流体的温度变化可视为零。温度边界层和速度边界层既有联系又有区别，流体的温度分布受速度分布的影响，但是两者的分布曲线并不相同，一般来说两者的厚度也不相等（图2-2）。图2-2 温度边界层3.流体的流态（1） 层流和紊流1883年英国物理学家雷诺通过试验发现，流体的流动有两种不同性质的状态，即层流和紊流（湍流）。对于一定的流体在某一通道内流动，当流速较小时呈现层流状态，此时，流体中的质点沿流向作直线运动，质点或流层间彼此不相掺混；当流速较大时呈现紊流

30、状态，此时，流体质点不仅有沿流向的运动而且还有垂直于流向的运动，流层间相互掺混。（2）流体外掠平板的流态流体外掠平板是边界层在壁面上形成和发展过程最典型的一种流动，其过程如图2-3。设流体以速度u流进平板前缘，在流动的起始段，很薄，随着x的增加，由于壁面粘滞力的影响逐渐向流体内部传递，边界层增厚，但在某一距离xc以前会一直保持层流的性质。此时流体作有秩序的分层流动，各层互不干扰，这时的边界层称层流边界层。沿流动方向，随着边界层厚度的增加，边界层内部粘滞力和惯性力的对比向着惯性力相对强大的方向变化，促使边界层内的流动变得不稳定起来。自距前缘xc处起，流动朝着紊流过渡，最终变为旺盛紊流。此时质点在

31、沿x方向流动的同时，又作紊乱的不规则脉动，故称紊流边界层。 需要指出的是，紊流边界层的主体核心虽处于紊流流动状态，但紧靠壁面处粘滞力仍主导地位，致使贴服于壁面的一极薄层内仍保持层流的性质。这个极薄层称为紊流边界层的层流底层。在紊流核心与层流底层之间存在着过渡性质的缓冲层，是过渡层。图2-3给出了边界层内的速度分布曲线，它们与流动状态相对应。层流边界层的速度分布为抛物线状；在紊流边界层中，层流底层的速度梯度较大，而在紊流核心，质点的脉动强化了动量传递，速度变化较为平缓。图2-3 掠过平板时的流态综上所述，不难理解边界层状况与对流换热的关系：1） 在层流段，沿壁面法线方向上的热量传递主要依靠导热作

32、用；2） 在紊流段，层流底层内的热量传递方式仍然是导热，这是紊流段主要的热阻，但在层流底层以外，对流的作用仍然占主导作用。 因此，对流换热实际上是依靠层流底层的导热和层流底层以外的对流共同作用的结果。三、影响对流换热的主要因素对流换热是对流和导热共同作用的结果，那么所有影响这两种作用的因素，诸如流动的起因、流动状态、流体物性、相变和换热表面等等，都会影响对流换热的进行。1. 流体流动起因如前所述，流体流动的起因有两种：自然对流和强制对流。一般地说，强制对流的流速较自然对流高，因而表面换热系数也高。例如，空气自然对流时表面换热系数约为525W/（m2），强制对流时表面换热系数可达10100 W/

33、（m2），再如，由于受风力影响，房屋墙壁外表面换热系数比内表面高出一倍以上。2. 流体的流态流体有两种不同的流态，即层流和紊流。层流时流体微团沿着主流方向作有规则的分层流动，而紊流时流体个部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时，紊流的换热强度自然要较层流强烈。所以，要强化换热效果，应该在一定程度上提高流体的流速，这样可以使流体的流态由层流变为紊流，减小层流底层的厚度，提高表面换热系数。3. 流体的物理性质 流体的物理性质如密度、动力粘度、导热系数以及定压热容cp等，对对流换热有很大的影响。流体的导热系数越大，流体与壁面的热阻就越小，换热就越强烈；流体的定压比热容和密度越大，单位质量携带的

34、热量就越多，传递热量的能力就越强；流体的粘度越大，粘滞力就越大，这就加大了边界层的厚度，不利于换热。4. 流体的相变流体是否发生变化，对对流换热的影响很大。不发生相变时的对流换热，是由流体显热的变化来实现的；发生相变时的对流换热（如沸腾和凝结），是由流体潜热的变化来实现的。对于同一种流体来说，有相变时的对流换热要比无相变时的对流换热强烈得多。5. 换热表面的几何因素这里的几何因素是指换热表面的形状、大小、状况（光滑或粗糙程度）以及相对位置等。几何因素影响了流体的流态、速度分布和温度分布，从而影响了对流换热的效果。如图2-4a所示，流体在管内强制流动与管外强制流动，换热机理是截然不同的，其表面换

35、热系数也不同。在自然对流中，流体的流向与换热表面之间的相对位置对对流换热的影响也较大，如图2-4b所示的水平壁，热面朝上散热和热面朝下散热，它们的换热规律是不相同的。图2-4 几何因素对对流换热的影响四、表面换热系数及牛顿冷却公式上述讨论可见，影响对流换热的因素很多，流动起因、流态、物性参数、相变以及换热表面等方面的差异，就构成了各式各样的对流换热现象。通常用表征对流换热强弱的表面换热系数h来概括众多的影响因素。表面换热系数是所有影响对流换热因素的函数，包括流速u、壁面温度tw、流体温度tf 、流体导热系数、定压比热容cp、密度、动力粘度、壁面几何尺寸L等，可以写成 2-1对流换热比导热复杂，

36、影响因素很多，其换热量可以由牛顿冷却公式给出 2-2式中，为对流换热量（W），F为壁面换热面积（m2），为流体与壁面间的温差（）。牛顿冷却公式只是表面换热系数h的一个定义式，它把换热过程的一切影响因素都集中到表面换热系数h上，并没有揭示出表面换热系数h与影响它的各个物理量之间的内在联系。研究对流换热的任务就是要揭示这种内在的联系，确定计算表面换热系数h的具体表达式。以下给出对流换热的分类图，在本章以后的章节中将会逐一分析各种类型的对流换热，确定其表面换热系数的关系式。第二节 相似理论及其应用一、 研究对流换热的方法研究对流换热的目的主要就是获得表面换热系数h的表达式，其方法大致有四种：分析法、

37、实验法、比拟法和数值法。1. 分析法分析法是指对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。由于数学分析上的困难，目前只能得到个别简单的对流换热问题的分析解，但分析解能深刻揭示各个物理量对表面换热系数的影响关系，而且是评价其他方法所得结果的标准与依据。2. 实验法通过实验获得表面换热系数的计算公式仍是目前工程设计的主要依据。为了减少实验次数、提高实验测定结果的通用性，传热学的实验测定应当在相似理论的指导下进行。本章推荐的各个计算方程式，都是由实验方法来确定或校核的，其中相似理论的概念及其应用将会在下面讨论。3. 比拟法比拟法是通过研究动

38、量传递及热量传递的共性或类似特性，以建立起表面换热系数与阻力系数间的相互关系的方法。应用比拟法，可通过比较容易用实验测定的阻力系数来获得相应的表面换热系数的计算公式。在传热学发展的早期，这一方法曾广泛用来获得紊流换热的计算公式。随着实验测试技术已计算机技术的迅速发展，近年来这一方法已较少应用。4. 数值法数值法是把描述流动和换热的微分方程转变为差分方程，然后求解有限个节点上的速度和温度值。伴随着计算机技术的发展，对流换热的数值求解方法在近20年内得到了迅速发展，并将会日益显出其重要的作用。在上述四种研究对流换热的方法中，本章主要介绍在相似理论指导下的实验法。表面换热系数的影响因素很多，要找出众

39、多变量之间的函数关系，所需要到实验工作十分庞大。但是，在相似理论的指导下，可使每一次实验的效率和实验数据的准确性大大提高。在相似理论指导下进行实验研究，是目前获得表面换热系数计算关系式的主要途径。二、 相似理论的概念图2-5相似三角形相似的概念源于几何学，如图2-5所示的两个相似三角形，由几何关系可知，图形各对应边成比例，即式中，C为几何相似常数，又称几何相似倍数。几何相似的关系可以推广到两个同类的对流换热现象中去。同类的对流换热现象，例如同为管内流动或同为自然对流，其热量传递的过程和性质是相似的，能用同样形式和同样内容的方程式来描述。两个同类对流换热现象，如果在相应的时刻与相应的地点上与现象

40、有关的物理量一一成比例，则称此两现象相似。例如，对于两个稳态的管内对流换热（图2-6），如果彼此相似，则必有换热面几何形状相似、温度场相似、速度场相似及热物性场相似等， 有 ；其中，为速度相似常数；Ct为温度相似常数；1，2分别在相同径向比例的位置上。图2-6对流换热现象相似图三、 对换热中的相似准则设有两个换热条件相似的对流换热现象，根据傅里叶定律和牛顿冷却公式，描写这类现象的方程为 2-3把上式应用到两个相似的对流换热现象，则有 （a） （b）根据相似的定义，描述两个相似现象的一切物理量应互成比例，即； （c）把式（c）代入式（a）得， （d）比较式（b）和（d）可知，相似倍数之间必须满足

41、下面关系 2-4这就是相似倍数的限制条件，把式（c）代入式（2-4）可得表征对流换热表面的几何量一般用特征长度（定型尺寸）L表示，将L代替上式中的x可得， 2-5式（2-5）说明，对流换热现象相似的必要条件是具有相同的，常数就是所谓的相似准则，它是一个无量纲数。对于对流换热现象，只要知道描写现象的微分方程，就可以采用同样的方法求出相似准则。传热学中常用的相似准则有四个：1） 努赛尔（）准则：；2） 雷诺（）准则：；3） 普朗特（）准则：；4） 格拉晓夫（）准则：。以上各准则中，为表面换热系数（），是对对流换热起主要影响的壁面几何尺寸（）；为流体的导热系数（），为流体流速（）；为流体运动粘度（）

42、；为流体的热扩散率（），反映流体分子扩散热量的能力；为流体动力粘度（）；为重力加速度（）；为流体的定压比热容（）；为流体的体膨胀系数（）；为流体与壁面温度差（）。、四个准则是研究稳态无相变表面换热系数的常用准则，这些准则反映了物理量间的内在联系，都具有一定的物理意义：） 包含了表面换热系数和流体导热系数。数值的大小反映出同一种流体在不同情况下的对流换热强度。因此，是说明对流换热强度的相似准则。） 数值的大小反映了流体流动时的惯性力与粘性力的相对大小。数值大说明惯性力的作用大，流态往往呈现紊流；数值小说明粘性力的作用大，流态往往呈现层流。因此，是说明流体流态的相似准则。（一般来说，Re2320为

43、层流；Re2320为紊流） 包含了流体的物理参数，是说明流体的物理性质对对流换热影响的相似准则，又称物性准则。） 数值的大小反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小。当数值大时，表明浮升力增大，这时流体的自然对流换热较为强烈；当数减小时，流体的自然对流换热减弱。所以是说明自然对流换热强度的相似准则。四、 相似准则方程由牛顿冷却公式可知，表面换热系数h与各因素之间存在函数关系，那么包括表面换热系数h的准则Nu与其它几个准则之间也必然存在函数关系。这样可以把式（2-1）改写成各相似准则的函数关系。对于无相变强制稳态对流换热，其准则方程为 2-6） 若只考虑强制对流换热，可以从式（2-6）中去掉Gr

44、，则强制对流换热准则方程简化为 2-7） 对于空气，Pr可作为常数，故空气强制对流换热时，式（2-7）可简化为 2-8） 若只考虑自然对流换热，可以从式（2-6）中去掉Re，则自然对流换热准则方程简化为 2-9准则方程通常习惯整理成幂函数形式，如式中，C、n、m的大小都是通过实验来确定的。五、 定性温度在对流换热过程中，由于流场中各处的温度不同，流体的物理性质也有差异。因此，一般都要选择某一特征温度以确定物性参数，从而把物性作为常量处理。这个特征温度称为定性温度，也即确定准则中物性参数数值的温度。定性温度的选择依换热情况而不同，主要有以下三种选取方法：1）取流体的平均温度tf ；2）取壁表面的

45、温度tw；3) 取流体与壁面的算术平均温度。Nuf、Ref、Prf中的下标“f”，均表示以流体的平均温度tf作为定性温度；Prw、中的下标“w”，均表示以固体壁面的平均温度tw作为定性温度；Rem、Num中的下标“m”，均表示以流体与壁面的算术平均温差tm作为定性温度。六、 定型尺寸相似准则中分析计算时采用的几何尺寸，是对换热有决定影响的特征尺寸，这个尺寸称为定型尺寸，用L表示。定型尺寸的取法直接影响到相似准则的数值，实际上不同定型尺寸的相似准则含有不同的物理意义。通常选取流动状况发生主导影响的固体表面尺寸作为定型尺寸：1)流体在圆管内流动时，取管内径作为定型尺寸。2)流体在非圆管道内流动时，

46、如椭圆管道、矩形管道等，取当量直径de作为定型尺寸，即 2-10式中，A为管道中流体的断面面积（m2）；x为湿周（m）。3）流体横掠单管时，取管外径作为定型尺寸。4）流体外掠壁面时，取流动方向的壁面长度作为定型尺寸。七、 相似准则的应用方法在上述各准则方程中，只有Nu是一个待求的数，它包含了最后要确定的表面换热系数h，而其它准则中的Re、Gr和Pr所包含的量都是已知量。应用相似准则的最终目的是求解对流换热量，求解主要步骤如下：） 先根据已知条件整理出与Nu有关的量；） 由准则方程求出Nu；） 再根据求出表面换热系数h；） 然后由h求出对流换热量。第三节 管内流体强制对流换热在制冷空调系统中，经

47、常可以见到由于泵、风机和压缩机等设备作用引起的流体强制流动。流体强制流动时的换热情况可以分为两大类：一类是流体在管内的强制流动换热，如制冷剂、冷媒水、冷却水等在管道内的换热；另一类是流体在管外横掠外表面的强制流动换热，如风冷型冷凝器中空气侧的换热。本节先讨论第一类的管内流体强制对流换热问题，管外流体强制对流换热问题在下节讨论。一、管内强制流动的特征管内流体流动时的状态如图2-7所示，流体从进入管口开始需经历一段距离后，管壁两侧的边界层才能在管中心汇合，这时管断面流速分布和流动状态才能达到定型，这段距离通常称为入口段。之后，流速分布不再改变，流态定型，流动达到充分发展，称为充分发展段。流动充分发

48、展段的流态由雷诺准则来判读：Re2320时为层流；2320<Re<104时为过渡流；Re104时为旺盛紊流。层流时，速度分布曲线为抛物线状，断面平均速度是管中心最大速度的1/2；紊流时，速度分布曲线呈对数曲线状，断面平均流速与管中心最大流速之比随Re的增大而趋于1，但在层流底层速度梯度仍然很大。图2-7 管内流动状态及表面换热系数随流动方向的变化入口段管内流动的表面换热系数是不稳定的，其局部表面换热系数hx与平均表面换热系数h沿管长的变化趋势如图2-7所示。在入口段，边界层较薄，温度梯度较大，hx具有最大值，随着入口距离的增加，边界层加厚，温度梯度减小，hx逐渐降低，最后趋于某一定

49、值。层流时，hx趋于定值的距离较大；紊流时，当边界层变为紊流后，hx回升并迅速趋于不变。鉴于入口段局部表面换热系数hx的变化情况，计算管内平均表面换热系数h应注意管道的长度。在紊流状态下，如管长与管内径之比时，可忽略入口段效应的影响。二、直管内层流换热的计算常壁温层流换热准则方程为 2-11式中，d为管内径（m）；L为管长（m）；为定性温度下流体的动力粘度kg/（ms）；为管壁温度下流体的动力粘度kg/（ms）；Nu、Re、Pr的定型尺寸取管内径d，定性温度取管进、出口流体的平均值。式中引用了几何参数准则，以考虑入口段的影响。上式的适用范围是0.48Pr16700，0.00449.75。如果管

50、子较长，以致则应将Nu作为常数处理，采用下式常热流量时 Nu=4.36常壁温时 Nu=3.66需要指出的是，式（2-11）没有考虑自然对流的影响，而在流速低、管径粗或温差大的情况下，很难维持纯粹的强制层流，此时自然对流的影响不可忽略。考虑自然对流影响的准则方程为 2-12式中，Prw是管壁温下流体的普朗特数，Nu、Re、Pr、Gr的定型尺寸为管内径d，定性温度为管内流体的进、出口温度的平均值。利用上式可求出L/d50的管道全程长度的平均换热系数。L/d50时，需将按式（2-12）求出的换热系数乘上入口段修正系数。的值可由表2-1查出。表2-1 层流换热时入口段修正系数值125101520304

51、0501.901.701.441.281.181.131.051.021 三、直管内过渡流换热的计算过渡状态流体的表面换热系数随Re增大而增大，而且随着紊流传递作用的增长，换热规律是多变的。以下给出的准则方程，需要注意公式的适用条件。对于气体，当，时，准则方程为 2-13对于液体，当，时，准则方程为 2-14以上两式中，Tf为流体平均温度（），Tw为管壁温度（），Prw为管壁温度时流体的普朗特数；d为管内径（m）；L为管长（m）；Nu、Re、Pr的定型尺寸取管内径d，定性温度取流体平均温度tf。四、直管内紊流换热的计算1.当流体和壁面之间的温差幅度处于中等以下，一般来说，对于气体不超过50，对于液体不超过20，对于粘度大的油类不超过10，直管内紊流换热准则方程为时， 2-15a时， 2-15b式中，Nu、Re、Pr的定性温度为流体平均温度tf，定型尺寸为管内径d，公式适用范围为，L/d50。2