4． 什么叫黑体、灰体和白体?它们分别与黑色物体、灰色物体、白色物体有什么区别?在辐射传热中，引入黑体与灰体有什么意义?（提示：可以从黑体、白体、灰体的定义和有关辐射定律来阐述。根据黑体、白体、灰体的定义可以看出，这些概念都是以热辐射为前提的。灰色、黑色、白色是针对可见光而言的。所谓黑体、白体、灰体并不是指可见光下物体的颜色，灰体概念的提出使基尔霍夫定律无条件成立，与波长、温度无关，使吸收率的确定及辐射换热计算大为简化，因此具有重要的作用；黑体概念的提出使热辐射的吸收和发射具有了理想的参照物。）5． 玻璃可以透过可见光，为什么在工业热辐射范围内可以作为灰体处理?（提示：可以从灰体的特性和工业热辐射的特点来论述。所谓灰体是针对热辐射而言的，灰体是指吸收率与波长无关的物体。在红外区段，将大多数实际物体作为灰体处理所引起的误差并不大，一般工业热辐射的温度范围大多处于2000K以下，因此其主要热辐射的波长位于红外区域。许多材料的单色吸收率在可见光范围内和红外范围内有较大的差别，如玻璃在可见光范围内几乎是透明的，但在工业热辐射范围内则几乎是不透明的，并且其光谱吸收比与波长的关系不大，可以作为灰体处理。）6． 什么是“温室效应”?为什么说大气中的C02含量增加会导致温室效应?（提示：可以从气体辐射的特点和能量平衡来加以说明。CO2气体具有相当强的辐射和吸收能力，属于温室气体。根据气体辐射具有选择性的特点，CO2气体的吸收光带有三段：2．65―2．8、4．15―4．45、13．0―17．0μm，主要分布于红外区域。太阳辐射是短波辐射，波长范围在0．38一0．76μm，因此，对于太阳辐射C02气体是透明的，能量可以射入大气层。地面向空间的辐射是长波辐射，主要分布于红外区域，这部分辐射在CO2气体的吸收光带区段C02气体会吸收能量，是不透明的。在正常情况下，地球表面对能量的吸收和释放处于平衡状态，但如果大气中的CO2含量增加会使大气对地面辐射的吸收能力增强，导致大气温度上升，导致了所谓温室效应。） 第五章
传热过程与传热器 一、 名词解释1． 传热过程:热量从高温流体通过壁面传向低温流体的总过程.2． 复合传热:对流传热与辐射传热同时存在的传热过程.3． 污垢系数:单位面积的污垢热阻.4． 肋化系数: 肋侧表面面积与光壁侧表面积之比.5． 顺流:两种流体平行流动且方向相同6． 逆流: 两种流体平行流动且方向相反7．效能:换热器实际传热的热流量与最大可能传热的热流量之比. 8．传热单元数:传热温差为1K时的热流量与热容量小的流体温度变化1K所吸收或放出的热流量之比.它反映了换热器的初投资和运行费用,是一个换热器的综合经济技术指标.9．临界热绝缘直径:对应于最小总热阻(或最大传热量)的保温层外径. 四、简答题1． 试举出3个隔热保温的措施，并用传热学理论阐明其原理？(提示:可以从导热、对流、辐射等角度举出许多隔热保温的例子.例如采用遮热板,可以显著削弱表面之间的辐射换热，从传热学原理上看，遮热板的使用成倍地增加了系统中辐射的表面热阻和空间热阻，使系统黑度减小，辐射换热量大大减少；又如采用夹层结构并抽真空，可以削弱对流换热和导热，从传热角度看，夹层结构可以使强迫对流或大空间自然对流成为有限空间自然对流，使对流换热系数大大减小，抽真空，则杜绝了空气的自然对流，同时也防止了通过空气的导热；再如表面包上高反射率材料或表面镀银，则可以减小辐射表面的吸收比和发射率(黑度)，增大辐射换热的表面热阻，使辐射换热削弱，等等。)2． 解释为什么许多高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构。(提示：从削弱导热、对流、辐射换热的途径方面来阐述。高效隔热材料都采用蜂窝状多孔性结构和多层隔热屏结构，从导热角度看，空气的导热系数远远小于固体材料，因此采用多孔结构可以显著减小保温材料的表观导热系数，阻碍了导热的进行；从对流换热角度看，多孔性材料和多层隔热屏阻隔了空气的大空间流动，使之成为尺度十分有限的微小空间。使空气的自然对流换热难以开展，有效地阻碍了对流换热的进行；从辐射换热角度分析，蜂窝状多孔材料或多层隔热屏相当于使用了多层遮热板，可以成倍地阻碍辐射换热的进行，若再在隔热屏表面镀上高反射率材料，则效果更为显著。)3． 什么叫换热器的顺流布置和逆流布置?这两种布置方式有何特点？设计时如何选用？(提示：从顺、逆流布置的特点上加以论述。冷、热流体平行流动且方向相同称为顺流，换热器顺流布置具有平均温差较小、所需换热面积大、具有较低的壁温、冷流体出口温度低于热流体出口温度的特点。冷、热流体平行流动但方向相反称为逆流，换热器逆流布置具有平均温差大、所需换热面积小、具有较高壁温、冷流体出口温度可以高于热流体的出口温度的特点。设计中，一般较多选用逆流布置，使换热器更为经济、有效，但同时也要考虑冷、热流体流道布置上的可行性，如果希望得到较高的壁面温度，则可选用逆流布置，反之，如果不希望换热器壁面温度太高，则可以选择顺流布置，或者顺、逆流混合布置方式。)4． 试解释并比较换热器计算的平均温差法和ε―NTU法？(提示：从平均温压法和ε―NTU法的原理、特点上加以阐述。两种方式都可以用于换热器的设计计算和校核计算，平均温差法是利用平均温差来进行换热器的计算，而ε―NTU法是利用换热器效能ε与传热单元数NTU来进行换热器计算。平均温压法要计算对数平均温压，而ε―NTU法则要计算热容量比、传热单元数或换热器效能。设计计算时，用平均温差法比用ε―NTU法方便，而在校核计算时，用ε―NTU法比用平均温差方便。)5． 请说明在换热设备中，水垢、灰垢的存在对传热过程会产生什么影响，如何防止。(提示：从传热系数或传热热阻角度分析。在换热设备中，水垢、灰垢的存在将使系统中导热热阻大大增加，减小了传热系数，使换热性能恶化，同时还使换热面易于发生腐蚀，并减小了流体的流通截面，较厚的污垢将使流动阻力也增大。此外，热流体侧壁面结垢，会使壁面温度降低，使换热效率下降?，而冷流体侧壁面结垢，会导致壁温升高，对于换热管道，甚至造成爆管事故。防止结垢的手段有定期排污、清洗、清灰，加强水处理，保证水质，采用除尘、吹灰设备等。) 传热过程及换热器部分一、基本概念主要包括传热方程式及换热器设计、对数平均温差、换热器中两流体沿程温度变化曲线、强化传热及热阻分析、传热系数实验测定方法等等。1、对壳管式换热器来说，两种流体在下列情况下，何种走管内，何种走管外？(1)清洁与不清洁的；(2)腐蚀性大与小的；(3)温度高与低的；(4)压力大与小的；(5)流量大与小的；(6)粘度大与小的。答：(1)不清洁流体应在管内，因为壳侧清洗比较困难，而管内可定期折开端盖清洗；(2)腐蚀性大的流体走管内，因为更换管束的代价比更换壳体要低，且如将腐蚀性强的流体置于壳侧，被腐蚀的不仅是壳体，还有管子；(3)温度低的流体置于壳侧，这样可以减小换热器散热损失；(4)压力大的流体置于管内，因为管侧耐压高，且低压流体置于壳侧时有利于减小阻力损；(5)流量大的流体放在管外，横向冲刷管束可使表面传热系数增加；(6)粘度大的流体放在管外，可使管外侧表面传热系数增加。2、为强化一台冷油器的传热，有人用提高冷却水流速的办法，但发现效果并不显著c试分析原因。 答：冷油器中由于油的粘度较大，对流换热表面传热系数较小，占整个传热过程中热阻的主要部分，而冷却水的对流换热热阻较小，不占主导地位，因而用提高水速的方法，只能减小不占主导地位的水侧热阻，故效果不显著。3、有一台钢管换热器，热水在管内流动，空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出，为提高冷却效果，采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。答：该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。4、为了简化工程计算，将实际的复合换热突出一个主要矛盾来反映，将其次要因素加以适当考虑或忽略掉，试简述多孔建筑材料导热、房屋外墙内表面的总换热系数、锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热等三种具体情况的主次矛盾。答：⑴通过多孔建筑物材料的导热,孔隙内虽有对流和辐射,但导热是主要的,所以热量传递按导热过程进行计算,孔隙中的对流和辐射的因素在导热系数中加以考虑。⑵房屋外墙内表面的总换热系数是考虑了对流和辐射两因素的复合,两者所起作用相当,因对流换热计算简便,将辐射的因素折算在对流换热系数中较方便些。⑶锅炉炉膛高温烟气与水冷壁之间的换热,由于火焰温度高达1000℃以上,辐射换热量很大,而炉膛烟气流速很小,对流换热相对较小,所以一般忽略对流换热部分,而把火焰与水冷壁之间的换热按辐射换热计算。5、肋片间距的大小对肋壁的换热有何影响?答：当肋片间距减小时，肋片的数量增多，肋壁的表面积相应地增大,故肋化系数β值增大,这对减小热阻有利;此外适当减小肋片间距可以增强肋片间流体的扰动,使换热系数h相应提高。但是减小肋片的间距是有限的,一般肋片的间距不小于边界层厚度的两倍,以免肋片间流体的温度升高,降低了传热的温差。6、如何考虑肋片高度l对肋壁传热的影响?答：肋高l的影响必须同时考虑它对肋片效率ηf和肋化系数β两因素的作用。l增大将使ηf降低,但却能使肋面积A2增大,从而使β增大。因此在其他条件不变的情况下,如能针对具体传热情况,综合考虑上述两项因素,合理地选取l,使1/(hηfβ)项达一最低值,从而获得最有利的传热系数KА值,以达到增强传热的目的。7、试述平均温差法(LMTD法)和效能─传热单元数法(ε-NTU法)在换热器传热计算中各自的特点?答：LMTD法和ε-NTU法都可用于换热器的设计计算和校核计算。这两种方法的设计计算繁简程度差不多。但采用LMTD法可以从求出的温差修正系数φΔt的大小看出所选用的流动形式接近逆流程度,有助于流动形式的选择,这是ε-NTU法所做不到的。对于校核计算,两法都要试算传热系数,但是由于LMTD法需反复进行对数计算故较ε-NTU法稍嫌麻烦些,校核计算时如果传热系数已知,则ε-NTU法可直接求得结果,要比LMTD法简便得多。8、热水在两根相同的管内以相同流速流动，管外分别采用空气和水进行冷却。经过一段时间后，两管内产生相同厚度的水垢。试问水垢的产生对采用空冷还是水冷的管道的传热系数影响较大?为什么?答：采用水冷时，管道内外均为换热较强的水，两侧流体的换热热阻较小，因而水垢的产生在总热阻中所占的比例较大。而空气冷却时，气侧热组较大，这时，水垢的产生对总热阻影响不大。故水垢产生对采用水冷的管道的传热系数影响较大。 二、定量计算主要包括：复合换热及传热过程、热阻分析、换热器设计计算、换热器校核计算。1、外径为200mm采暖热水输送保温管道，水平架空铺设于空气温度为-5℃的室外，周围墙壁表面平均温度近似为0℃，管道采用岩棉保温瓦保温，其导热系数为λ（W/m℃）＝0.027+0.00017t（℃）。管内热水平均温度为100℃，由接触式温度计测得保温层外表面平均温度为45℃，表面发射率为0.9，若忽略管壁的导热热阻，试确定管道散热损失、保温层外表面复合换热系数及保温层的厚度。解：管道散热损失包括自然对流散热损失和辐射散热损失两部分。确定自然对流散热损失： 定性温度℃ 则 确定辐射散热损失：属空腔（A2）与内包壁（A1）之间的辐射换热问题，且。问题补充&&
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　自然对流换热。 　　按周围空间大小的不同，流动情况变得非常复杂。指参与换热的流体由于各部分 温度不均匀而形成密度差，并相互影响。而有限空间的自然对流。前者在加热 (或冷却)表面的四周并不存在其他足以阻碍流体流动的物体。流体的受热和冷却同时存在，换热的计算方式与大空间自然对流不同，流体的上浮和下沉收到空间的限制，流动可充分展开：亦称“自由对流换热”,简称“自然对流”,有大空间和有限空间内自然对流换热两类、“自由对 流”, 指参与换热的流体由于各部分 温度不均匀而形成密度从而在 重力场或其他力场中产生浮升力所 引起的对流换热现象
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京公网安备75号9-2 流体无相变时的对流换热
9-2 流体无相变时的对流换热
一、流体在管内的对流换热管内的对流换热：流体在管槽内流动时与管内壁之间的换热；在电厂中，如过热器，省煤器等管式换热器中管内流体与管内壁的换热。 1、管（槽）内流动换热的特点 &&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&圆管入口处层流边界层的发展流体在管内流动属于内部流动过程，其 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）区段和流动充分发展区段 ，如上图所示。在流体流入管内与管壁面接触时，由于流体粘性力的作用近壁会形成流动边界层。随着流体逐步向管内深入，边界层的厚度也会逐步增厚，当边界层的厚度等于管子的半径时，边界层在管子中心处汇合，此时管内流动成为定型流动。那么，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区，而进入定型流动的区域称为流动充分发展区。受迫在管内对流换热时，应考虑管内流动及换热的 4 个特殊因素：进口段与充分发展段；平均速度与平均温度；物性场的不均匀性；管子的几何特征。 （1）流动边界层的形成与发展 如图所示，流体进入管口后，开始形成边界层，并随流向逐渐增厚。在稳态下，沿管长各断面流量是不变的，故管中心流速将随边界层的增厚而增加，经过一段距离，管壁两侧的边界层将在管中心汇合，厚度等于管半径，同时管断面流速分布和流动状态达到定型，这一段距离通称流动进口段。之后，流态定型，流动达到充分发展，称为流动充分发展段。 其中层流区： Re&Rec =2300 ； 过渡区： Re=2300-104 ； 紊流区： Re&104 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&入口段速度分布和局部传热系数的变化&（2）换热特征 热边界层同样存在 进口段与充分发展段， 流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr，当 Pr ＞1时，流动进口段比热进口段短；当 Pr＜l 时，情形正相反。 热进口段长度 L （ L/d ≈ 10-45 ） 在常壁温条件下 L/d ≈ 0.05RePr ； 在常热流条件下 L/d ≈ 0.07RePr 。 在 Pr ＝ 1 情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热充分发展段，无因次温度分布(tw-t)/(tw-tf)达到定型，表面传热系数保持不变 。在进口处，边界层最薄， hx 具有最高值，随后降低。在层流情况下，αx趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，αx将有一些回升，并迅速趋于不变值。 2、管（槽）内流动换热的计算考虑到工程实际应用，在此只介绍管内紊流时的对流换热准则方程式：&&&& 应用注意： 适用范围：&&&&&&&&&& ； 特征尺寸取管内径，定性温度取管进出口流体的平均温度； Cl------为入口效应修正系数，对短管（l/d&60）要用其进行修正，其值不会小于1； Ct------为温度（物性）修正系数，当流体和壁温差较大时要修正； CR-----为弯管修正系数，有弯曲时要修正，其值不会小于1。 二、流体横掠圆管时的对流换热 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">流体横掠单管的流动情况1、流体横掠单圆管时的对流动换热应考虑脱体现象等特殊因素。 （1）流动边界层的形成与发展 Re&10 蠕动流 Re ≤ 1.5 × 105 层流 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">脱体现象 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">尾迹流 Re ≥ 1.5 × 105 层流 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">紊流 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">脱体现象 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">尾迹流 脱体现象： 流体的压强在管的前半部递降，而后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先逐渐增加，面后又逐渐降低。特别要注意的是在压强增大的区域内，流体需靠本身的动能来克服压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由于粘滞力的影响速度比较低，相应的动能也较小，其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到 0 壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从 0 点开始壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点 ( 或称分离点 ) 。 （2）换热特征 500)this.style.width=500;" onmousewheel="return bbimg(this)">壁面边界层流动状况，决定了换热的特征。右图为常热流条件下圆管壁面局部换热 Nuφ 的分布，曲线都表明，从管正面停滞点φ =0 o 开始，由于层流边界层厚度的增加，局部表面传热系数下降。图中 Re 最低的两个工况，它们在脱体点前一直保持层流，在脱体点附近出现 Nuφ的最低值。随后因脱体区涡旋的混乱运动， Nuφ趋回升。图中 Re 较高的其他工况在壁面边界层发生脱体时已是紊流，Nuφ曲线出现了两次低谷，第一次相当于层流到紊流的转变区，另一次则发生在紊流边界层与壁脱离的地方。图中数据表明在高 Re 情况下，脱体点可能推迟到φ =140 0 。局部表面传热系数最低的地方，换热最差。 2、流体横掠管束时的对流换热 外掠管束对流换热时，应考虑排列方式、管间距及管排数等特殊因素。 （1）流动边界层 层流： Re&103 ； 混合流 ： Re=500――2 × 105 ； 紊流 ： Re&2 × 105 。 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按照一定的的排列规则组合而成，常常是热交换设备的组件，工程上使用管束要比使用单管为多，如电厂中过热器、省煤器等都由管束组成。管束的排列方式很多，最常见的 有顺排和叉排 两种。如图所示，顺排和叉排中流体的扰动强度是不同的，顺排弱于叉排；管间距不同扰动强度也不同；另外除第―排管子保持了外掠单管的特征外，从第二排起流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰，流动状况比较复杂。 （2）换热特征 流体流过顺排或叉排管束的第一排管面时的流动和换热情况与流过单管的情形是相似的。但从第二排开始，顺排时管子的前后都处于前一排管的回流区中，流动和换热不同于第一排管；对于叉排排列，尽管从第二排管以后，流动情况与单管时看似相同，但由于前排造成的流场扰动会使流动和换热情形差别较大。这些都导致 后排管的换热要好于第一排管，但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了。但是前几排管换热性能上的差异，对于整个管束换热性能的影响，会随着管排数的增加而减弱。一般而言，顺排换热弱于叉排；因前排引起的扰动加强了后排的换热，所以各排的换热将逐排增大，直到 20 排左右这种影响才消失。（3）流体横掠掠管束时的对流换热平均换系数的计算&&&&&& 应用注意：C、m、n、k、p系数和指数由教材p130页表9-1查； CZ---------为管排修正系数，由教材p130页表9-2查，20排以上不用修正； Cφ------为斜修正系数，由教材p130页表9-3查。 三、自然对流换热1、自然对流产生的原因 自然对流：是流场温度分布不均匀导致的密度不均匀分布，在重力场的作用下产生的流体运动过程。 自然对流换热：是流体与固体壁面之间因温度不同引起的自然对流时发生的热量交换过程。 引起自然对流的浮升力实际上来自流体的密度梯度以及与该密度梯度成正比的体积力 ( 或称为彻体力 ) 的联合作用。在地球引力场范围内，最普遍存在的体积力是重力。当然还可以是由旋转运动导致的离心力、电磁场中的电磁力等。造成介质密度梯度的原因也有多种，其中最主要的是温度差。 2、自然对流换热的分类 自然对流换热问题常常按流体所处空间的特点分成两大类：如果流体处于相对很大的空间，边界层的发展不受限制和干扰，称为无限空间的自然对流换热；若流体空间相对狭小，边界层无法自由展开，则称为有限空间的自然对流换热。在自然界、在现实生活中、以及在工程上，物体的自然冷却或加热都是以自然对流换热的方式实现的 。例如，电厂中，各种热设备的散热；在偏僻地区，一些平时无人看管的小变电站或电话中继站等，其发热设备往往靠自然对流冷却。此外，管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内空气的散热以及海洋环流、大气环流等都与自然对流有关。由于自然对流换热的换热强度比较弱，尤其是在空气环境下，同时还存在着辐射换热，而且在温度比较高的情况下，辐射换热的强度与自然对流换热的强度处于相同的数量级。因此，在自然对流换热的实际计算中辐射换热是不可随意忽略的。 3、大空间自然对流的流动和换热特征 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&自然对流边界层和局部换热系数的变化情况&（1）流动和换热特征自然对流与受迫对流最大的不同点在于流体的运动是由于温度差引起的，因而流体与换热是密不可分的。为了讨论自然对流的流动和换热特征，这里以竖直平板在空气中的自然冷却过程为例来进行分析 ，如上图所示。竖直平板在空气中冷却，由于空气的粘度很小，因温度差引起的流体流动的范围十分有限。 在垂直于壁面的方向上流体的速度从壁面处的 uw =0 ，逐步增大到最大值 umax ，再往后又逐步减小到 uf =0 。这种流体速度变化的区域相对于流体沿着平板上升方向（图中的x方向）的尺度是很薄的，因而可以称之为自然对流的速度边界层 ，其厚度δ(x) 仍然采用受迫对流边界层的约定方法。它与受迫对流的速度边界层很相似，但也有显著的差别。主要体现在 速度剖面（y方向上的速度分布）的不同上， 自然对流边界层中速度从零经最大值后在到零值，而受迫对流边界层中 速度从零变化到最大值，即来流速度。自然对流强度主要取决于换热温差△t 、板高 l 、容积膨胀系数 α 和运动粘度 ν 。同样具有以下流态： 层流： GrPr &107 ；过渡区： GrPr =107 -1010 ；旺盛紊流： GrPr &1010 ；（GrPr）c 一般取109。在层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低，当边界层内层流向紊流转变队局部换热系数 hx 趋于增大。研究表明，在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时， hx 将保持不久而与壁的高度无关。（2）大空间自然对流换热的准则方程式&&&&&& 应用注意：定性温度取流体和壁面的平均温度； 常数C和n由实验测定，几种典型情况可查教材P132表9-4。}