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布料对你的感觉有什么影响？
6.织物可以代表热交换器中的污垢。这说明了什么
污垢在换热器中何时重要？
©2019年弗吉尼亚理工大学医学系T.E.Diller
传热车间8对流介绍
名称：了解流体对流
只要表面附近有温度较高的流体，就会发生对流传热
差别你的手腕就是一个很好的例子。即使在没有空气的房间里，由于浮力也会有空气运动
明显的整体空气运动。在现实中，总是有一些空气运动——如果一扇门打开，如果一个人
如果电子元件被激活，则移动。这些都会导致不稳定和看似随机的空气运动
以及表面对流。即使这个热通量可能不是很大，它仍然可以用
课程套件中的热流传感器。
流体运动对对流的影响包含在用于关联的系数h中
热通量与表面Ts和流体Tfluid之间的温差有关。例如
𝑞𝑞" = ℎ �𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓�
该对流换热系数通过一个特性以努塞尔数无量纲化
长度Lc和流体k的热导率
𝑁𝑁𝑁𝑁 = ℎ𝐿𝐿𝑐𝑐
𝑘𝑘
特征长度与雷诺数中使用的长度相同
𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑉𝑉𝐿𝐿𝑐𝑐
𝜈𝜈
其中流体速度为V，流体的运动粘度为ν。Nusselt的关联
雷诺数通常用流动的雷诺数表示。由于这种相关性
传递测量有时用作推断流体速度的方法。这将是
在当前研讨会中演示。
传热研讨会8对流结果
名称
您的第一个挑战是使用热流传感器系统测量热对流系数。
将热流传感器贴在手腕内侧，测量表面温度和热流。
将第二个热电偶放在室外，以记录空气温度。大约需要20秒的时间
三种情况下的数据（都可以记录在同一个文件中）。首先，用手指转动手腕
传感器朝上，不移动，然后转动手腕，使传感器朝下，不移动
绕一圈移动手臂，使其相对于空气运动。你能达到的最大热通量是多少
通过移动手臂来实现这一目标？
计算每种条件下的传热系数和相应的努塞尔数。
忽视辐射的影响。使用手腕的直径作为特征长度，LC=d=
对于Re和Nu，假设你的手臂是圆柱体。忽视辐射的影响。记录你的平均数
下表列出了三种条件的数值，并计算了相应的传热系数
和努塞尔数。
手腕朝上，手腕朝下，手臂移动
泰尔（摄氏度）
Ts（℃）
q|（W/m2）
)
h（W/m2
-K）
Nu＝hLc/k
在驻点处空气流过圆柱体的传热关联式为：
𝑁𝑁𝑢𝑢 = 0.95√𝑅𝑅𝑅𝑅
使用此相关性来估计从手臂上移动手臂所获得的最大速度
测量努塞尔数。
空气特性：图表、方程和计算：
1.Re=
2.你的最大速度是多少，V=
3.在手腕上的传感器的三个方向中，您希望哪一个方向的读数最高
热通量？为什么？
4.您希望哪个方向的热通量最低？
基于浮力，为什么？
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传热研讨会9：喷气式飞机介绍
名称
空气射流是提供表面对流换热的良好手段。这就是为什么你
如果食物太热，就吹气。图中显示了典型工业喷气式飞机的草图。大型
热空气射流阵列通常用于干燥过程。风扇通过许多小风扇为大型增压室增压
孔板上的孔，然后撞击相对表面。
平面上的热传递的一个常见关联式是在一个平面下方的冲击区域中
冲击射流是
𝑁𝑁𝑁𝑁 = 0.83√𝑅𝑅𝑅𝑅
其中Re＝Vd/v，Nu＝hd/k。
热导率为k，运动粘度为v。出口处射流的有效直径
速度为d，速度为V。速度可由伯努利方程确定。就性能而言
相对于大气的增压压力p。
𝑝𝑝
𝜌𝜌
+
1.
2.𝑉𝑉2 = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
其中ρ是流体密度。因此，压差是
𝛥𝛥𝛥𝛥 = 1.
2.𝜌𝜌 𝑉𝑉2.
传热车间9喷射结果
名称
你今天面临的挑战是在吹风时测量对流传热系数
某物将热通量传感器贴在铝片上，并将其放在房间的表面上
温度将接线侧向下放置在金属旁边，以获得正热流。胶带
第二个热电偶，使珠子位于传感器上方，但不在传感器上方这将提供一个
从肺部测量空气温度。开始数据采集并尽可能长时间用力吹气
你可以。然后停止并保存数据。
请注意，这是一个高度瞬态的事件，热流和温度的方向可能会改变
瞬时切换，给出h的负值。使用热流图和
温度来解释你的传热系数。
1.给出达到的最大热流值。
最大q|=
2.记录出现最大热流时的温度。
Ts=
塔尔=
3.计算相应的传热系数和努塞尔数。照镜子估计
你吹气时嘴巴的直径。将其用作特征长度，Lc=d=。
h=
Nu＝hd/k=
4.根据导言中给出的努塞尔数相关性，确定相应的速度
该传热测量估计=
5.你的肺可以提供几英寸水的气压。需要多大的肺压力才能恢复
提供您在4中计算的空气速度？假设伯努利方程适用。（249Pa=1英寸H2O）
Δp=该值合理吗？
6.显示方程式和计算。
300 K时的空气特性
热导率，k=
密度ρ=
运动粘度，v=
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传热车间10窗口传导介绍
名称
窗户是建筑物热损失的主要来源。许多较旧的窗户和风门使用单窗格玻璃
玻璃，通常为1/8英寸厚。在我们校园的旧工程建筑中仍然如此。热能
应通过热通量q”和玻璃上的温差ΔT测量窗户的电阻。
在稳态条件下，导热通量为：
𝑞𝑞” = 𝑘𝑘
𝐿𝐿 (𝑇𝑇𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑇𝑇𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜)
其中k是玻璃的热导率，L是厚度。相应的热阻为：
𝑅𝑅" = 𝐿𝐿/𝑘𝑘
室内空气和室外空气
玻璃
注：当发生热传导时，很难精确测量材料的表面温度
或从表面上。热接触电阻相对较大，特别是对于普通的珠状热电偶。
相反，热通量通常是在更大的面积上测量的，在稳态条件下，会发生什么
一定要出来。因此，与流行的观点相反，通常更容易精确测量热流
在比温度低的表面上。
传热车间10窗户传导结果
名称
将热通量传感器安装在车窗内侧，热电偶位于靠近玻璃的一侧。
测量稳态下的热通量和温度。然后对车窗外侧重复上述操作。使用第二个
热电偶同时记录空气温度。记录下面的稳态值，并绘制
图中的温度分布。标记热通量的方向。
绘制系统并标记所有测量值：
玻璃内部=
外面的玻璃=
泰尔在里面=
泰尔在外面=
q|=
q|外部=
1.为什么热通量值在窗口内外之间具有相反的符号？
2.在窗户周围应用能量平衡。它说明了你测得的热量之间的关系吗
通量值？
3.什么原因会导致热流测量值的大小不相等？
4.忽略辐射，求解整个玻璃的温差传导方程
平均热通量。玻璃的热导率通常约为k＝1.0W/m-k，厚度约为
L＝3mm。
计算的ΔT=测量的ΔT=
5.为什么这些值如此不同？
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传热车间11水蒸发简介
名称：了解同时传热和传质
人体利用水分蒸发作为重要的传热机制。此外
是许多工业过程，尤其是用于在空气中使用蒸发过程的产品干燥。
幸运的是，对流传质J通常可以用与对流完全相同的方式建模
建立了传热模型。就单位面积的转移（通量）而言
𝑞𝑞ʺ𝑐𝑐 = ℎ (𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇∞)
𝐽𝐽ʺ = ℎ𝑚𝑚 (𝐶𝐶𝑠𝑠 − 𝐶𝐶∞)
热通量是指从表面到整体流体（空气）的温差，质量通量是
就空气中水蒸气的浓度差而言。这些浓度等于
水饱和温度下的水蒸汽密度ρ，可从蒸汽表中找到。
相对湿度将空气中的实际水蒸气浓度与该饱和值相关联
在空气温度T下∞.
𝜑𝜑 = 𝐶𝐶
𝐶𝐶𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 � = 𝐶𝐶
𝜌𝜌∞ �
对于同一表面，传热系数h和传质系数hm可以通过以下公式关联：
刘易斯关系
ℎ𝑚𝑚 = ℎ
𝐷𝐷式中，D是水蒸气在空气中的扩散系数，k是空气的导热系数
在空气的平均温度下𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎 = (𝑇𝑇𝑠𝑠 + 𝑇𝑇∞)/2.刘易斯数Le是
空气的热扩散系数α与运动粘度。对于接近室温的空气中的水蒸气
条件：路易斯数几乎为0.85的恒定值。
𝐿𝐿𝐿𝐿 = 𝛼𝛼�𝐷𝐷 = 0.85
这也提供了一种简单的方法来找到扩散系数，
𝐷𝐷 = 𝛼𝛼
0.85�
来自表面的总能量通量是对流传质和热传导的组合
传质的蒸发能量通量。因为水在蒸发过程中从液体变为蒸汽
蒸发，必须包括蒸发焓hfg。
𝑞𝑞"𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑞𝑞ʺ𝑐𝑐 + 𝐽𝐽ʺ ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓
𝑞𝑞ʺ𝑐𝑐 𝐽𝐽ʺ ℎ𝑓𝑓𝑓𝑓
表面
𝑞𝑞"𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
传热车间11水蒸发结果
名称
在车间8中，您测量了手腕的对流传热。现在的挑战是如何衡量
当引入汗液或水时，传热和传质的结合。首先，用胶带将热流传感器固定到
您的手腕与之前一样，用于干测量。将第二个热电偶放在室外以记录空气
温度在空中移动手臂时，记录大约30秒的数据（直到稳定）。然后放一块湿布
（包括在您的套件中）在传感器顶部浸水，然后重复。布干了
非常快，所以每次使用前都要重新浸透布料。在这两种情况下，将热通量绘制为时间的函数
并注意添加湿布时的变化。
使用稳态热通量和温度值来计算以下情况下的传热系数：
在加入布料之前，手臂是干燥的。忽视辐射的影响。假设你找到的h保持不变
（但不是表面温度）。将此值与Lewis关系一起使用以计算
相应的传质系数，hm。使用传感器和周围空气的温度来找到
水蒸气的相应饱和浓度。假设相对湿度，以找到水蒸气
空气中的浓度（从50%开始）。使用这些值计算湿箱的总热通量。做
这是一场比赛吗？如果没有，请调整您使用的相对湿度值，并重复计算，直到得到一个
与您的数据合理匹配。在下面记录测量值。
干臂和湿臂的测量值
总质量（W/m2）
)
T∞ （摄氏度）
Ts（ºC）
干燥情况下传热系数的计算值，h=
使用Lewis关系计算湿箱的值：
Tav下表中的空气特性：k=α=D=
传质系数，hm=
性质@Ts=，水蒸气密度ρs=Cs=蒸发焓，hfg=
猜测φ=
属性@T∞ = . 水蒸气密度，ρ∞ = C∞ = φ ρ∞ =
计算的质量通量，Jı=hm（Cs–C∞) =
计算的蒸发能通量，Jчhfg=hm（Cs–C）∞) 高频发生器=
湿态时计算的对流热通量，qчc=h（Ts–T∞) =
计算的湿总能量传递，q“total=qчc+J⫍hfg=
通过质量传递的能量传递分数=
方程式和计算：
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传热车间12传热系数介绍
名称：了解传热系数
传热系数用于关联表面和流体之间的热通量。对于热通量
从表面上定义为正
ℎ = 𝑞𝑞ʺ
𝑇𝑇𝑠𝑠 − 𝑇𝑇𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓
其中Ts是表面温度，Tfluid是本体流体的温度。如果温度
差为零，h的值未定义。因此，必须提供进出的热传递
h的表面具有意义。如果没有自然发生的热传递，则可向其添加加热器
提供热通量。诱惑可能是只使用加热器，并假设所有热通量
通过对流进入空气中。这通常不是一个好的假设。如果没有热通量传感器，它是
很难知道来自加热器的热能中有多少实际上留在流体中，以及如何离开
大部分被表面材料吸收。热流传感器的价值在于它直接测量温度
从壁表面的加热器到流体的热通量。
在热通量传感器后面放置加热器会在传感器所在的位置创建一个人工“热点”，
然而已知表面温度的这种破坏会增加温度下的传热系数
传感器的位置。这会导致测量误差非常大。以下
参考提供了更多细节。在两个ASTM标准中也有使用热流传感器的指南
列出的标准。
Diller，T.E.，“热通量测量”，第18章，《科学与工程测量手册》，
约翰·威利父子出版社，纽约，2013年，第629-659页。
ASTM E2684-ASTM E2684-17，使用表面安装的一维平面量规测量热通量的标准试验方法。Ann.Book ASTM标准，15.032017。
ASTM E2683-17，使用嵌入式插件测量热通量的标准试验方法
温度梯度计。Ann.Book ASTM标准，15.032017。
传热研讨会12结果
名称：了解传热系数
通常，通过建筑物墙壁的热通量非常小。因此
墙壁外侧的对流传热系数，将传感器套件中提供的加热器添加到
给出可测量的热通量。将其放置在热流传感器和建筑物墙壁之间。放在一边
在热电偶远离建筑物的情况下使用传感器，以在加热器关闭时获得正热流
正在运行。打开数据采集至少10秒钟，然后启动加热器。让它运行一段时间
至少30秒。然后找到打开加热器前后的平均值。
建筑外qч（W/m2）
)Ts（C）Tair（C）h（W/m2）
)
在加热器之前
在加热器之后
1.绘制温度、热流和传热系数随时间的变化曲线。连接到
车间加热器打开前的温度和热流值有意义吗？
2.示出了传热系数的计算。
3.加热器提高了传感器的温度和由此产生的对流热流，这使得
更容易确定传热系数。然而，这导致局部表面温度升高
破坏热边界层，增加局部传热系数。基于您的
在这种情况下，h值增加了多少？
4.在瞬态条件下，当流体的方向
温差从正变为负？
5.关于传热系数的限制以及如何定义，您能得出什么结论？
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传热车间13辐射介绍
名字是关于灰体辐射的
表面的发射率ε是辐射热通量或发射功率E的量度
相对于“黑体”的最大值。这个黑体发射功率是由基础物理学定义的
像
𝐸𝐸𝑏𝑏 = 𝜎𝜎 𝑇𝑇4.
其中常数σ的值=5.67×10-8 W/m2
-K，当温度以开尔文度为单位时。
然后简单地计算发射率
𝜀𝜀 = 𝐸𝐸
𝐸𝐸𝑏𝑏 �
当有多个表面交换辐射时，所有表面都同时接收和发射辐射
能量如果两个表面都是黑色（ε=1）且彼此非常接近，则来自
表面1到表面2是简单的
𝑞𝑞"12 = 𝐸𝐸𝑏𝑏1.− 𝐸𝐸𝑏𝑏2 = 𝜎𝜎 (𝑇𝑇1.
4.− 𝑇𝑇2.
4)
如果其中一个表面为灰色（ε<1），则需要包括额外的热阻，如下所示：
𝑞𝑞"12 = 𝐸𝐸𝑏𝑏1.− 𝐸𝐸𝑏𝑏2.
1 + 1 − 𝜀𝜀1.
𝜀𝜀1.
这减少到
𝑞𝑞"12 = 𝜀𝜀1(𝐸𝐸𝑏𝑏1.− 𝐸𝐸𝑏𝑏2)
记住，这是两个非常靠近的表面的辐射通量，一个表面是黑色的，另一个是黑色的
灰色
传热车间13辐射结果
名字是关于灰体辐射的
要求您测量金属表面的发射率。为此，将为您提供一个加热系统
在盘子的一半上涂成黑色的盘子。另一半是抛光金属。请注意，板处于垂直位置
温度均匀，因为其厚度大且导热性高。温度应为90°C左右，以方便测量
感受辐射。比较金属（灰色）表面与涂漆（黑色）表面的传热
相同条件下的表面（ε=1）。使用热通量传感器测量传感器发出的辐射
盘子将传感器安装到您的小铝块上，以提供散热器。用一块黑色的
（电气）胶带，为热流传感器提供近似黑色的表面（ε=1）。
1.先将手放在盘子的一半以上，然后再放在另一半以上，以感受黑色和黑色之间的差异
和灰色表面。注意如果你走得更远的感觉。不要碰盘子。这是非常重要的
热的
2.在不接触板的情况下，将自由热电偶放在板和加热器之间，以测量板
温度保持热通量传感器靠近，但不要接触板。大约需要20秒的数据才能完成
每个黑色和灰色曲面，并保存在一个文件中。记录板和传感器的温度
从板的每一半到下面的传感器的测量热通量。找到相应的发射率
抛光的金属。
Tp（K）Ts（K）q〃黑（W/m2
)q〃灰色（W/m2
)
仔细斟酌的
3.在相同温度下，灰色表面与黑色表面的感觉有何不同？这是为什么？
4.为了简化系统分析，忽略对流并假设表面非常接近（视图
传感器和板之间的系数为单位）。根据介绍中的等式，对于这种情况，比率
热通量的计算 |
