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1
4.3 对流传热
4.3.1 对流传热过程分析
4.3.2 对流传热速率
4.3.3 影响对流传热系数的因素
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立
4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式返回北京化工大学化工原理电子课件
2
3.3.1 对流传热过程分析
dA
t2
G1,T1
G2,t1
T2
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3
dt
A2 A1
tW
t
TW
T
传热壁冷流体 热流体
层流底层温度梯度大，热传导方式
湍流核心温度梯度大，对流方式
过渡区域热传导和对流方式返回北京化工大学化工原理电子课件
4
3.3.2 对流传热速率 —— 牛顿冷却定律流体被冷却,)(
w TTAQ
式中 Q ── 对流传热速率,W；
── 对流传热系数,W/(m2·℃ )；
Tw ── 壁温,℃ ；
T ── 流体平均温度,℃ ；
A ──传热面积,m2。
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5
式中 dt──总有效膜厚度；
de──湍流区虚拟膜厚度；
d ──层流底层膜厚度。
下面来推导牛顿冷却定律建立 膜模型,d d d
t e
流体被冷却：
)( w TTAQ
t
d
d
t
T
TW
t
tW
dt
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6
1,牛顿冷却定律是一种推论，假设 Q∝?t。
Q A t t t t
A
t
Rw
w
( ) ＝ 1?
t t tw R
A?
1
2,复杂问题简单化表示。
推动力,阻力：
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7
4.3.3 影响对流传热系数?的因素
1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。
强制对流：由于外力和压差而引起的流动。
强 >?自
2.流体的物性
,?,?,cp
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8
5,是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾?相变 >?无相变
4,传热面的形状，大小和位置
形状：如管、板、管束等；
大小：如管径和管长等；
位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
3.流动形态层流、湍流?湍 >?层返回北京化工大学化工原理电子课件
9
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析式中 l—— 特性尺寸；
u—— 特征流速。
基本因次：长度 L，时间 T，质量 M，温度?
变量总数,8个由?定律（ 8-4） =4，可知有 4个无因次数群。
＝ f(u,l,?,?,cp,?,gt)
gka GrCNu PrRe?
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10
lNu?
du?Re
pc?Pr
2
23
tlgGr
gkpa tlgcduCl )()()(
2
23
Nusselt待定准数
Reynolds，流动型态对对流传热的影响
Prandtl，流体物性对对流传热的影响
Grashof，自然对流对对流传热的影响返回北京化工大学化工原理电子课件
11
二、实验安排及结果整理以强制湍流为例,Nu＝ CReaPrk
1．采用不同 Pr的流体，固定 Re
lgNu＝ klgPr＋ lgCRea
双对数坐标系得一直线，斜率为 k
2．不同 Pr的流体在不同的 Re下
lgNu/Prk＝ algRe＋ lgC
双对数坐标系中得一直线斜率为 a，截距为 C
Pr
Nu
k
Re
Nu/Prk
C
a
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12
定性温度的取法：
三,定性温度,特性尺寸的确定
2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
2)1(
21 ttt
m
2)2( mW tt膜温
3．准数关联式的适用范围。
1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。
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13
一、流体在管内的强制对流
kNu PrRe0 2 3.0 8.0?
kpcdu
d
)()(023.0 8.0
适用范围：
Re>10000,0.7<Pr<160,?<2mPa.s,l/d>60
4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
1．圆形直管内的湍流返回北京化工大学化工原理电子课件
14
特征尺寸为管内径 di
流体被加热时,k＝ 0.4；被冷却时,k＝ 0.3。
2
21 ttt
m
注意事项：
定性温度取返回北京化工大学化工原理电子课件
15
强化措施：
u?,u0.8
d?,1/d0.2
流体物性的影响，选?大的流体
8.0
18.0
2.0
8.0
8.0 0 2 3.0)()(0 2 3.0
kkpkp c
d
ucdu
d
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16
以下是对上面的公式进行修正：
(1)高粘度
14.03
1
8.0 )(PrRe027.0
w
Nu
0.1)(
95.0
05.1
)(
14.0
冷却或加热气体液体被冷却液体被加热
w?
Re>10000,0.7<Pr<160,l/d>60
定性温度取 tm；特征尺寸为 di
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17
(2) l/d<60 d
(3) 过渡流（ 2000<Re<10000) d
1
Re
1061
8.1
5
f
11
7.0
l
df
(4) 弯曲管内 d
177.11
R
df
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18
(5) 非圆形管强制湍流
1) 当量直径法
2) 直接实验法套管环隙,水 -空气系统
3
1
8.05.0
1
2 PrRe)(02.0
d
d
d e
适用范围：
12000<Re<220000； d2/d1=1.65~17
其中 d1为内管外径,d2为外管内径用 de代替 di计算,u不同 de,要用实际的流通面积计算返回北京化工大学化工原理电子课件
19
例题 4.3.1
一列管式换热器，由 38根?25× 2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由 20℃ 加热到 80 ℃,苯的流量为
8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：
（ 1）管壁对苯的对流传热系数；
（ 2）管子换为?19× 2mm，管壁对苯的对流传热系数；
（ 3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？
)/(80.1,/860 3 CkgkJcmkg p
)/(14.0,45.0 CmWsm P a
已知：苯的物性返回北京化工大学化工原理电子课件
20
特点,1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。
2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。
3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。
2,圆形管内强制层流返回北京化工大学化工原理电子课件
21
热流方向对层流速度分布的影响返回北京化工大学化工原理电子课件
22
14.03
1
)()Pr( R e86.1
wl
d
Nu
适用范围：
25000?Gr 10)Pr( R e?
l
d
670060 Pr,2300?Re
)0 1 5.01(8.0,2 5 0 0 0 3
1
GrfGr
当：
定性温度：
2
21 ttt
m
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23
二、管外强制对流的对流传热系数
1,流体在管束外垂直流过返回北京化工大学化工原理电子课件
24
4.0PrRe nCNu
在换热器内单排管：
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25
整个管束：
i
ii
A
A?
定性温度：
适用范围,7 0 0 0 0Re5 0 0 0
52.11
d
x
52.12
d
x
特性尺寸,管的外径 do
2
21 ttt
m
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26
2．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形返回北京化工大学化工原理电子课件
27
壳程流体的对流传热系数 （ 圆缺形 ）,
14.0
55.03/1 RePr36.0
W
Nu
定性温度：
正方形排列,
正三角形排列：
特征尺寸,当量直径 de
2
21 ttt
m
0
2
0
2 )785.0(4
d
dtd
e?
0
2
0
2 )78 5.0
2
3
(4
d
dt
d e
d0
t
t
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28
)1(m a x tdhDS o
流速 u按流通截面最大处的截面计算：
式中 h—— 两块折流挡板间距离,m；
D—— 换热器壳径,m；
do—— 管子的外径,m；
t—— 相邻两管中心距,m。
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29
注意,换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，
对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径 。
),,(45.0
55.0
p
e
cf
d
u
提高壳程对流传热系数的措施：
f2 h,u u ; u 流动阻力但?
ed
3） 加强湍动,
2）
1）
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30
三,大空间的自然对流传热
P r ),( GrfNu? nGrCNu P r ),(?
注意,c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置
（垂直、水平）有关。
定性温度,膜温特征尺寸,垂直的管或板为高度水平管为管外径
np tlgcC )(
l 2
23
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31
一、蒸汽冷凝
1,冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝
4.3.6 有相变时的对流传热系数
滴 >?膜返回北京化工大学化工原理电子课件
32
2,冷凝过程的热阻：液膜的厚度 d
3,蒸汽冷凝的?
1）水平管束外 41
3/2
32
7 2 5.0
tln
gr
式中 n—— 水平管束在垂直列上的管子数；
r—— 汽化潜热 （ ts下 ）,kJ/kg。
特性尺寸 l：管外径 do
2
Ws ttt
定性温度：膜温返回北京化工大学化工原理电子课件
33
湍流
2）竖壁或竖管上的冷凝层流 4132
13.1
tl
gr
适用条件,Re<1800
适用条件,Re>1800
特性尺寸 l：管或板高 H 定性温度：膜温
4.0
3
1
2
32
Re0077.0
g
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34
4,冷凝传热的影响因素和强化措施
1) 流体物性冷凝液 d?, ； 冷凝液,； 潜热 r? d?,
2) 温差液膜层流流动时,?t=ts－ tW?,d?,
3) 不凝气体不凝气体 存在,导致,定期排放 。
4） 蒸汽流速与流向 （ u>10m/s ）
同向时,d ；反向时,d ； u
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35
5) 蒸汽过热包括冷却和冷凝两个过程 。
6) 冷凝面的形状和位置目的：减少冷凝液膜的厚度垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列返回北京化工大学化工原理电子课件
36
沸腾种类 1） 大容积沸腾
2）管内沸腾
1,汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？
过热度,?t=tW－ ts
汽化核心,一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心?生成汽泡?长大?脱离壁面?新汽泡形成?搅动液层二,液体沸腾返回北京化工大学化工原理电子课件
37
2,沸腾曲线
1） 自然对流阶段
t<5?C
2） 核状沸腾阶段
25?C >?t>5?C
3）不稳定膜状沸腾
25?C >?t>5?C
工业上：核状沸腾
4）稳定膜状沸腾 250?C >?t>25?C
优点,?大,tW小返回北京化工大学化工原理电子课件
38
3、沸腾传热的影响因素及强化措施
1）液体的性质
,,,
强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）
2） 温差在核状沸腾阶段温差提高,
3） 操作压强
stp
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39
4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面,?大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒返回北京化工大学化工原理电子课件
40
1
4.3 对流传热
4.3.1 对流传热过程分析
4.3.2 对流传热速率
4.3.3 影响对流传热系数的因素
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立
4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
4.3.6 有相变时对流传热系数的经验关联式返回北京化工大学化工原理电子课件
2
3.3.1 对流传热过程分析
dA
t2
G1,T1
G2,t1
T2
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3
dt
A2 A1
tW
t
TW
T
传热壁冷流体 热流体
层流底层温度梯度大，热传导方式
湍流核心温度梯度大，对流方式
过渡区域热传导和对流方式返回北京化工大学化工原理电子课件
4
3.3.2 对流传热速率 —— 牛顿冷却定律流体被冷却,)(
w TTAQ
式中 Q ── 对流传热速率,W；
── 对流传热系数,W/(m2·℃ )；
Tw ── 壁温,℃ ；
T ── 流体平均温度,℃ ；
A ──传热面积,m2。
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5
式中 dt──总有效膜厚度；
de──湍流区虚拟膜厚度；
d ──层流底层膜厚度。
下面来推导牛顿冷却定律建立 膜模型,d d d
t e
流体被冷却：
)( w TTAQ
t
d
d
t
T
TW
t
tW
dt
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6
1,牛顿冷却定律是一种推论，假设 Q∝?t。
Q A t t t t
A
t
Rw
w
( ) ＝ 1?
t t tw R
A?
1
2,复杂问题简单化表示。
推动力,阻力：
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7
4.3.3 影响对流传热系数?的因素
1.引起流动的原因自然对流：由于流体内部密度差而引起流体的流动。
强制对流：由于外力和压差而引起的流动。
强 >?自
2.流体的物性
,?,?,cp
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8
5,是否发生相变蒸汽冷凝、液体沸腾?相变 >?无相变
4,传热面的形状，大小和位置
形状：如管、板、管束等；
大小：如管径和管长等；
位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
3.流动形态层流、湍流?湍 >?层返回北京化工大学化工原理电子课件
9
4.3.4 对流传热系数经验关联式的建立一、因次分析式中 l—— 特性尺寸；
u—— 特征流速。
基本因次：长度 L，时间 T，质量 M，温度?
变量总数,8个由?定律（ 8-4） =4，可知有 4个无因次数群。
＝ f(u,l,?,?,cp,?,gt)
gka GrCNu PrRe?
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10
lNu?
du?Re
pc?Pr
2
23
tlgGr
gkpa tlgcduCl )()()(
2
23
Nusselt待定准数
Reynolds，流动型态对对流传热的影响
Prandtl，流体物性对对流传热的影响
Grashof，自然对流对对流传热的影响返回北京化工大学化工原理电子课件
11
二、实验安排及结果整理以强制湍流为例,Nu＝ CReaPrk
1．采用不同 Pr的流体，固定 Re
lgNu＝ klgPr＋ lgCRea
双对数坐标系得一直线，斜率为 k
2．不同 Pr的流体在不同的 Re下
lgNu/Prk＝ algRe＋ lgC
双对数坐标系中得一直线斜率为 a，截距为 C
Pr
Nu
k
Re
Nu/Prk
C
a
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12
定性温度的取法：
三,定性温度,特性尺寸的确定
2．特性尺寸取对流动与换热有主要影响的某一几何尺寸。
2)1(
21 ttt
m
2)2( mW tt膜温
3．准数关联式的适用范围。
1．确定物性参数数值的温度称为定性温度。
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13
一、流体在管内的强制对流
kNu PrRe0 2 3.0 8.0?
kpcdu
d
)()(023.0 8.0
适用范围：
Re>10000,0.7<Pr<160,?<2mPa.s,l/d>60
4.3.5 无相变时对流传热系数的经验关联式
1．圆形直管内的湍流返回北京化工大学化工原理电子课件
14
特征尺寸为管内径 di
流体被加热时,k＝ 0.4；被冷却时,k＝ 0.3。
2
21 ttt
m
注意事项：
定性温度取返回北京化工大学化工原理电子课件
15
强化措施：
u?,u0.8
d?,1/d0.2
流体物性的影响，选?大的流体
8.0
18.0
2.0
8.0
8.0 0 2 3.0)()(0 2 3.0
kkpkp c
d
ucdu
d
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16
以下是对上面的公式进行修正：
(1)高粘度
14.03
1
8.0 )(PrRe027.0
w
Nu
0.1)(
95.0
05.1
)(
14.0
冷却或加热气体液体被冷却液体被加热
w?
Re>10000,0.7<Pr<160,l/d>60
定性温度取 tm；特征尺寸为 di
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(2) l/d<60 d
(3) 过渡流（ 2000<Re<10000) d
1
Re
1061
8.1
5
f
11
7.0
l
df
(4) 弯曲管内 d
177.11
R
df
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18
(5) 非圆形管强制湍流
1) 当量直径法
2) 直接实验法套管环隙,水 -空气系统
3
1
8.05.0
1
2 PrRe)(02.0
d
d
d e
适用范围：
12000<Re<220000； d2/d1=1.65~17
其中 d1为内管外径,d2为外管内径用 de代替 di计算,u不同 de,要用实际的流通面积计算返回北京化工大学化工原理电子课件
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例题 4.3.1
一列管式换热器，由 38根?25× 2.5mm的无缝钢管组成，苯在管内流动，由 20℃ 加热到 80 ℃,苯的流量为
8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求：
（ 1）管壁对苯的对流传热系数；
（ 2）管子换为?19× 2mm，管壁对苯的对流传热系数；
（ 3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？
)/(80.1,/860 3 CkgkJcmkg p
)/(14.0,45.0 CmWsm P a
已知：苯的物性返回北京化工大学化工原理电子课件
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特点,1）物性特别是粘度受管内温度不均匀性的影响，导致速度分布受热流方向影响。
2）层流的对流传热系数受自然对流影响严重使得对流传热系数提高。
3）层流要求的进口段长度长，实际进口段小时，对流传热系数提高。
2,圆形管内强制层流返回北京化工大学化工原理电子课件
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热流方向对层流速度分布的影响返回北京化工大学化工原理电子课件
22
14.03
1
)()Pr( R e86.1
wl
d
Nu
适用范围：
25000?Gr 10)Pr( R e?
l
d
670060 Pr,2300?Re
)0 1 5.01(8.0,2 5 0 0 0 3
1
GrfGr
当：
定性温度：
2
21 ttt
m
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23
二、管外强制对流的对流传热系数
1,流体在管束外垂直流过返回北京化工大学化工原理电子课件
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4.0PrRe nCNu
在换热器内单排管：
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整个管束：
i
ii
A
A?
定性温度：
适用范围,7 0 0 0 0Re5 0 0 0
52.11
d
x
52.12
d
x
特性尺寸,管的外径 do
2
21 ttt
m
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2．流体在换热器壳程的流动挡板形式：圆形、圆缺形返回北京化工大学化工原理电子课件
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壳程流体的对流传热系数 （ 圆缺形 ）,
14.0
55.03/1 RePr36.0
W
Nu
定性温度：
正方形排列,
正三角形排列：
特征尺寸,当量直径 de
2
21 ttt
m
0
2
0
2 )785.0(4
d
dtd
e?
0
2
0
2 )78 5.0
2
3
(4
d
dt
d e
d0
t
t
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)1(m a x tdhDS o
流速 u按流通截面最大处的截面计算：
式中 h—— 两块折流挡板间距离,m；
D—— 换热器壳径,m；
do—— 管子的外径,m；
t—— 相邻两管中心距,m。
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注意,换热器无折流挡板时，流体平行流过管束，
对流给热系数按管内强制对流计算，但管子的内径换为当量直径 。
),,(45.0
55.0
p
e
cf
d
u
提高壳程对流传热系数的措施：
f2 h,u u ; u 流动阻力但?
ed
3） 加强湍动,
2）
1）
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三,大空间的自然对流传热
P r ),( GrfNu? nGrCNu P r ),(?
注意,c,n与传热面的形状（管或板）、放置位置
（垂直、水平）有关。
定性温度,膜温特征尺寸,垂直的管或板为高度水平管为管外径
np tlgcC )(
l 2
23
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一、蒸汽冷凝
1,冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝
4.3.6 有相变时的对流传热系数
滴 >?膜返回北京化工大学化工原理电子课件
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2,冷凝过程的热阻：液膜的厚度 d
3,蒸汽冷凝的?
1）水平管束外 41
3/2
32
7 2 5.0
tln
gr
式中 n—— 水平管束在垂直列上的管子数；
r—— 汽化潜热 （ ts下 ）,kJ/kg。
特性尺寸 l：管外径 do
2
Ws ttt
定性温度：膜温返回北京化工大学化工原理电子课件
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湍流
2）竖壁或竖管上的冷凝层流 4132
13.1
tl
gr
适用条件,Re<1800
适用条件,Re>1800
特性尺寸 l：管或板高 H 定性温度：膜温
4.0
3
1
2
32
Re0077.0
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4,冷凝传热的影响因素和强化措施
1) 流体物性冷凝液 d?, ； 冷凝液,； 潜热 r? d?,
2) 温差液膜层流流动时,?t=ts－ tW?,d?,
3) 不凝气体不凝气体 存在,导致,定期排放 。
4） 蒸汽流速与流向 （ u>10m/s ）
同向时,d ；反向时,d ； u
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5) 蒸汽过热包括冷却和冷凝两个过程 。
6) 冷凝面的形状和位置目的：减少冷凝液膜的厚度垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列返回北京化工大学化工原理电子课件
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沸腾种类 1） 大容积沸腾
2）管内沸腾
1,汽泡产生的条件问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？
过热度,?t=tW－ ts
汽化核心,一般为粗糙加热面的细小凹缝处汽化核心?生成汽泡?长大?脱离壁面?新汽泡形成?搅动液层二,液体沸腾返回北京化工大学化工原理电子课件
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2,沸腾曲线
1） 自然对流阶段
t<5?C
2） 核状沸腾阶段
25?C >?t>5?C
3）不稳定膜状沸腾
25?C >?t>5?C
工业上：核状沸腾
4）稳定膜状沸腾 250?C >?t>25?C
优点,?大,tW小返回北京化工大学化工原理电子课件
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3、沸腾传热的影响因素及强化措施
1）液体的性质
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强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）
2） 温差在核状沸腾阶段温差提高,
3） 操作压强
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4）加热面新的、洁净的、粗糙的加热面,?大强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒返回北京化工大学化工原理电子课件
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