1/28
第四章 传热及传热设备
4.1 概述
4.2 热传导
4.3 对流传热
4.4 流体无相变时的对流传热
4.5 流体有相变时的对流传热
4.6 辐射传热
4.7 总传热速率和传热过程的计算
2/28
1,流体的状态：固, 液, 气状态及 是否有相变 。 有相变时对流传热系数
比无相变化时大的多；
2,流体的物理性质,导热系数 λ,粘度 μ, 密度 ρ, 比热 cp等；
3, 流体的温度：温度影响 导热系数 λ,传热推动力 Δ t,同时附加 自然
对流 ；
4,流体的流动状态,层流或湍流；
5,流体对流的原因,自然对流, 强制对流；
6,传热表面的形状, 位置及大小,如管, 板, 管束, 排列方式, 垂直或
水平放置等 。
影响对流传热系数的主要因素
§ 4.3.3 对流传热系数及其影响因素
3/28
自然对流传热
设加热面附近的液体（密度为 ??） 温度和远离加热面
处的液体 (密度为 ?） 温度差为 ?t,液体的体积膨胀系数为 ?。
则有,
t???? ?
??
1'
tgL
t
tgL
gLgLp
???
???
??
?
???
??
?
??
??
1
'
tgLpu ????? ??液体环流速度
强制对流由于外力的作用，对流表面传热系数要比
自然对流表面传热系数大几倍至几十倍。
4/28
1,h的获得主要有三种方法,
§ 4.3.4 实验方法确定对流传热系数 h
（ 1） 理论分析法,
用量纲分析法结合实验，建立 无 量纲 准数之间的 经
验关系式。
把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比
到热量传递过程。
建立理论方程式，用数学分析的方法求出 h的精确
解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简
单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。
（ 2） 实验方法 *,
（ 3） 类比方法,
5/28
2、给热系数 h的影响因素及量纲为 1的特征数
1）液体的物理性质,?,?,?、
cp
2）固体表面的特征尺寸,l
3）强制对流的速度,u
4）自然对流的特征速度,g??t
6/28
?定理,
个数基本变量数的特征数的个数为 44量 纲81量 纲 ???
即 h = f (?,?,?,cp,l,u,g??t)
无因次化后，可得,
基本量纲：长度 l，时间 θ,质量 m，温度 T
knm GrPrA R eNu ?
? ?P r,G rRefNu,?
也即
7/28
各量纲为 1的特征数的物理意义
?
hlNu ?
a
c p ?
?
? ??Pr
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2
23
Re
?
??
?
?
t g l
Gr
ul
------格拉晓夫数 Gr是雷诺数的一种
变形, 表征自然对流时的, 雷诺数
”
-----努塞尔数, 表示导热热阻与对流热阻之比
----- 普 朗 特 数, 反 映 物 性 的 影 响 。
一般, 气体的 Pr<1,液体的 Pr>1
对于强制对流,自然对流的影响可忽略,故 ? ?PrRe,??Nu
8/28
3、实验安排及结果整理
以强制湍流为例,
设 Nu＝ ARemPrn
1)采用不同 Pr的流体，固定 Re
lgNu＝ nlgPr＋ lgCRem
在坐标系得一直线,
斜率为 n
2)不同 Pr的流体，在不同的 Re下
lgNu/Prn＝ mlgRe＋ lgA
在坐标系中得一直线,
斜率为 m，截距为 lgA
9/28
可求得管内强制湍流时（ P180）
?
?
?
?
?
?
被冷却
被加热
3.0
4.0
PrRe023.0 8.0
n
n
Nu n
适用范围：光滑管
低粘度 （ <2?水 ）
温差 （ tw-t） 较小
Re>104
0.7<Pr<120
充分发展段, 即 l/d?60,若 l/d<60，
可将算得的 h乘以
?
hlNu ?
?
?pc?Pr
?
?ul?Re
?????? ? 7.0)(1 ld
进行修正。
10/28
4、定性温度、定型尺寸、特征速度的确定
（ 1）定性温度
在给热过程中，流体的温度各处不同。以什
么温度为基准查取所需的物性数据？
选定性温度，应以简单、方便为准，所以
流体 主体的平均温度 便成为一个广为使用的定
性温度。
使用经验公式时，要注意实际测定和关联时
所选用的定性温度
主体平均温度
2
出进 ttt
m
?
?
膜温
2
主体壁 ttt
m
?
?
11/28
（ 2）定型尺寸
也即特征数中的 l,一般选取对流动情况起
决定作用的几何因素作为定型尺寸,
管内流动取管内径作为定型尺寸；
管外的横向流动取管外径作为定型尺寸；
非圆形管取传热当量直径作为定型尺寸。
12/28
（ 3）特征速度
在 Re中的速度 u称为特征速度，此速度需
根据不同情况选取有意义的流速,
流体在管内流动时取横截面上流体的平均
速度；
流体在换热器内管间流动时取根据管间最
大横截面积计算的速度。
[思考 ]
1.金属的导热系数大都随其纯度的增加而 ______，随其温度的升
高而 ______。
（增大；减小）
2.对流传热的热阻主要集中在 ____，因此,__是强化对流传热的
重要途径。
（层流内层；减薄 层 流内层的厚度）
3.多层圆筒壁稳定导热时，通过各层的热通量相等吗？
(不等,内层 热通量较大 )
4.在稳态传热中，凡热阻大处其温差也大。
（正确 ）
5.由多层等厚平壁构成的导热壁面中,所用材料导热系数愈大,
则该壁面的热阻就 __,其两侧的温度差愈 __。
（ 越小,越小 ）
6.一杯开水（１００ ℃ ）置于２０ ℃ 的静止空气中，问杯子两侧流
体的传热各属何种类型？哪一侧热阻大？
（均为自然对流，气侧还有辐射，空气侧热阻大；）
若将杯子浸在２０ ℃ 的冷水中 （ 两流体不直接接触 ）, 能否增强传
热？
（ 能增强传热, 因为水的对流传热系数比空气大； ）
仍置于空气中, 但使杯外的空气流动, 问能否增强传热？ 理由？
（能增强传热，因为强制对流的对流传热系数比自然对流大）
7.一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果
应＿＿，主要原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
(减弱,石棉泥受潮后热传导系数增大 )
例,水以 2m/s的流速通过 φ55× 2.5mm，长 2m的钢管去冷
却套管换热器中环隙中的苯，已知水温由 25℃ 升高到 55℃,
试计算 (1） 水对管壁的 h,(2) 若将水流量提高 30%，在其
它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？
解：（ 1）水的定性温度 t定 =（ 25+55） /2=40℃
从附录中查水的物性常数
ρ=992.2kg/m3 λ=0.6338w/m.k μ=0.6560× 10-3N.S/m2
Pr=4.32
判断管子内水的流动类型,
Re=duρ/μ=0.05× 2× 992.2/0.6560× 10-3=1.519× 104
KmW
nPR
d
h
re
i
./7 2 9 832.4)105 1 9.1(
05.0
6 3 3 8.0
0 2 3.0
4.0,0 2 3.0
24.08.04
4.08.0
??????
?? 被加热
?
KmWhh
R
R
e
e
./9730)3.1.('
3.1
28.0
1
2
??
?
(2)在其它条件相同的情况下，水流量提高 30%
KmWh
dL
i
./7 8 8 70 7 5.17 2 9 8
0 7 5.1)
2
05.0
(1
504005.0/2/
2
7.0
????
??
???
短管
?
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作业
P239
4
思考题 1,2,
第四章 传热及传热设备
4.1 概述
4.2 热传导
4.3 对流传热
4.4 流体无相变时的对流传热
4.5 流体有相变时的对流传热
4.6 辐射传热
4.7 总传热速率和传热过程的计算
2/28
1,流体的状态：固, 液, 气状态及 是否有相变 。 有相变时对流传热系数
比无相变化时大的多；
2,流体的物理性质,导热系数 λ,粘度 μ, 密度 ρ, 比热 cp等；
3, 流体的温度：温度影响 导热系数 λ,传热推动力 Δ t,同时附加 自然
对流 ；
4,流体的流动状态,层流或湍流；
5,流体对流的原因,自然对流, 强制对流；
6,传热表面的形状, 位置及大小,如管, 板, 管束, 排列方式, 垂直或
水平放置等 。
影响对流传热系数的主要因素
§ 4.3.3 对流传热系数及其影响因素
3/28
自然对流传热
设加热面附近的液体（密度为 ??） 温度和远离加热面
处的液体 (密度为 ?） 温度差为 ?t,液体的体积膨胀系数为 ?。
则有,
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tgLpu ????? ??液体环流速度
强制对流由于外力的作用，对流表面传热系数要比
自然对流表面传热系数大几倍至几十倍。
4/28
1,h的获得主要有三种方法,
§ 4.3.4 实验方法确定对流传热系数 h
（ 1） 理论分析法,
用量纲分析法结合实验，建立 无 量纲 准数之间的 经
验关系式。
把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比
到热量传递过程。
建立理论方程式，用数学分析的方法求出 h的精确
解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简
单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。
（ 2） 实验方法 *,
（ 3） 类比方法,
5/28
2、给热系数 h的影响因素及量纲为 1的特征数
1）液体的物理性质,?,?,?、
cp
2）固体表面的特征尺寸,l
3）强制对流的速度,u
4）自然对流的特征速度,g??t
6/28
?定理,
个数基本变量数的特征数的个数为 44量 纲81量 纲 ???
即 h = f (?,?,?,cp,l,u,g??t)
无因次化后，可得,
基本量纲：长度 l，时间 θ,质量 m，温度 T
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7/28
各量纲为 1的特征数的物理意义
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------格拉晓夫数 Gr是雷诺数的一种
变形, 表征自然对流时的, 雷诺数
”
-----努塞尔数, 表示导热热阻与对流热阻之比
----- 普 朗 特 数, 反 映 物 性 的 影 响 。
一般, 气体的 Pr<1,液体的 Pr>1
对于强制对流,自然对流的影响可忽略,故 ? ?PrRe,??Nu
8/28
3、实验安排及结果整理
以强制湍流为例,
设 Nu＝ ARemPrn
1)采用不同 Pr的流体，固定 Re
lgNu＝ nlgPr＋ lgCRem
在坐标系得一直线,
斜率为 n
2)不同 Pr的流体，在不同的 Re下
lgNu/Prn＝ mlgRe＋ lgA
在坐标系中得一直线,
斜率为 m，截距为 lgA
9/28
可求得管内强制湍流时（ P180）
?
?
?
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被冷却
被加热
3.0
4.0
PrRe023.0 8.0
n
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Nu n
适用范围：光滑管
低粘度 （ <2?水 ）
温差 （ tw-t） 较小
Re>104
0.7<Pr<120
充分发展段, 即 l/d?60,若 l/d<60，
可将算得的 h乘以
?
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进行修正。
10/28
4、定性温度、定型尺寸、特征速度的确定
（ 1）定性温度
在给热过程中，流体的温度各处不同。以什
么温度为基准查取所需的物性数据？
选定性温度，应以简单、方便为准，所以
流体 主体的平均温度 便成为一个广为使用的定
性温度。
使用经验公式时，要注意实际测定和关联时
所选用的定性温度
主体平均温度
2
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11/28
（ 2）定型尺寸
也即特征数中的 l,一般选取对流动情况起
决定作用的几何因素作为定型尺寸,
管内流动取管内径作为定型尺寸；
管外的横向流动取管外径作为定型尺寸；
非圆形管取传热当量直径作为定型尺寸。
12/28
（ 3）特征速度
在 Re中的速度 u称为特征速度，此速度需
根据不同情况选取有意义的流速,
流体在管内流动时取横截面上流体的平均
速度；
流体在换热器内管间流动时取根据管间最
大横截面积计算的速度。
[思考 ]
1.金属的导热系数大都随其纯度的增加而 ______，随其温度的升
高而 ______。
（增大；减小）
2.对流传热的热阻主要集中在 ____，因此,__是强化对流传热的
重要途径。
（层流内层；减薄 层 流内层的厚度）
3.多层圆筒壁稳定导热时，通过各层的热通量相等吗？
(不等,内层 热通量较大 )
4.在稳态传热中，凡热阻大处其温差也大。
（正确 ）
5.由多层等厚平壁构成的导热壁面中,所用材料导热系数愈大,
则该壁面的热阻就 __,其两侧的温度差愈 __。
（ 越小,越小 ）
6.一杯开水（１００ ℃ ）置于２０ ℃ 的静止空气中，问杯子两侧流
体的传热各属何种类型？哪一侧热阻大？
（均为自然对流，气侧还有辐射，空气侧热阻大；）
若将杯子浸在２０ ℃ 的冷水中 （ 两流体不直接接触 ）, 能否增强传
热？
（ 能增强传热, 因为水的对流传热系数比空气大； ）
仍置于空气中, 但使杯外的空气流动, 问能否增强传热？ 理由？
（能增强传热，因为强制对流的对流传热系数比自然对流大）
7.一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果
应＿＿，主要原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
(减弱,石棉泥受潮后热传导系数增大 )
例,水以 2m/s的流速通过 φ55× 2.5mm，长 2m的钢管去冷
却套管换热器中环隙中的苯，已知水温由 25℃ 升高到 55℃,
试计算 (1） 水对管壁的 h,(2) 若将水流量提高 30%，在其
它条件相同的情况下，水对管壁的给热系数又为多少？
解：（ 1）水的定性温度 t定 =（ 25+55） /2=40℃
从附录中查水的物性常数
ρ=992.2kg/m3 λ=0.6338w/m.k μ=0.6560× 10-3N.S/m2
Pr=4.32
判断管子内水的流动类型,
Re=duρ/μ=0.05× 2× 992.2/0.6560× 10-3=1.519× 104
KmW
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05.0
6 3 3 8.0
0 2 3.0
4.0,0 2 3.0
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4.08.0
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3.1
28.0
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(2)在其它条件相同的情况下，水流量提高 30%
KmWh
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(1
504005.0/2/
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短管
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作业
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4
思考题 1,2,
