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
§ 4.4.1 流体在管内作强制对流
一、流体在圆形管内作强制湍流
1.低粘度流体
?
?
?
?
?
?
被冷却
被加热
3.0
4.0
PrRe023.0 8.0
n
n
Nu n
思考,
为什么加热时 n取 0.4，
冷却时取 0.3？
3/28
一般，液体的 Pr>1, Pr 0.4 > Pr 0.3，加热
时 h较大 。
这是因为：当液体被加热时，管壁处层流
底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液
体粘度随温度升高而降低，故贴壁处液体粘度
较小，使层流底层的实际厚度比用液体主体温
度计算的厚度要薄,h较大。
气体的 Pr<1, Pr 0.4 < Pr 0.3,冷却时 h较
大 。
这是由于气体粘度随温度升高而增大，气
体被加热时的边界层较厚的缘故。
4/28
2.高粘度流体
??
?
?
3/18.0
14.0
3/18.0
PrRe0 2 3.0
PrRe0 2 3.0
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
w
Nu
应用范围,Re＞ 10000；
0.7＜ Pr＜ 16700；
L/di>60。
定型尺寸,di
定性温度, μw取壁温作定性温度，其余各物性取液体进出
口平均温度作定性温度。
液体被加热 ≈1.05,液体被冷却 ≈0.95。 14.0
???
?
???
?
w?
?14.0
???
?
???
?
w?
?
5/28
二、流体在圆形管内强制层流
1 0, 1 4
11 3
331, 8 6
w
dN u R e P r
l
?
?
????
? ????
?? ??
应用范围,Re＜ 2300； 0.6＜ Pr＜ 6700 。
100PrRe ?Ld i
定型尺寸：管内径 di；
定性温度,μw取壁温, 其余取进, 出口温度的算术平均
值 。
6/28
三、流体在圆形管内作过渡流
在 Re=2300~10000的过渡区, 作为粗略计算, 可按湍
流传热的公式计算 h值, 然后乘以校正系数 φ,
8.1
5
Re
1061 ????
7/28
四、流体在圆弯管作强制对流
流体流过弯曲管道或螺旋管时，由于离心力的作用，
会引起扰动加剧而强化传热，表面传热系数应先按直管经
验式算，再乘以一个大于 1的校正系数,
?
?
??
?
? ??
R
dhh i77.11'
h为直管表面传热系数,
di为管内径,R为弯曲半径。
8/28
五、流体在非圆形管中作强制对流
特征尺寸应用当量直径 de。 当量直径分两种,
一种是流体力学当量直径,
? ?
2
2
2
2
1
2
2
2
2
144
d
dd
d
dd
d e
?
?
??
?
?
?
例如,内管外径为 d2,外管内径为 d1的同心套
管环状通道，内管传热时的传热当量直径,
传热周边长
流动截面积?? 4
ed
润湿周边长
流动截面积?? 4
ed
还有一种是传热当量直径,
9/28
3/18.0
53.0
2
1 PrRe02.0
???
?
???
?
?
d
d
d
h
e
?
套管环隙，用水和空气作试验，可得,
应用范围,Re＜ 12 000～ 220 000；
17~65.1
2
1 ?
d
d
定型尺寸,流体力学 当量直径 de；
定性温度：取进、出口温度的算术平均值。
10/28
§ 4.4.2 流体在管外作强制对流
分为以下几种情况：平行于管、垂直于
管或垂直与平行交替。
一、流体在单管外作强制垂直对流
如图，从 A点 （约 φ ＝ 0o ） 开始，随 φ
角增大，管外层流底层逐渐增厚，热阻逐渐增
大，表面传热系数 h逐渐减小；边界层分离以
后（约 φ ＝ 80o ），因为管子背后形成旋涡，
表面传热系数 h逐渐增大。
11/28
表面传热系
数 h的分布，见右
图（因 Nu∝ h，
故以 Nu表示）。
12/28
二、流体在管束外作强制垂直对流
管子排布方式
?
?
?
错列：
直列：
I II III
13/28
流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的 。
错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中
流动, 比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈
,故错列比直列传热要快, 但错列的流动阻力较大,
清洗不如直列容易 。
因此影响管束传热的因素除 Re,Pr数外，还有管子
排列方式，管间距和管排数，传热系数
4.0PrRe nCNu ??
应用范围,
0.5~2.1,0.5~2.1,7 0 0 0 0~5 0 0 0Re
0
2
0
1 ???
d
x
d
x
定型尺寸：管外径 d0；
特征速度：取垂直于流动方向最狭窄通道处的流速；
定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。
14/28
常数 C,ε, n值，见表 4－ 2。
15/28
各排的表面传热系数不同, 应按下式求其平均值,
?
?
???
????
321
332211
AAA
AhAhAhh
m
式中,hi为 各排的表面传热系数； Ai为各排传热的
传热面积。
16/28
三、流体在列管式换热器管间（壳程）的传热
列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板,
17/28
流体流动时先是横掠管束，在绕过折流挡板时，
则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断
变化,Re＞ 100即达到湍流。
换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数,
应用范围,Re=2× 103~1× 105
0,14
0,55 1 30,3 6 Re P r
w
Nu ?
?
???
??
??
定性温度：除 μw取壁温外，其余均取流体进、出口温
度的算术平均值。
定型尺寸：要用当量直径 de。
18/28
根据管子的排列方式计算当量直径 de
直列（正方形排列）时
错列（正三角形排列）时
流速 u按管间最大流通截面积 A计算
D——换热器外壳内径,m；
H——两折流挡板间距,m。
0
2
0 )4(4
2
d
dt
d e
?
??
?
0
2
0 )42
3
(4 2
d
dt
d e
?
?
?
?
)/1( 0 tdHDA ??
19/28
四、自然对流表面传热
? ?bGrANu ?? Pr
A,b为经验常数，见表 4－ 3。
所谓大空间自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；
传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热,
定性温度：膜温,
2
ttt w
m
??
定型尺寸与加热方向有关，对水平管取管外径 d0,
对垂直管或板取垂直高度 L。
20/28
解：（ 1）水的定性温度 tm=（ 20+46） /2=33℃
从附录中查水的物性常数,
ρ=994kg/m3 λ=0.622w/m.k
μ=0.752× 10-3N.S/m2 Cp=4.174KJ/Kg.K
判断管子内水的流动类型,
Re=duρ/μ=0.02× 1× 994/0.752× 10-3=2.64× 104
Pr=Cpμ/λ=4.174× 1000× 0.752× 10-3/0.622=5.05
例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
21/28
不必校正
被加热
,6010002.0/2/
4 7 1 005.5)1064.2(
02.0
622.0
023.0
4.0,023.0
124.08.04
4.08.0
???
????????
??
??
i
re
i
dL
KmW
nPR
d
h
?
例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
22/28
(2)
Ct
hA
Q
t
tthAQ
Wttcu
dn
ttcqQ
mdlnA
o
mw
mw
ppm
1.9033
56.74710
10034.2
)(
10034.2)(
4
)(
56.7202.014.360
6
6
12
2
12
2
??
?
?
????
??
???
?
?
?
?
?
?
?
?
???
??????
根据牛顿冷却定律
?
?
?
例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
23/28
(3)由于冷却水量不变，因此管数减少后水的流速由 u
变为 u’=(60/50)u=1.2u, 此时仍为强制湍流。
对流传热系数满足
128.0
8.08.0
5 4 5 04 7 1 02.1'
)/(/'
?? ??????
???
KmWh
uuhhuh
4.08.0023.0
re
i
PR
d
h ??
例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
24/28
例 2.判断题,
1.热量传递过程的规律与流体流动过程相似，
流速越大，则其过程的阻力越大。
（ × ）
2.在同一种流体中, 不可能同时发生自然对流
和强制对流 。
（ × ）
3.当保温材料的厚度加大时, 内外壁面的总温
度差增大, 总的热阻也增大, 总推动力与总阻
力之比为定值, 即导热速率不变 。
（ × ）
25/28
作业
P240
5
思考题 3
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
§ 4.4.1 流体在管内作强制对流
一、流体在圆形管内作强制湍流
1.低粘度流体
?
?
?
?
?
?
被冷却
被加热
3.0
4.0
PrRe023.0 8.0
n
n
Nu n
思考,
为什么加热时 n取 0.4，
冷却时取 0.3？
3/28
一般，液体的 Pr>1, Pr 0.4 > Pr 0.3，加热
时 h较大 。
这是因为：当液体被加热时，管壁处层流
底层的温度高于液体主体的平均温度，由于液
体粘度随温度升高而降低，故贴壁处液体粘度
较小，使层流底层的实际厚度比用液体主体温
度计算的厚度要薄,h较大。
气体的 Pr<1, Pr 0.4 < Pr 0.3,冷却时 h较
大 。
这是由于气体粘度随温度升高而增大，气
体被加热时的边界层较厚的缘故。
4/28
2.高粘度流体
??
?
?
3/18.0
14.0
3/18.0
PrRe0 2 3.0
PrRe0 2 3.0
?
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w
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应用范围,Re＞ 10000；
0.7＜ Pr＜ 16700；
L/di>60。
定型尺寸,di
定性温度, μw取壁温作定性温度，其余各物性取液体进出
口平均温度作定性温度。
液体被加热 ≈1.05,液体被冷却 ≈0.95。 14.0
???
?
???
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w?
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二、流体在圆形管内强制层流
1 0, 1 4
11 3
331, 8 6
w
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????
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应用范围,Re＜ 2300； 0.6＜ Pr＜ 6700 。
100PrRe ?Ld i
定型尺寸：管内径 di；
定性温度,μw取壁温, 其余取进, 出口温度的算术平均
值 。
6/28
三、流体在圆形管内作过渡流
在 Re=2300~10000的过渡区, 作为粗略计算, 可按湍
流传热的公式计算 h值, 然后乘以校正系数 φ,
8.1
5
Re
1061 ????
7/28
四、流体在圆弯管作强制对流
流体流过弯曲管道或螺旋管时，由于离心力的作用，
会引起扰动加剧而强化传热，表面传热系数应先按直管经
验式算，再乘以一个大于 1的校正系数,
?
?
??
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R
dhh i77.11'
h为直管表面传热系数,
di为管内径,R为弯曲半径。
8/28
五、流体在非圆形管中作强制对流
特征尺寸应用当量直径 de。 当量直径分两种,
一种是流体力学当量直径,
? ?
2
2
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1
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144
d
dd
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例如,内管外径为 d2,外管内径为 d1的同心套
管环状通道，内管传热时的传热当量直径,
传热周边长
流动截面积?? 4
ed
润湿周边长
流动截面积?? 4
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还有一种是传热当量直径,
9/28
3/18.0
53.0
2
1 PrRe02.0
???
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?
d
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套管环隙，用水和空气作试验，可得,
应用范围,Re＜ 12 000～ 220 000；
17~65.1
2
1 ?
d
d
定型尺寸,流体力学 当量直径 de；
定性温度：取进、出口温度的算术平均值。
10/28
§ 4.4.2 流体在管外作强制对流
分为以下几种情况：平行于管、垂直于
管或垂直与平行交替。
一、流体在单管外作强制垂直对流
如图，从 A点 （约 φ ＝ 0o ） 开始，随 φ
角增大，管外层流底层逐渐增厚，热阻逐渐增
大，表面传热系数 h逐渐减小；边界层分离以
后（约 φ ＝ 80o ），因为管子背后形成旋涡，
表面传热系数 h逐渐增大。
11/28
表面传热系
数 h的分布，见右
图（因 Nu∝ h，
故以 Nu表示）。
12/28
二、流体在管束外作强制垂直对流
管子排布方式
?
?
?
错列：
直列：
I II III
13/28
流体冲刷直列和错列管束的情景是不同的 。
错列时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中
流动, 比直列时在管间走廊通道的流动扰动更为强烈
,故错列比直列传热要快, 但错列的流动阻力较大,
清洗不如直列容易 。
因此影响管束传热的因素除 Re,Pr数外，还有管子
排列方式，管间距和管排数，传热系数
4.0PrRe nCNu ??
应用范围,
0.5~2.1,0.5~2.1,7 0 0 0 0~5 0 0 0Re
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2
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d
x
d
x
定型尺寸：管外径 d0；
特征速度：取垂直于流动方向最狭窄通道处的流速；
定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。
14/28
常数 C,ε, n值，见表 4－ 2。
15/28
各排的表面传热系数不同, 应按下式求其平均值,
?
?
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321
332211
AAA
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m
式中,hi为 各排的表面传热系数； Ai为各排传热的
传热面积。
16/28
三、流体在列管式换热器管间（壳程）的传热
列管式换热器，各排的管数不同。装有折流挡板,
17/28
流体流动时先是横掠管束，在绕过折流挡板时，
则变为顺着管子的方向流动。由于流速和流向的不断
变化,Re＞ 100即达到湍流。
换热器内装有圆缺型挡板时，壳程给热系数,
应用范围,Re=2× 103~1× 105
0,14
0,55 1 30,3 6 Re P r
w
Nu ?
?
???
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定性温度：除 μw取壁温外，其余均取流体进、出口温
度的算术平均值。
定型尺寸：要用当量直径 de。
18/28
根据管子的排列方式计算当量直径 de
直列（正方形排列）时
错列（正三角形排列）时
流速 u按管间最大流通截面积 A计算
D——换热器外壳内径,m；
H——两折流挡板间距,m。
0
2
0 )4(4
2
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)/1( 0 tdHDA ??
19/28
四、自然对流表面传热
? ?bGrANu ?? Pr
A,b为经验常数，见表 4－ 3。
所谓大空间自然对流，如：无搅拌时釜内液体的加热；
传热设备外表面与周围环境大气之间的对流传热,
定性温度：膜温,
2
ttt w
m
??
定型尺寸与加热方向有关，对水平管取管外径 d0,
对垂直管或板取垂直高度 L。
20/28
解：（ 1）水的定性温度 tm=（ 20+46） /2=33℃
从附录中查水的物性常数,
ρ=994kg/m3 λ=0.622w/m.k
μ=0.752× 10-3N.S/m2 Cp=4.174KJ/Kg.K
判断管子内水的流动类型,
Re=duρ/μ=0.02× 1× 994/0.752× 10-3=2.64× 104
Pr=Cpμ/λ=4.174× 1000× 0.752× 10-3/0.622=5.05
例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
21/28
不必校正
被加热
,6010002.0/2/
4 7 1 005.5)1064.2(
02.0
622.0
023.0
4.0,023.0
124.08.04
4.08.0
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例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
22/28
(2)
Ct
hA
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1.9033
56.74710
10034.2
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4
)(
56.7202.014.360
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根据牛顿冷却定律
?
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例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
23/28
(3)由于冷却水量不变，因此管数减少后水的流速由 u
变为 u’=(60/50)u=1.2u, 此时仍为强制湍流。
对流传热系数满足
128.0
8.08.0
5 4 5 04 7 1 02.1'
)/(/'
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???
KmWh
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4.08.0023.0
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例 1.有一列管式换热器，由 60根 φ25× 2.5mm的钢管组成，水在
钢管内的流速为 1m/s,冷水进口温度为 20℃,出口温度为 46℃,
管长 2m,试求 (1)水的 h,(2)管内壁面的平均温度 tw； (3)若将总管数
改为 50根，管长为 2.4m,总传热面积不变，冷却水量不变，求此
时的 h。
24/28
例 2.判断题,
1.热量传递过程的规律与流体流动过程相似，
流速越大，则其过程的阻力越大。
（ × ）
2.在同一种流体中, 不可能同时发生自然对流
和强制对流 。
（ × ）
3.当保温材料的厚度加大时, 内外壁面的总温
度差增大, 总的热阻也增大, 总推动力与总阻
力之比为定值, 即导热速率不变 。
（ × ）
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作业
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思考题 3
