2009-12-1
第四章
传热
一、对流传热系数的影响
因素
二、对流传热过程的因次
分析
三、流体无相变时的对流
传热系数
四、流体有相变时的对流
传热系数
第五节
对流传热系数关联式
2009-12-1
一、对流传热系数的影响因素
1,流体的种类和相变化的情况
2,流体的物性
1） 导热系数
滞流内层的温度梯度一定时, 流体的导热系数愈大, 对
流传热系数也愈大 。
2） 粘度
流体的粘度愈大, 对流传热系数愈低 。
3） 比热和密度
2009-12-1
ρcp,单位体积流体所具有的热容量 。
ρcp值 愈大, 流体携带热量的能力愈强, 对流传热的强
度愈强 。
（ 4） 体积膨胀系数
体积膨胀系数 β值愈大, 密度差愈大, 有利于自然对流
。 对强制对流也有一定的影响 。
3,流体的温度
4,流体流动状态
湍流的对流传热系数远比滞流时的大 。
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5,流体流动的原因
强制对流：
自然对流：
由于外力的作用
由于流体内部存在温度差, 使得各部分
的流体密度不同, 引起流体质点的位移
单位体积的流体所受的浮力为：
? ? ? ?? ? tggg ??????? ??????? 00001 t1
6,传热面的性状, 大小和位置
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二、因次分析法在对流传热中的应用
1,流体无相变时的强制对流传热过程
?列出影响该过程的物理量, 并用一般函数关系表示：
)( uclf p,，，，,???? ?
?确定无因次准数 π的数目
347 ????? mni
）,321 ( ???? ?
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?确定准数的形式
(1)列出物理量的因次
物理量因次
物理量
因 次
?
TM 3?
l
L
?
3LM
?
?LM
pc
?LTL 22 ?
?
TML 3?
u
(2)选择 m个物理量作为 i个无因次准数的共同物理量
?不能包括待求的物理量
?不能同时选用因次相同的物理量
?选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次 。
2009-12-1
选择 l,λ,μ,u作为三个无因次准数的共同物理量
(3)因次分析
将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数
???? dcba ul?1
???? hgfe ul?2
pmkji cul ??? ?3
对 π1而言, 实际因次为：
)()()()( 330000
T
ML
L
M
T
MLLTLM dcba
????
? ?
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01 ??? cb
0???? dcba
033 ????? dcb
01 ??? b
?
1??b
0?c
0?d
1?a
?
???? ll ??? ? 1
1 Nu?
Re2 ?? ??? lu Pr3 ??
?
?? pc
P r )( R e,fNu ??
——流体无相变时强制对流时的准数关系式
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2,自然对流传热过程
)( tgclf p ?? ??????,，，，，
包括 7个变量, 涉及 4个基本因次,
),( 321 ???? ? Nul ??
?
??
1
Pr2 ?? ??? pc Grtgl ???
2
23
3 ?
???
P r ),( GrfNu ?
——自然对流传热准数关系式
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准数的符号和意义
准数名称 符号 准数式 意义
努塞尔特准数
（ Nusselt） Nu ??l 表示对流传热的系数
雷诺准数
（ Reynolds） Re ??lu 确定流动状态的准数
普兰特准数
（ Prandtl） Pr ??pc 表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数
（ Grashof） Gr 2
23
?
?? tlg? 表示自然对流影响的准数
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3,应用准数关联式应注意的问题
1） 定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2） 定性尺寸,Nu,Re数中 L应如何选定 。
3） 应用范围：关联式中 Re,Pr等准数的数值范围 。
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三、流体无相变时的对流传热系数
1,流体在管内作强制对流
1） 流体在圆形直管内作强制湍流
a)低粘度 （ 大约低于 2倍常温水的粘度 ） 流体
nreu PRN 8.00 2 3.0?
n
rP
du
d
8.0
0 2 3.0 ??
?
?
???
??
?
???或
当流体被 加热时 n=0.4,流体被 冷却时, n=0.3。
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,1206.0,10000 ??? re PR 管长与管径比 60/ ?idl
时，＜若 60/ idl 将计算所得的 α乘以 7.0)](1[ Ld i?
应用范围：
定性尺寸,Nu,Re等准数中的 l取为管内径 di。
定性温度,取为流体进, 出口温度的算术平均值 。
b) 高粘度的液体
14.0
23.08.0027.0
???
?
???
?
?
w
reu
uPRN
?
14.0
???
?
???
?
w
u
? 为考虑热流体方向的校正项 。
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应用范围,60,1 6 7 0 07.0,1 0 0 0Re ????
i
r d
LP
定性尺寸,取为管内径 di。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度的
算术平均值 。
2) 流体在圆形直管内作强制滞流
当管径较小, 流体与壁面间的温度差较小, 自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
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应用范围：
14.0
3
1
3
1
3
1
86.1 ??
?
?
???
?
?
?
??
?
??
w
i
reu L
d
PRN
?
?
10,2 5 0 0 0,6.06 7 0 0,2 3 0 0Re ????? LdPRGP irerr
定性尺寸,管内径 di。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度的
算术平均值 。
时，当 2 5 0 0 0?rG 按上式计算出 α后, 再乘以一校正因子
?
?
??
?
? ??
3
1
015.018.0 rGf
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3） 流体在圆形直管内呈过渡流
对于 Re=2300~10000时的过渡流范围, 先按湍流的
公式计算 α,然后再乘以校正系数 f。
8.1
5106
1
eR
f ???
4） 流体在弯管内作强制对流
? ?Rd i /77.11' ?? ??
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5） 流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算, 前面有关的经
验式都适用, 只是要将圆管内径改为当量直径 de。
套管环隙中的对流传热, 用水和空气做实验, 所得的
关联式为：
3
18.053.0
2
102.0
re
e
PR
d
d
d ?
?
?
?
???
?? ??
应用范围,Re=12000~220000,d1/d2=1.65~17
定性尺寸,当量直径 de
定性温度,流体进出口温度的算术平均值 。
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2,流体在管外强制对流
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1） 流体在管束外强制垂直流动
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流体 在错列管束外流过时, 平均对流传热系数
33.06.0 PrRe33.0?Nu
流体 在直列管束外流过时, 平均对流传热系数
33.06.0 PrRe26.0?Nu
应用范围,3000Re ＞
特征尺寸,管外径 do,流速取流体通过每排管子中最狭窄
通道处的速度 。 其中错列管距最狭窄处的距
离应在 （ x1-do） 和 2（ t-do） 两者中取小者 。
注意,管束排数应为 10,若不是 10时, 计算结果应校正 。
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2） 流体在换热器的管间流动
当管外装有割去 25%直径的圆缺形折流板时, 壳方的对
流传热系数关联式为：
a)多诺呼 (Donohue)法
14.0316.0 )(PrRe23.0
w
Nu ???
14.0316.0 )()()(23.0
w
po
o
cud
d ?
?
?
?
?
??? ?
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应用范围,Re=3～ 2× 104
定性尺寸,管外径 do,流速取换热器中心附近管排中最
窄通道处的速度
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度
的算术平均值 。
b) 凯恩 （ Kern） 法
14.0
3
155.0
36.0 ?
?
??
?
??
w
reu PRN ?
?
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14.0
3
1
55.0
`
36.0 ??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
??
?
?
?
w
pee Cudd
?
?
?
?
?
?
?
?
应用范围,Re=2× 103~106
定性尺寸,当量直径 de。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度
的算术平均值 。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
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管子呈正方形排列时,? ?
0
2
0
2 785.04
d
dtd
e ?
??
管子呈三角形排列时：
0
2
0
2
43
2
4
d
dt
d e
?
?
??
?
?
??
?
?
?
?
管外流速可以根据流体流过的最大截面积 S计算
?????? ?? tdhDA 01
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3,自然对流
? ?nrru PGCN ??
n
pCtlg
l
C ??
?
?
??
?
?
?
?
???
?
?
?
???
? 3
32
或
对于大空间的自然对流, 比如管道或传热设备的表面
与周围大气层之间的对流传热, 通过实验侧得的 c,n的值在
表 4-9中 。
定性温度, 壁温 tw和流体进出口平均温度的算术平均值, 膜温 。
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4,提高对流传热系数的途径
1） 流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系
数, 并且 Re↑,α↑,应力求使流体在换热器内达到湍流流动
。
2） 湍流时, 圆形直管中的对流传热系数
n
r
i
i
Pud
d
8.0
0 2 3.0 ??
?
?
???
??
?
???
,4.0 时当 ?n ? ?? ???
8.06.04.0
0 2 3.0
uC p
?
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α与流速的 0.8呈正比, 与管径的 0.2次方呈反比,
在流体阻力允许的情况下, 增大流速比减小管径对提高
对流传热系数的效果更为显著 。
3） 流体在换热器管间流过时, 在管外加流板的情况
14.0
3
1
55.0
36.0 ??
?
?
???
?
???
?
???
?
???
?
???
?
?
w
pe
e
Cud
d ?
?
?
?
?
???
45.0
55.0
ed
uB??
对流传热系数 与流速的 0.55次方成正比, 而与当量直径的
0.45次方成反比
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设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径, 对加大对
流传热系数均有较显著的作用 。
4) 不论管内还是管外, 提高流 u都能增大对流传热系数,
但是增大 u,流动阻力一般按流速的平方增加, 应 根据具
体情况选择最佳的流速 。
5） 除增加流速外, 可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管
的方法, 增加流体的湍动程度, 对流传热系数增大, 但此
时能耗增加 。
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四、流体有相变时的对流传热系数
1,蒸汽冷凝时的对流传热系数
1） 蒸汽冷凝的方式
a) 膜状冷凝,若冷凝液能够浸润壁面, 在壁面上形成一完
整的液膜
b)滴状冷凝,若冷凝液体不能润湿壁面, 由于表面张力的作
用, 冷凝液在壁面上形成许多液滴, 并沿壁面
落下
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2） 膜状冷凝的传热系数
a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝
假设：
① 冷凝液的物性为常数, 可取平均液膜温度下的数值 。
② 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量, 仅仅是冷凝潜热
③ 蒸汽静止不动, 对液膜无摩擦阻力 。
④ 冷凝液膜成层流流动, 传热方式仅为通过液膜进行的
热传导 。
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4
1
32
943.0 ??
?
?
??
?
?
?
?
tH
rg
?
???
修正后
4
1
32
13.1 ??
?
?
?
?
?
?
?
?
tH
rg
?
??
?
定性尺寸,H取垂直管或板的高度 。
定性温度,蒸汽冷凝潜热 r取其饱和温度 t0下的值, 其余物
性取液膜平均温度 。
应用范围,1800Re ＜
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若用无因次冷凝传热系数来表示, 可得：
31Re76.1 ????
若膜层为湍流 （ Re＞ 1800） 时
4.031
2
32
Re(0 07 7.0 ）
?
??? g?
?滞流时, Re值增加, α减小；
?湍流时, Re值增加, α增大；
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b) 蒸汽在水平管外冷凝
???
?
???
?
?
?
td
gr
0
32
725.0
?
???
c)蒸汽在水平管束外冷凝
4
1
0
3
2
32
72 5.0
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
tdn
gr
?
??
?
??
?
?
??
?
?
??
????
75.075.0
2
75.0
1
21
z
z
m nnn
nnnn
?
?
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3） 影响冷凝传热的因素
a） 冷凝液膜两侧的温度差 △ t
当液膜呈滞流流动时, 若 △ t加大, 则蒸汽冷凝速率增加,
液膜厚度增厚, 冷凝传热系数降低 。
b） 流体物性
液膜的密度, 粘度及导热系数, 蒸汽的冷凝潜热, 都影响
冷凝传热系数 。
c) 蒸汽的流速和流向
?蒸汽和液膜 同向流动, 厚度减薄, 使 α增大；
?蒸汽和液膜 逆向流动, α减小, 摩擦力超过液膜重力时, 液
膜被蒸汽吹离壁面, 当蒸汽流速增加, α急剧增大；
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d)蒸汽中不凝气体含量的影响
蒸汽中含有空气或其它不凝气体, 壁面可能为气体层所遮
盖, 增加了一层附加热阻, 使 α急剧下降 。
e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多, 液膜增厚, 使传
热系数下降 。
例如 管束, 冷凝液面从上面各排流动下面各排, 使液膜
逐渐增厚, 因此 下面管子的 α要比上排的为低 。
冷凝面的表面情况对 α影响也很大, 若壁面粗糙不平或有
氧化层, 使膜层加厚, 增加膜层阻力, α下降 。
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2,液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾
管内沸腾
1） 沸腾曲线
当 温度差较小 时, 液体内部产生 自然对流, α较小, 且随
温度升高较慢 。
当 △ t逐渐升高, 在加热表面的局部位置产生气泡, 该局
部位置称为 气化核心 。 气泡产生的速度 △ t随上升而增加, α
急剧增大 。 称为 泡核沸腾或核状沸腾 。
2009-12-1
2009-12-1
当 △ t再增大, 加热面的气化核心数进一步增多, 且气泡
产生的速度大于它脱离表面的速度, 气泡在脱离表面前连接
起来, 形成一层 不稳定的蒸汽膜 。
当 △ t在增大, 由于加热面具有很高温度, 辐射的影响愈
来愈显著, α又随之增大, 这段称为 稳定的膜状沸腾 。
由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点 C称为临界点 。
临界点所对应的温差, 热通量, 对流传热系数分别称为
临界温差, 临界热通量和临界对流传热系数 。
工业生产中, 一般应 维持在核状沸腾区域内操作 。
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2） 沸腾传热系数的计算
33.2)(1 6 3.1 tZ ???
式中：
sw ttt ???
——壁面过热度 。?q?
7.03.005.1 qZ??
33.3102.117.0
4 )]1048.1)(1081.9(10.0[ RRR
pZ c ??
?
?
cp
pR ? ——对比压强
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7.0102.117.069.0
4 )1048.1()1081.9(105.0 qRRR
p c ??
?
??
应用条件：
cc qqRk P ap ??,9.0~01.0,3 0 0 0 ?
otcc SLDRRpq /)1(38.0 9.035.0 ???
3） 影响沸腾传热的因素
a)液体性质的影响
一般情况下, α随 λ,ρ的增加而加大, 而随 μ和 σ增加
而减小 。
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b） 温度差 △ t的影响
? ?nta ???
c) 操作压强的影响
提高沸腾压强, 液体的表面张力和粘度均下降, 有利
于气泡的生成和脱离, 强化了沸腾传热 。 在相同 △ t的下,
传热系数 α增加 。
d) 加热表面的影响
新的或清洁的加热面, α较高 。 当壁面被油脂沾污后
,会使 α急剧下降 。
壁面愈粗糙, 气泡核心愈多, 有利于沸腾传热 。
加热面的布置情况, 对沸腾传热也有明显的影响 。
第四章
传热
一、对流传热系数的影响
因素
二、对流传热过程的因次
分析
三、流体无相变时的对流
传热系数
四、流体有相变时的对流
传热系数
第五节
对流传热系数关联式
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一、对流传热系数的影响因素
1,流体的种类和相变化的情况
2,流体的物性
1） 导热系数
滞流内层的温度梯度一定时, 流体的导热系数愈大, 对
流传热系数也愈大 。
2） 粘度
流体的粘度愈大, 对流传热系数愈低 。
3） 比热和密度
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ρcp,单位体积流体所具有的热容量 。
ρcp值 愈大, 流体携带热量的能力愈强, 对流传热的强
度愈强 。
（ 4） 体积膨胀系数
体积膨胀系数 β值愈大, 密度差愈大, 有利于自然对流
。 对强制对流也有一定的影响 。
3,流体的温度
4,流体流动状态
湍流的对流传热系数远比滞流时的大 。
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5,流体流动的原因
强制对流：
自然对流：
由于外力的作用
由于流体内部存在温度差, 使得各部分
的流体密度不同, 引起流体质点的位移
单位体积的流体所受的浮力为：
? ? ? ?? ? tggg ??????? ??????? 00001 t1
6,传热面的性状, 大小和位置
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二、因次分析法在对流传热中的应用
1,流体无相变时的强制对流传热过程
?列出影响该过程的物理量, 并用一般函数关系表示：
)( uclf p,，，，,???? ?
?确定无因次准数 π的数目
347 ????? mni
）,321 ( ???? ?
2009-12-1
?确定准数的形式
(1)列出物理量的因次
物理量因次
物理量
因 次
?
TM 3?
l
L
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3LM
?
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pc
?LTL 22 ?
?
TML 3?
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(2)选择 m个物理量作为 i个无因次准数的共同物理量
?不能包括待求的物理量
?不能同时选用因次相同的物理量
?选择的共同物理量中应包括该过程中所有的基本因次 。
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选择 l,λ,μ,u作为三个无因次准数的共同物理量
(3)因次分析
将共同物理量与余下的物理量分别组成无因次准数
???? dcba ul?1
???? hgfe ul?2
pmkji cul ??? ?3
对 π1而言, 实际因次为：
)()()()( 330000
T
ML
L
M
T
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2009-12-1
01 ??? cb
0???? dcba
033 ????? dcb
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1 Nu?
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——流体无相变时强制对流时的准数关系式
2009-12-1
2,自然对流传热过程
)( tgclf p ?? ??????,，，，，
包括 7个变量, 涉及 4个基本因次,
),( 321 ???? ? Nul ??
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1
Pr2 ?? ??? pc Grtgl ???
2
23
3 ?
???
P r ),( GrfNu ?
——自然对流传热准数关系式
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准数的符号和意义
准数名称 符号 准数式 意义
努塞尔特准数
（ Nusselt） Nu ??l 表示对流传热的系数
雷诺准数
（ Reynolds） Re ??lu 确定流动状态的准数
普兰特准数
（ Prandtl） Pr ??pc 表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数
（ Grashof） Gr 2
23
?
?? tlg? 表示自然对流影响的准数
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3,应用准数关联式应注意的问题
1） 定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2） 定性尺寸,Nu,Re数中 L应如何选定 。
3） 应用范围：关联式中 Re,Pr等准数的数值范围 。
2009-12-1
三、流体无相变时的对流传热系数
1,流体在管内作强制对流
1） 流体在圆形直管内作强制湍流
a)低粘度 （ 大约低于 2倍常温水的粘度 ） 流体
nreu PRN 8.00 2 3.0?
n
rP
du
d
8.0
0 2 3.0 ??
?
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???或
当流体被 加热时 n=0.4,流体被 冷却时, n=0.3。
2009-12-1
,1206.0,10000 ??? re PR 管长与管径比 60/ ?idl
时，＜若 60/ idl 将计算所得的 α乘以 7.0)](1[ Ld i?
应用范围：
定性尺寸,Nu,Re等准数中的 l取为管内径 di。
定性温度,取为流体进, 出口温度的算术平均值 。
b) 高粘度的液体
14.0
23.08.0027.0
???
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? 为考虑热流体方向的校正项 。
2009-12-1
应用范围,60,1 6 7 0 07.0,1 0 0 0Re ????
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LP
定性尺寸,取为管内径 di。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度的
算术平均值 。
2) 流体在圆形直管内作强制滞流
当管径较小, 流体与壁面间的温度差较小, 自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
2009-12-1
应用范围：
14.0
3
1
3
1
3
1
86.1 ??
?
?
???
?
?
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??
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w
i
reu L
d
PRN
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10,2 5 0 0 0,6.06 7 0 0,2 3 0 0Re ????? LdPRGP irerr
定性尺寸,管内径 di。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度的
算术平均值 。
时，当 2 5 0 0 0?rG 按上式计算出 α后, 再乘以一校正因子
?
?
??
?
? ??
3
1
015.018.0 rGf
2009-12-1
3） 流体在圆形直管内呈过渡流
对于 Re=2300~10000时的过渡流范围, 先按湍流的
公式计算 α,然后再乘以校正系数 f。
8.1
5106
1
eR
f ???
4） 流体在弯管内作强制对流
? ?Rd i /77.11' ?? ??
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5） 流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算, 前面有关的经
验式都适用, 只是要将圆管内径改为当量直径 de。
套管环隙中的对流传热, 用水和空气做实验, 所得的
关联式为：
3
18.053.0
2
102.0
re
e
PR
d
d
d ?
?
?
?
???
?? ??
应用范围,Re=12000~220000,d1/d2=1.65~17
定性尺寸,当量直径 de
定性温度,流体进出口温度的算术平均值 。
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2,流体在管外强制对流
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1） 流体在管束外强制垂直流动
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流体 在错列管束外流过时, 平均对流传热系数
33.06.0 PrRe33.0?Nu
流体 在直列管束外流过时, 平均对流传热系数
33.06.0 PrRe26.0?Nu
应用范围,3000Re ＞
特征尺寸,管外径 do,流速取流体通过每排管子中最狭窄
通道处的速度 。 其中错列管距最狭窄处的距
离应在 （ x1-do） 和 2（ t-do） 两者中取小者 。
注意,管束排数应为 10,若不是 10时, 计算结果应校正 。
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2） 流体在换热器的管间流动
当管外装有割去 25%直径的圆缺形折流板时, 壳方的对
流传热系数关联式为：
a)多诺呼 (Donohue)法
14.0316.0 )(PrRe23.0
w
Nu ???
14.0316.0 )()()(23.0
w
po
o
cud
d ?
?
?
?
?
??? ?
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应用范围,Re=3～ 2× 104
定性尺寸,管外径 do,流速取换热器中心附近管排中最
窄通道处的速度
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度
的算术平均值 。
b) 凯恩 （ Kern） 法
14.0
3
155.0
36.0 ?
?
??
?
??
w
reu PRN ?
?
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14.0
3
1
55.0
`
36.0 ??
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w
pee Cudd
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?
?
?
应用范围,Re=2× 103~106
定性尺寸,当量直径 de。
定性温度,除 μw取壁温以外, 其余均取液体进, 出口温度
的算术平均值 。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
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管子呈正方形排列时,? ?
0
2
0
2 785.04
d
dtd
e ?
??
管子呈三角形排列时：
0
2
0
2
43
2
4
d
dt
d e
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?
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管外流速可以根据流体流过的最大截面积 S计算
?????? ?? tdhDA 01
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3,自然对流
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n
pCtlg
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???
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? 3
32
或
对于大空间的自然对流, 比如管道或传热设备的表面
与周围大气层之间的对流传热, 通过实验侧得的 c,n的值在
表 4-9中 。
定性温度, 壁温 tw和流体进出口平均温度的算术平均值, 膜温 。
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4,提高对流传热系数的途径
1） 流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系
数, 并且 Re↑,α↑,应力求使流体在换热器内达到湍流流动
。
2） 湍流时, 圆形直管中的对流传热系数
n
r
i
i
Pud
d
8.0
0 2 3.0 ??
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???
??
?
???
,4.0 时当 ?n ? ?? ???
8.06.04.0
0 2 3.0
uC p
?
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α与流速的 0.8呈正比, 与管径的 0.2次方呈反比,
在流体阻力允许的情况下, 增大流速比减小管径对提高
对流传热系数的效果更为显著 。
3） 流体在换热器管间流过时, 在管外加流板的情况
14.0
3
1
55.0
36.0 ??
?
?
???
?
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?
???
?
???
?
???
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?
w
pe
e
Cud
d ?
?
?
?
?
???
45.0
55.0
ed
uB??
对流传热系数 与流速的 0.55次方成正比, 而与当量直径的
0.45次方成反比
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设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径, 对加大对
流传热系数均有较显著的作用 。
4) 不论管内还是管外, 提高流 u都能增大对流传热系数,
但是增大 u,流动阻力一般按流速的平方增加, 应 根据具
体情况选择最佳的流速 。
5） 除增加流速外, 可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管
的方法, 增加流体的湍动程度, 对流传热系数增大, 但此
时能耗增加 。
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四、流体有相变时的对流传热系数
1,蒸汽冷凝时的对流传热系数
1） 蒸汽冷凝的方式
a) 膜状冷凝,若冷凝液能够浸润壁面, 在壁面上形成一完
整的液膜
b)滴状冷凝,若冷凝液体不能润湿壁面, 由于表面张力的作
用, 冷凝液在壁面上形成许多液滴, 并沿壁面
落下
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2） 膜状冷凝的传热系数
a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝
假设：
① 冷凝液的物性为常数, 可取平均液膜温度下的数值 。
② 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量, 仅仅是冷凝潜热
③ 蒸汽静止不动, 对液膜无摩擦阻力 。
④ 冷凝液膜成层流流动, 传热方式仅为通过液膜进行的
热传导 。
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4
1
32
943.0 ??
?
?
??
?
?
?
?
tH
rg
?
???
修正后
4
1
32
13.1 ??
?
?
?
?
?
?
?
?
tH
rg
?
??
?
定性尺寸,H取垂直管或板的高度 。
定性温度,蒸汽冷凝潜热 r取其饱和温度 t0下的值, 其余物
性取液膜平均温度 。
应用范围,1800Re ＜
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若用无因次冷凝传热系数来表示, 可得：
31Re76.1 ????
若膜层为湍流 （ Re＞ 1800） 时
4.031
2
32
Re(0 07 7.0 ）
?
??? g?
?滞流时, Re值增加, α减小；
?湍流时, Re值增加, α增大；
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b) 蒸汽在水平管外冷凝
???
?
???
?
?
?
td
gr
0
32
725.0
?
???
c)蒸汽在水平管束外冷凝
4
1
0
3
2
32
72 5.0
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
tdn
gr
?
??
?
??
?
?
??
?
?
??
????
75.075.0
2
75.0
1
21
z
z
m nnn
nnnn
?
?
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3） 影响冷凝传热的因素
a） 冷凝液膜两侧的温度差 △ t
当液膜呈滞流流动时, 若 △ t加大, 则蒸汽冷凝速率增加,
液膜厚度增厚, 冷凝传热系数降低 。
b） 流体物性
液膜的密度, 粘度及导热系数, 蒸汽的冷凝潜热, 都影响
冷凝传热系数 。
c) 蒸汽的流速和流向
?蒸汽和液膜 同向流动, 厚度减薄, 使 α增大；
?蒸汽和液膜 逆向流动, α减小, 摩擦力超过液膜重力时, 液
膜被蒸汽吹离壁面, 当蒸汽流速增加, α急剧增大；
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d)蒸汽中不凝气体含量的影响
蒸汽中含有空气或其它不凝气体, 壁面可能为气体层所遮
盖, 增加了一层附加热阻, 使 α急剧下降 。
e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多, 液膜增厚, 使传
热系数下降 。
例如 管束, 冷凝液面从上面各排流动下面各排, 使液膜
逐渐增厚, 因此 下面管子的 α要比上排的为低 。
冷凝面的表面情况对 α影响也很大, 若壁面粗糙不平或有
氧化层, 使膜层加厚, 增加膜层阻力, α下降 。
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2,液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾
管内沸腾
1） 沸腾曲线
当 温度差较小 时, 液体内部产生 自然对流, α较小, 且随
温度升高较慢 。
当 △ t逐渐升高, 在加热表面的局部位置产生气泡, 该局
部位置称为 气化核心 。 气泡产生的速度 △ t随上升而增加, α
急剧增大 。 称为 泡核沸腾或核状沸腾 。
2009-12-1
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当 △ t再增大, 加热面的气化核心数进一步增多, 且气泡
产生的速度大于它脱离表面的速度, 气泡在脱离表面前连接
起来, 形成一层 不稳定的蒸汽膜 。
当 △ t在增大, 由于加热面具有很高温度, 辐射的影响愈
来愈显著, α又随之增大, 这段称为 稳定的膜状沸腾 。
由核状沸腾向膜状沸腾过渡的转折点 C称为临界点 。
临界点所对应的温差, 热通量, 对流传热系数分别称为
临界温差, 临界热通量和临界对流传热系数 。
工业生产中, 一般应 维持在核状沸腾区域内操作 。
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2） 沸腾传热系数的计算
33.2)(1 6 3.1 tZ ???
式中：
sw ttt ???
——壁面过热度 。?q?
7.03.005.1 qZ??
33.3102.117.0
4 )]1048.1)(1081.9(10.0[ RRR
pZ c ??
?
?
cp
pR ? ——对比压强
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7.0102.117.069.0
4 )1048.1()1081.9(105.0 qRRR
p c ??
?
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应用条件：
cc qqRk P ap ??,9.0~01.0,3 0 0 0 ?
otcc SLDRRpq /)1(38.0 9.035.0 ???
3） 影响沸腾传热的因素
a)液体性质的影响
一般情况下, α随 λ,ρ的增加而加大, 而随 μ和 σ增加
而减小 。
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b） 温度差 △ t的影响
? ?nta ???
c) 操作压强的影响
提高沸腾压强, 液体的表面张力和粘度均下降, 有利
于气泡的生成和脱离, 强化了沸腾传热 。 在相同 △ t的下,
传热系数 α增加 。
d) 加热表面的影响
新的或清洁的加热面, α较高 。 当壁面被油脂沾污后
,会使 α急剧下降 。
壁面愈粗糙, 气泡核心愈多, 有利于沸腾传热 。
加热面的布置情况, 对沸腾传热也有明显的影响 。
