浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 1/20
§ 4.3 对流传热
§ 4.3.1理论分析法求?
§ 4.3.2实验方法求?
§ 4.3.3 类比法求?
对流传热系数小结
的数量级幻灯片 2目录浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 2/20
牛顿冷却定律,21 ttAQ
§ 4.3 对流传热什么是对流传热？
流动的流体与外界的传热 静止流体与外界的传热
1t
2t
Q
Q
电热炉烧水强制对流自然对流对流传热系数,W/m2K
边界层是对流传热的主要热阻所在。
t
tw
Q
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 3/20
的获得主要有三种方法：
§ 4.3 对流传热
1,理论分析法,
2,实验方法 *,
3,类比方法,
用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。
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?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。
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 4/20
连续性方程和 N-S方程,得到速度场?壁面处的速度梯度
壁面力? 壁面
y
v
w?
2
2
u
f w
§ 4.3.1 理论分析法求?
回忆,第一章范宁因子 f 的理论求解过程：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 5/20
解能量方程，得到温度场? 壁面处的温度梯度壁面
y
t
tt
y
t
w
x
壁面
的理论求解过程为：
%99?
w
w
tt
tt
的区域，称为 热边界层
u
u
u
t
u
t
t
t
t δ δ t
图 平板上的边界层 边界层是对流传热的主要热阻所在。
§ 4.3.1 理论分析法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 6/20
定理,个基本因次数变量数无因次数群个数 347
影响?的因素主要有：
1.引起流动的原因,自然对流和强制对流
2.流动型态,层流或湍流
3.流体的性质,?,?,cp,?等
4.传热面的形状,大小,位置,如圆管与平板,垂直与水平,
管内与管外等
5.有相变与无相变,cp或汽化潜热 r
§ 4.3.2 实验方法求?
tgulrcf p 或，，，或，，
因次分析法：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 7/20
lNu?
a
c p?
Pr
2
23
Re
t g l
Gr
ud
或 ------格垃霍夫准数 Gr是雷诺数的一种变形,表征自然对流时的,雷诺数
”
无因次数群：
-----努塞特准数,表示导热热阻与对流热阻之比
§ 4.3.2 实验方法求?
-----普兰特准数,反映物性的影响 。
一般,气体的 Pr<1,液体的 Pr>1
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 8/20
PrRe,或 GrfNu?
定性温度,主体平均温度
2
出进 tt
t m
膜温
2
主体壁
tt
t m
故
§ 4.3.2 实验方法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 9/20
对流传热系数经验式,
（一） 无相变时
10 1 5.018.0 3
1
Grf
当 Gr>25000,需考虑自然对流对传热的影响，式（ 4-78）
乘上一个大于 1的校正系数：
§ 4.3.2 实验方法求?
1,管内层流时见教材 P204页式 （ 4-78）
使用范围为：
管子的进口段,
恒壁温,
Re<2300、
0.48<Pr<16700，
Gr<25000（ 自然对流影响可以忽略），
温差（壁温与流体主体温度之差）不大。
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 10/20
2,管内湍流时
被冷却被加热
3.0
4.0
PrRe0 2 3.0
8.0
n
n
Nu
n
适用范围：光滑管
R e >1 0
4
0,7 <P r < 160
充分发展段，即 L / d? 50 或 60
低粘度（ <2? 水 ）
温差（ t
w
- t ）较小定性温度：
2
出进
tt
t
m
定性尺寸：管内径
20
80
.
.
d
u
dNu?
a
c p?
Pr
思考 2：
与 u,d有何比例关系？
（教材式 4-73）
思考 1：
为什么加热时 n取 0.4，
冷却时取 0.3？
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 11/20
Why？
Why？
因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（ 1）对于短管,L/d<60
乘上一个大于 1的校正系数：用式（ 4-75）
（ 2）当壁面与流体主体温差较大时，需引入一个校正项：
教材式 4-74
（ 3）非圆形管的强制湍流：
上式仍可使用，但需将 d换成 de
（ 4） 弯管内：
乘上一个大于 1的校正系数：式 4-80
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 12/20
管子排布方式
错排：
并排：
（ 3）流体在管壳间的对流传热：式 4－ 84
Why？
IVI I IIII
I II III
3,管外的强制对流传热
（ 1） 流体横向流过单管传热：见图 4－ 23
（ 2）流体横向流经管束（管簇）的传热：式 4－ 82,83
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 13/20
nGrCNu,Pr?
C,n为经验常数。
4、自然对流
（一） 无相变时式 4-87a
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 14/20
（二）有相变时
滴状冷凝膜状冷凝热流方向蒸汽 t s
热流方向蒸汽 t s膜滴
§ 4.3.2 实验方法求?
膜状冷凝竖直壁面：
层流,P213式 4-89,4-90
湍流,P214式 4-95
水平圆管外：
层流,P215式 4-96
1、冷凝传热浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 15/20
why？
水平管束：
膜状冷凝传热的强化,
减薄冷凝液液膜厚度 ；
选择正确的蒸汽流动方向；
在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等 。
第一排的?与单管相似,
第二排的?比第一排小,
第三排的?比第二排小,
……
若干排后,?基本上不变 。
平均?比单排的小。
（二）有相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 16/20
产生沸腾现象的必要条件,液体过热,
有汽化核心过热度不大，
气泡很少或没有；
气 泡 产 生和 脱 离 频率很快大量气泡在加热面上汇合，
形成蒸汽膜辐射影响加强
l o g? 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾过热度（ t w - t s ）
沸腾曲线
2,大容积沸腾传热核状沸腾传热系数的主要影响因素有：
表面粗糙度、汽化核心、温差
（二）有相变时加热浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 17/20
一．动量传递与热量传递的类似性,
牛顿粘性定律,
dy
du
傅立叶定律,
n
t
kq?
湍流时,
dy
du
dy
du
t
n
t
n
t
kq
h
§ 4.3.3 类比法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 18/20
§ 4.3.3 类比法求?
二．几种类比关系
1,雷诺类比：
史坦登准数
2PrRe
fNu
ucSt p
1Pr
ak
c p
2Pr
3
2 f
Stj H
2,柯尔本类比,传热 j-因子
3,普兰特类比：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 19/20
有相变无相变
自然对流管束外水平圆管外外壁湍流层流管内
沸腾传热冷凝传热注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸对流传热系数小结浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 20/20
的量级
KmW
KmW
2
2
/100~20
/25~5
强制对流：
自然对流：
KmW
KmW
KmW
KmW
2
2
2
2
/25000~2500
/15000~5000
/15000~1000
/1000~200
水沸腾：
蒸汽冷凝：
强制对流：
自然对流：
空气中水中无相变有相变 自然强制gl
总之：
KmW
KmW
2
2
/2 0 0 0~5 0 0
/1 5 0 0~50
蒸汽冷凝：
强制对流：油类中
§ 4.3 对流传热
§ 4.3.1理论分析法求?
§ 4.3.2实验方法求?
§ 4.3.3 类比法求?
对流传热系数小结
的数量级幻灯片 2目录浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 2/20
牛顿冷却定律,21 ttAQ
§ 4.3 对流传热什么是对流传热？
流动的流体与外界的传热 静止流体与外界的传热
1t
2t
Q
Q
电热炉烧水强制对流自然对流对流传热系数,W/m2K
边界层是对流传热的主要热阻所在。
t
tw
Q
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 3/20
的获得主要有三种方法：
§ 4.3 对流传热
1,理论分析法,
2,实验方法 *,
3,类比方法,
用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。
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?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。
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 4/20
连续性方程和 N-S方程,得到速度场?壁面处的速度梯度
壁面力? 壁面
y
v
w?
2
2
u
f w
§ 4.3.1 理论分析法求?
回忆,第一章范宁因子 f 的理论求解过程：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 5/20
解能量方程，得到温度场? 壁面处的温度梯度壁面
y
t
tt
y
t
w
x
壁面
的理论求解过程为：
%99?
w
w
tt
tt
的区域，称为 热边界层
u
u
u
t
u
t
t
t
t δ δ t
图 平板上的边界层 边界层是对流传热的主要热阻所在。
§ 4.3.1 理论分析法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 6/20
定理,个基本因次数变量数无因次数群个数 347
影响?的因素主要有：
1.引起流动的原因,自然对流和强制对流
2.流动型态,层流或湍流
3.流体的性质,?,?,cp,?等
4.传热面的形状,大小,位置,如圆管与平板,垂直与水平,
管内与管外等
5.有相变与无相变,cp或汽化潜热 r
§ 4.3.2 实验方法求?
tgulrcf p 或，，，或，，
因次分析法：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 7/20
lNu?
a
c p?
Pr
2
23
Re
t g l
Gr
ud
或 ------格垃霍夫准数 Gr是雷诺数的一种变形,表征自然对流时的,雷诺数
”
无因次数群：
-----努塞特准数,表示导热热阻与对流热阻之比
§ 4.3.2 实验方法求?
-----普兰特准数,反映物性的影响 。
一般,气体的 Pr<1,液体的 Pr>1
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 8/20
PrRe,或 GrfNu?
定性温度,主体平均温度
2
出进 tt
t m
膜温
2
主体壁
tt
t m
故
§ 4.3.2 实验方法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 9/20
对流传热系数经验式,
（一） 无相变时
10 1 5.018.0 3
1
Grf
当 Gr>25000,需考虑自然对流对传热的影响，式（ 4-78）
乘上一个大于 1的校正系数：
§ 4.3.2 实验方法求?
1,管内层流时见教材 P204页式 （ 4-78）
使用范围为：
管子的进口段,
恒壁温,
Re<2300、
0.48<Pr<16700，
Gr<25000（ 自然对流影响可以忽略），
温差（壁温与流体主体温度之差）不大。
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 10/20
2,管内湍流时
被冷却被加热
3.0
4.0
PrRe0 2 3.0
8.0
n
n
Nu
n
适用范围：光滑管
R e >1 0
4
0,7 <P r < 160
充分发展段，即 L / d? 50 或 60
低粘度（ <2? 水 ）
温差（ t
w
- t ）较小定性温度：
2
出进
tt
t
m
定性尺寸：管内径
20
80
.
.
d
u
dNu?
a
c p?
Pr
思考 2：
与 u,d有何比例关系？
（教材式 4-73）
思考 1：
为什么加热时 n取 0.4，
冷却时取 0.3？
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 11/20
Why？
Why？
因为：管内未充分发展，层流底层较薄，热阻较小。
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（ 1）对于短管,L/d<60
乘上一个大于 1的校正系数：用式（ 4-75）
（ 2）当壁面与流体主体温差较大时，需引入一个校正项：
教材式 4-74
（ 3）非圆形管的强制湍流：
上式仍可使用，但需将 d换成 de
（ 4） 弯管内：
乘上一个大于 1的校正系数：式 4-80
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 12/20
管子排布方式
错排：
并排：
（ 3）流体在管壳间的对流传热：式 4－ 84
Why？
IVI I IIII
I II III
3,管外的强制对流传热
（ 1） 流体横向流过单管传热：见图 4－ 23
（ 2）流体横向流经管束（管簇）的传热：式 4－ 82,83
（一） 无相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 13/20
nGrCNu,Pr?
C,n为经验常数。
4、自然对流
（一） 无相变时式 4-87a
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 14/20
（二）有相变时
滴状冷凝膜状冷凝热流方向蒸汽 t s
热流方向蒸汽 t s膜滴
§ 4.3.2 实验方法求?
膜状冷凝竖直壁面：
层流,P213式 4-89,4-90
湍流,P214式 4-95
水平圆管外：
层流,P215式 4-96
1、冷凝传热浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 15/20
why？
水平管束：
膜状冷凝传热的强化,
减薄冷凝液液膜厚度 ；
选择正确的蒸汽流动方向；
在传热面上垂直方向上刻槽或安装若干条金属丝等 。
第一排的?与单管相似,
第二排的?比第一排小,
第三排的?比第二排小,
……
若干排后,?基本上不变 。
平均?比单排的小。
（二）有相变时浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 16/20
产生沸腾现象的必要条件,液体过热,
有汽化核心过热度不大，
气泡很少或没有；
气 泡 产 生和 脱 离 频率很快大量气泡在加热面上汇合，
形成蒸汽膜辐射影响加强
l o g? 自然对流 核状沸腾 膜状沸腾过热度（ t w - t s ）
沸腾曲线
2,大容积沸腾传热核状沸腾传热系数的主要影响因素有：
表面粗糙度、汽化核心、温差
（二）有相变时加热浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 17/20
一．动量传递与热量传递的类似性,
牛顿粘性定律,
dy
du
傅立叶定律,
n
t
kq?
湍流时,
dy
du
dy
du
t
n
t
n
t
kq
h
§ 4.3.3 类比法求?
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 18/20
§ 4.3.3 类比法求?
二．几种类比关系
1,雷诺类比：
史坦登准数
2PrRe
fNu
ucSt p
1Pr
ak
c p
2Pr
3
2 f
Stj H
2,柯尔本类比,传热 j-因子
3,普兰特类比：
浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 19/20
有相变无相变
自然对流管束外水平圆管外外壁湍流层流管内
沸腾传热冷凝传热注意经验式的适用范围、定性温度、定性尺寸对流传热系数小结浙江大学本科生课程化工原理 第四章 热量传递基础 20/20
的量级
KmW
KmW
2
2
/100~20
/25~5
强制对流：
自然对流：
KmW
KmW
KmW
KmW
2
2
2
2
/25000~2500
/15000~5000
/15000~1000
/1000~200
水沸腾：
蒸汽冷凝：
强制对流：
自然对流：
空气中水中无相变有相变 自然强制gl
总之：
KmW
KmW
2
2
/2 0 0 0~5 0 0
/1 5 0 0~50
蒸汽冷凝：
强制对流：油类中
