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ydy
dtdAdq ? bdy
dt
tt ybs
??? ?
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? 0
牛顿冷却定律, 对流传热系数是技术上的系数，不是物性值
对
流
传
热
过
程
描
述
? 牛顿冷却定律
? ?t,流体温度与壁面温度之差
– 流体温度：主体温度、混合杯温度
? ?：对流传热系数（膜系数） 热阻集中在层流内层
Q=?A?t/b Q=?A?t
?＝ ?/b
– 影响因素
? 流体性质：导热系数、粘度、比热、密度、热膨胀
? 流动状态：流速
? 界面情况：管径、光滑情况、形状、位置
– 计算方法
? 因次分析 ?无因次准数
? 实验回归 ?系数
? 解析、类似率 －, 化工传递,
A
ttAQ
?
? 1????
关联式
2
对流给热系数的实验关系式
对流传热分类
定 义 名 称 意 义
Nu = hl / k 努塞尔准数 待求准数, 含待求的给热系数
Re = lu? / ? 雷诺准数 反映对流强度对传热的影响
Pr = cp ? / k 普兰特准数 反映流体物性的影响
Gr = l 3?2?g?t / ?2 格拉斯霍夫准数 反映自然对流的影响
对流传热
有相变
传热
无相变
传热
冷凝传热
沸腾传热
自然对流
强制对流
管外
对流
管内
对流
圆形
直管
非圆
管道
弯管
湍流
过渡流
滞流
对流传热中常用的准数
?
关
联
式
的
建
立
? 因次分析：依据因次一致性原则和 ?定理，对传
热过程的影响因素进行分析，得到,
– 强制对流,Nu=f(Re,Pr)
– 自然对流,Nu=F(Gr,Pr)
? 特征准数,
– Pr = cp?/?,表征物理性质的影响
– Nu = ? / (?/l),湍动的影响
– Gr =(l3?2?g?t) /?2,温差引起的自然对流
? 特征尺寸（定性尺寸）,l
– 对流动或传热过程产生直接影响的尺寸，在关联式建立
时已经确定，如管径或当量直径
? 定性温度,确定物理性质参数的温度，关联式建立时已
经确定
– 流体进出口平均温度
– 壁面平均温度
– 平均膜温（流体温度与壁面温度平均）
dtdVV1??
4
圆
管
内
强
制
湍
流 ?
关
联
式
Nu=0.023 Re0.8 Pre
? 条件分析,
– Re>10000：充分湍流
– Pr = 0.6~160：常见流体可满足
– l/D > 60：充分发展的流动，忽略进口端效应
– 定性温度：流体平均温度
– 特征尺寸：管道直径
– 加热与冷却不同
流体被加热 ?层流内层温度高 ?层流内层厚度变化大 ? ? 较大 ? e=0.4
流体被冷却 ?层流内层温度低 ?层流内层厚度变化小 ? ? 较小 ?e=0.3
– 壁面与流体主体温差不大：流体粘度影响
? 校正公式,
粘度,4-71； 进口端, 校正系数 1.02~1.07； 1+(d/L)0.7
湍动程度,4-73； 弯曲校正,4-74；
非圆形管：用当量直径近似（套管环隙有专用关联式）
5
圆管内强制湍流 ? 关联式
? 流体加热时 ?主要影响因素分析
流体物理性质
流速影响大，管径影响较小
6
7
壁温计算
? 计算自然对流传热系数、计算热损失、选择管材
料需要
? 计算壁温时通常忽略管壁热阻
? 联立下面方程可以求解壁温
? 壁温接近对流传热系数大的一方流体的温度。
8
思考题
? 为什么边界层内的流动情况对于给热系数有重
要影响? 对流给热中，流体内哪一部分温度梯
度最大，为什么?
? Pr数大的流体一般粘度比较大，而经验告诉我
们，粘度大的流体传热一般比较慢，但是在对
流给热公式中 Pr数与对流传热系数成正相关，
这与经验是否矛盾?解释其原因。
? 层流内层的厚度主要受哪些因素的影响?并相
应的举出可能强化传热的方法。
9
有相变的对流传热过程
? 蒸汽冷凝和液体沸腾是两种伴有相变化的对流给热过
程。相变化的存在使传热过程增加了新的特点。
– 物质放出或吸收大量的潜热；
– 传热过程中，流体温度恒定；
– 壁面附近的流体能维持较高的温度梯度，从而使
传热系数远高于同类物质无相变时的数值。
? 层流内层厚度仍可以作为分析影响因素的工具。
1
0
蒸
汽
冷
凝
传
热
过
程
分
析
? 蒸气在壁面上的冷凝方式有膜状冷凝和滴状冷凝两种；
? 冷凝液润湿壁面的能力，主要取决于它的表面张力和
它对壁面的附着力这两者的关系。若附着力大干表面
张力，则会形成膜状冷凝，否则会形成滴状冷凝；
? 膜状冷凝：冷凝液很好润湿壁面，形成连续的液膜，
液膜在重力作用下沿壁面向下流动，蒸汽在液膜表面
冷凝，释放的热量以传导和对流形式通过液膜传给壁
面；
? 滴状冷凝：冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，
沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面。
使蒸气能在壁面上冷凝，其热阻比膜状冷凝时的小，
其对流传热系数可能比膜状冷凝时高出 5—10倍。
? 滴状冷凝难以持久实现，工业用冷凝器中的冷凝过程
多为膜状冷凝，按膜状冷凝计算较为安全可靠。
1
2
蒸
汽
冷
凝
传
热
过
程
描
述
? 影响因素：液膜行为
– r(蒸发潜热 )? ? 蒸发量 ? ?m ? ? ??
– ? (密度 )? ? 液膜流速 ? ?m ? ? ??
– d0 (定性尺寸 ) ? ? ?m ? ? ? ?
– ?t ? ? 传热速率 ? ?m ? ? ? ?
? 影响因素：不凝气体
– 在冷凝过程中，不凝气体在气液界面处聚集，形成一层气
膜．增加了热阻，使 ?大为降低。例如，当蒸汽中含有 1％
的空气时,?会降低 60％
? 影响因素：蒸汽流速和流向
– 蒸汽和液膜流向一致时，摩擦力将使液膜加速流动，液膜减
薄,?增高。如果它们流向相反，则 ?减小。而当摩擦力超
过液膜重力时，池膜会被蒸汽吹离液面。这时，随蒸汽流速
增加,?亦随着增大。
1
3
41
0
32
7 2 5.0 ??
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???
?
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gr
?
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液
体
沸
腾
? 大容积沸腾和管内沸腾
? 沸腾机理
– 气泡产生：气泡内部压力大于周围压力（表面物理化学）
? 液体必须过热；
? 加热面具有汽化核心
– 气泡脱离
– 沸腾给热的热阻与无相变传热一样，主要在加热面附近的
层流内层中。但由于沸腾的气泡在壁面上的不断产生和脱
离，搅动剧烈，使热阻大大降低，所以沸腾传热热系数远
大于无相变传热系数。
? 沸腾曲线,
– 自然对流：气泡很少
– 核状沸腾：气泡剧烈运动
– 膜状沸腾：壁面被汽膜覆盖
– 临界温度差：烧毁点（ C）
rp /2???
1
6
液体沸腾过程描述
? 影响因素
– 物理性质 - 表面张力、粘度
– 温差（过热程度） - 见沸腾曲线
– 操作压力
– 加热面粗糙度和清洁情况
– 其他：设备结构、材料性质、液体深度等
? 过程强化方法
– 金属面粗糙化
– 加表面活性剂降低表面张力
1
7
思考题
? 为什么有相变时的对流传热膜系数大于无相变时
的对流传热膜系数?
? 为什么说含有不凝气体的蒸汽冷凝时，在气相内
也存在热阻? 这对冷凝过程有何影响? 为什么?
? 为什么说单一饱和蒸汽冷凝时，热阻是由液膜决
定的?气相中是否存在热阻?
? 什么是汽化核心?为什么沸腾必须有汽化核心？
哪些因素对汽化核心有影响？
? 什么叫临界温度差？有什么意义?
1
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牛顿冷却定律, 对流传热系数是技术上的系数，不是物性值
对
流
传
热
过
程
描
述
? 牛顿冷却定律
? ?t,流体温度与壁面温度之差
– 流体温度：主体温度、混合杯温度
? ?：对流传热系数（膜系数） 热阻集中在层流内层
Q=?A?t/b Q=?A?t
?＝ ?/b
– 影响因素
? 流体性质：导热系数、粘度、比热、密度、热膨胀
? 流动状态：流速
? 界面情况：管径、光滑情况、形状、位置
– 计算方法
? 因次分析 ?无因次准数
? 实验回归 ?系数
? 解析、类似率 －, 化工传递,
A
ttAQ
?
? 1????
关联式
2
对流给热系数的实验关系式
对流传热分类
定 义 名 称 意 义
Nu = hl / k 努塞尔准数 待求准数, 含待求的给热系数
Re = lu? / ? 雷诺准数 反映对流强度对传热的影响
Pr = cp ? / k 普兰特准数 反映流体物性的影响
Gr = l 3?2?g?t / ?2 格拉斯霍夫准数 反映自然对流的影响
对流传热
有相变
传热
无相变
传热
冷凝传热
沸腾传热
自然对流
强制对流
管外
对流
管内
对流
圆形
直管
非圆
管道
弯管
湍流
过渡流
滞流
对流传热中常用的准数
?
关
联
式
的
建
立
? 因次分析：依据因次一致性原则和 ?定理，对传
热过程的影响因素进行分析，得到,
– 强制对流,Nu=f(Re,Pr)
– 自然对流,Nu=F(Gr,Pr)
? 特征准数,
– Pr = cp?/?,表征物理性质的影响
– Nu = ? / (?/l),湍动的影响
– Gr =(l3?2?g?t) /?2,温差引起的自然对流
? 特征尺寸（定性尺寸）,l
– 对流动或传热过程产生直接影响的尺寸，在关联式建立
时已经确定，如管径或当量直径
? 定性温度,确定物理性质参数的温度，关联式建立时已
经确定
– 流体进出口平均温度
– 壁面平均温度
– 平均膜温（流体温度与壁面温度平均）
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圆
管
内
强
制
湍
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关
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式
Nu=0.023 Re0.8 Pre
? 条件分析,
– Re>10000：充分湍流
– Pr = 0.6~160：常见流体可满足
– l/D > 60：充分发展的流动，忽略进口端效应
– 定性温度：流体平均温度
– 特征尺寸：管道直径
– 加热与冷却不同
流体被加热 ?层流内层温度高 ?层流内层厚度变化大 ? ? 较大 ? e=0.4
流体被冷却 ?层流内层温度低 ?层流内层厚度变化小 ? ? 较小 ?e=0.3
– 壁面与流体主体温差不大：流体粘度影响
? 校正公式,
粘度,4-71； 进口端, 校正系数 1.02~1.07； 1+(d/L)0.7
湍动程度,4-73； 弯曲校正,4-74；
非圆形管：用当量直径近似（套管环隙有专用关联式）
5
圆管内强制湍流 ? 关联式
? 流体加热时 ?主要影响因素分析
流体物理性质
流速影响大，管径影响较小
6
7
壁温计算
? 计算自然对流传热系数、计算热损失、选择管材
料需要
? 计算壁温时通常忽略管壁热阻
? 联立下面方程可以求解壁温
? 壁温接近对流传热系数大的一方流体的温度。
8
思考题
? 为什么边界层内的流动情况对于给热系数有重
要影响? 对流给热中，流体内哪一部分温度梯
度最大，为什么?
? Pr数大的流体一般粘度比较大，而经验告诉我
们，粘度大的流体传热一般比较慢，但是在对
流给热公式中 Pr数与对流传热系数成正相关，
这与经验是否矛盾?解释其原因。
? 层流内层的厚度主要受哪些因素的影响?并相
应的举出可能强化传热的方法。
9
有相变的对流传热过程
? 蒸汽冷凝和液体沸腾是两种伴有相变化的对流给热过
程。相变化的存在使传热过程增加了新的特点。
– 物质放出或吸收大量的潜热；
– 传热过程中，流体温度恒定；
– 壁面附近的流体能维持较高的温度梯度，从而使
传热系数远高于同类物质无相变时的数值。
? 层流内层厚度仍可以作为分析影响因素的工具。
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蒸
汽
冷
凝
传
热
过
程
分
析
? 蒸气在壁面上的冷凝方式有膜状冷凝和滴状冷凝两种；
? 冷凝液润湿壁面的能力，主要取决于它的表面张力和
它对壁面的附着力这两者的关系。若附着力大干表面
张力，则会形成膜状冷凝，否则会形成滴状冷凝；
? 膜状冷凝：冷凝液很好润湿壁面，形成连续的液膜，
液膜在重力作用下沿壁面向下流动，蒸汽在液膜表面
冷凝，释放的热量以传导和对流形式通过液膜传给壁
面；
? 滴状冷凝：冷凝液在壁面上聚集成许多分散的液滴，
沿壁面滚下，互相合并成更大的液滴，露出冷凝壁面。
使蒸气能在壁面上冷凝，其热阻比膜状冷凝时的小，
其对流传热系数可能比膜状冷凝时高出 5—10倍。
? 滴状冷凝难以持久实现，工业用冷凝器中的冷凝过程
多为膜状冷凝，按膜状冷凝计算较为安全可靠。
1
2
蒸
汽
冷
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传
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描
述
? 影响因素：液膜行为
– r(蒸发潜热 )? ? 蒸发量 ? ?m ? ? ??
– ? (密度 )? ? 液膜流速 ? ?m ? ? ??
– d0 (定性尺寸 ) ? ? ?m ? ? ? ?
– ?t ? ? 传热速率 ? ?m ? ? ? ?
? 影响因素：不凝气体
– 在冷凝过程中，不凝气体在气液界面处聚集，形成一层气
膜．增加了热阻，使 ?大为降低。例如，当蒸汽中含有 1％
的空气时,?会降低 60％
? 影响因素：蒸汽流速和流向
– 蒸汽和液膜流向一致时，摩擦力将使液膜加速流动，液膜减
薄,?增高。如果它们流向相反，则 ?减小。而当摩擦力超
过液膜重力时，池膜会被蒸汽吹离液面。这时，随蒸汽流速
增加,?亦随着增大。
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? 大容积沸腾和管内沸腾
? 沸腾机理
– 气泡产生：气泡内部压力大于周围压力（表面物理化学）
? 液体必须过热；
? 加热面具有汽化核心
– 气泡脱离
– 沸腾给热的热阻与无相变传热一样，主要在加热面附近的
层流内层中。但由于沸腾的气泡在壁面上的不断产生和脱
离，搅动剧烈，使热阻大大降低，所以沸腾传热热系数远
大于无相变传热系数。
? 沸腾曲线,
– 自然对流：气泡很少
– 核状沸腾：气泡剧烈运动
– 膜状沸腾：壁面被汽膜覆盖
– 临界温度差：烧毁点（ C）
rp /2???
1
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液体沸腾过程描述
? 影响因素
– 物理性质 - 表面张力、粘度
– 温差（过热程度） - 见沸腾曲线
– 操作压力
– 加热面粗糙度和清洁情况
– 其他：设备结构、材料性质、液体深度等
? 过程强化方法
– 金属面粗糙化
– 加表面活性剂降低表面张力
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思考题
? 为什么有相变时的对流传热膜系数大于无相变时
的对流传热膜系数?
? 为什么说含有不凝气体的蒸汽冷凝时，在气相内
也存在热阻? 这对冷凝过程有何影响? 为什么?
? 为什么说单一饱和蒸汽冷凝时，热阻是由液膜决
定的?气相中是否存在热阻?
? 什么是汽化核心?为什么沸腾必须有汽化核心？
哪些因素对汽化核心有影响？
? 什么叫临界温度差？有什么意义?
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