对流传热系数经验关联式1共43页
对流传热系数的计算公式
对流传热系数的计算公式
对流传热系数是热传导中的一种传热方式，常用于热交换器、冷却塔、加热器等传热设备的设计与计算中。
对于流体在壁面上的流动，其对流传热系数与流速、温度、粘度等变量密切相关。
在实际应用中，针对不同的流体与流动状态，可采用不同的计算公式。
下面列举几种常用的对流传热系数计算公式：
1. 自然对流传热系数公式：
h = 1.13 * (gβΔT)^1/4
其中，h为对流传热系数，g为重力加速度，β为热膨胀系数，ΔT为壁面温度与流体温度的差值。
2. 强制对流传热系数公式：
Nu = CRe^mPr^n
其中，Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，C、m、n 为经验系数。
3. 线性对流传热系数公式：
h = kΔT
其中，k为比例常数，ΔT为温度差值。
需要注意的是，以上公式仅适用于理想条件下的流动状态，而实际应用中因存在多种不确定因素，其计算结果仅供参考，具体设计与计算仍需进行实际测试与验证。
- 1 -。
化工原理课件 对流传热系数关联式
0.023
l
d 0.608 0.023 88360.8 6.20.4 0.9524 0.02
1978 W/(m2 K)
Re 0.8 Pr nf
5
[例]有一列管式换热器，管束由f 89mm×3.5mm，长度相
等的钢管组成，管子排列方式为错列，管内为p＝200kPa的
传热
一、影响对流传热系数的因素
二、对流传热过程的量纲分析 第五节 对流传热系数 三、流体无相变时的对流传热系数 关联式 四、流体有相变时的对流传热系数 五、壁温的估算
1
[例]常压下空气以15m/s的流速在长为4m，f60mm×3.5mm
的钢管中流动，温度由150℃升至250℃。试求管壁对空气的
对流传热系数。 解：定性温度tm＝(150+250)/2＝200℃，定性尺寸d＝0.053m。 查200℃时空气的物理数据如下： cp＝1.026×103J/(kg.K)，l＝0.03928W/(m.K)，
1 103 1.86 105 Pr 0.70 2 l 2.67 10 c pm
dur
7
查表得：错列时第一列到第三列的n、e的数值分别为：
n1＝n2＝n3＝0.6，e1＝0.171，e2＝0.228，e3＝0.290
0.0267 0.6 1 1.124 0.171 55744 0.700.4 35.1W /(m2 K) 0.089
（1）取平均温度 t＝(t1+t2)/2 （2）取壁面的平均温度 tw （3）取流体和壁面的平均温度（膜温） tm＝(tw+t)/2
12
3）定性尺寸： 无因次准数中所包含的传热面尺寸称为特征尺寸，通
常选取对流体和传热发生主要影响的尺寸作为特征尺寸。 例如：
对流传热系数
二、对流传热的分析
层流内层 流体分层运动，相邻层间没有流体的 宏观运动。在垂直于流动方向上不存 在热对流，该方向上的热传递仅为流
流体沿固体
壁面的流动
体的热传导。该层中温度差较大，即 温度梯度较大。 缓冲层 热对流和热传导作用大致相同，在该层 内温度发生较缓慢的变化。 湍流主体 温度梯度很小，各处的温度基本相同。
流体被加热 流体被冷却
q (T Tw ) Q A(T Tw )
Q At q t
2019/1/28
——牛顿冷却定律
该公式并非理论推导结果，是一种假设推论。 实际情况是： q ∝ Δ T α 不是常数而与Δ T有关 结论： 公式看来简化了，但问题并未解决 因为必须知道α 值——给热系数 α 要通过实验测定
第四章 传热
第三节 对流传热
一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传 热速率
2019/1/28
一、对流传热的分类
内部流动 强制对流传热 外部流动 大空间自然对流 无相变 自然对流传热 有限空间自然对流 混合对流传热 对流传热 大容器沸腾 沸腾传热 管内沸腾 有相变 管外冷凝 冷凝传热管内冷凝
努塞尔特准数 （Nusselt）
雷诺准数 （Reynolds） 普兰特准数 （Prandtl）
Nu
Re Pr
l lu cp
表示对流传热的系数
确定流动状态的准数
表示物性影响的准数
格拉斯霍夫准数 Gr （Grashof）
2019/1/28
gtl 3 2 表示自然对流影响的准数 2
2019/1/28
①牛顿冷却定律 —— 对流给热的工程处理方法
对流传热系数公式
对流传热系数公式对流传热系数是研究传热问题中的一个重要参数，它描述了流体和固体之间传热的能力。
在工程和科学领域中，对流传热系数的计算和应用具有广泛的应用。
本文将介绍对流传热系数的定义、计算方法以及影响其数值的因素。
一、对流传热系数的定义对流传热系数是指单位面积上单位时间内通过对流传热而传递的热量与温度差之比。
它通常用符号h表示，单位为W/(m^2·K)。
对流传热系数的数值越大，表示流体与固体之间传热的能力越强。
二、对流传热系数的计算方法对流传热系数的计算方法主要有经验公式法和实验测定法。
1. 经验公式法经验公式法是根据大量实验数据得到的经验公式来估算对流传热系数。
常用的经验公式有Dittus-Boelter公式、Churchill-Bernstein 公式、Sieder-Tate公式等。
这些公式通常依赖于流体性质、流动速度、流动状态以及传热表面的几何形状等因素。
2. 实验测定法实验测定法是通过实验直接测定对流传热系数的数值。
常用的实验方法有热平衡法、电阻法、热电偶法等。
这些实验方法可以根据具体情况选择合适的方法来进行对流传热系数的测定。
三、影响对流传热系数的因素对流传热系数的数值受到多个因素的影响，主要包括以下几个方面：1. 流体性质流体性质是影响对流传热系数的重要因素之一。
不同流体的传热特性不同，例如气体的传热性能通常较差，而液体的传热性能较好。
此外，流体的物理性质如密度、导热系数、粘度等也会影响对流传热系数的数值。
2. 流动速度流动速度是影响对流传热系数的另一个重要因素。
一般来说，流速越大，对流传热系数越大。
这是因为流体在高速流动时，会产生较大的摩擦和湍流，从而增强了传热的能力。
3. 流动状态流动状态是指流体的流动形式，可以分为层流和湍流两种。
在层流状态下，流体沿着固体表面形成规则的层流运动，传热较为有序。
而在湍流状态下，流体运动混乱，传热更为强烈。
一般来说，湍流状态下的对流传热系数要大于层流状态下的对流传热系数。
对流传热系数计算公式_传热系数计算公式
对流传热系数计算公式_传热系数计算公式
一、计算公式如下
1、围护结构热阻的计算
单层结构热阻
R=δ/ λ
式中：
δ—材料层厚度（ m）
λ—材料导热系数 [W/m.k]
多层结构热阻
R=R1+R2+---- Rn=δ1/ λ1+δ2/ λ2+ ---- +δn/ λn 式中: R1、 R2、---Rn —各层材料热阻（ m2.k/w）
δ1 、δ2 、 ---δn—各层材料厚度（ m）
λ1 、λ2 、 ---λn—各层材料导热系数 [W/m.k]
2、围护结构的传热阻
R0=Ri+R+Re
式中: Ri —内表面换热阻（ m2.k/w）（一般取 0.11）
Re—外表面换热阻（ m2.k/w）（一般取 0.04）
R —围护结构热阻（ m2.k/w）
3、围护结构传热系数计算
K=1/ R0
式中: R0 —围护结构传热阻
外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算
Km=KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 / Fp + Fb1+Fb2+Fb3
式中:
Km—外墙的平均传热系数 [W/（m2.k） ]
Kp—外墙主体部位传热系数 [W/（ m2.k）]
Kb1、Kb2、 Kb3—外墙周边热桥部位的传热系数 [W/（ m2.k）] Fp—外墙主体部位的面积
Fb1、 Fb2、Fb3—外墙周边热桥部位的面积
感谢您的阅读，祝您生活愉快。
对流传热系数的经验关联式
d 1/ 3 0.14 Nu 1.86(Re Pr ) ( ) l w
0.6 Pr 6700
适用条件： Re 2300
Re Pr d / l 10
定性温度：tm=(t1+t2)/2 ；
特征尺寸：管内径d。
Gr 2.5 104
自然对流的影响不能忽略，先由上式进行计算，然后乘以校 正系数 1
或：Nu KRe Pr Gr
a b c
（2）特征数的物理意义 ① 努赛尔数
l Nu
l
1
导热热阻 对流传热热阻
l：特征尺寸，平板—— 流动方向的板长； 管 —— 管径或当量直径；
说明： ②
▲
反映对流传热的强弱，包含对流传热系数；
雷诺数 R e
du
惯性力 u 粘滞力 d
u 2
说明： 反映流动状态对 α 的影响。
③
普朗特数
/ Pr Cp
CP
v (运动粘度)动量扩散系数 a (导温系数)热扩散系数
说明：▲ 反映流体物性对传热的影响
使用时注意： * 查取定性温度下的物性；
* 计算所用单位，SI制。
④ 格拉斯霍夫数（浮升力特征数）
Gr
0 1000C，比热Cp 4.187kJ / kg 0C
② ③
相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂； 分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。
3.4.4.2蒸汽冷凝对流传热
(1) 蒸汽冷凝机理 优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制 蒸汽冷凝的对流传热系数较大。
液 膜
ts ts
饱和蒸汽
液 膜
中 间 层
tv
tv
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每（排t2-管d0 子）中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10，若不是10，上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为： pc>3O00KPa, R = 0.01～0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为：
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
（1）液体性质 （2）温度差Δt （3）操作压强 （4）加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
（2）高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
4-5-1 对流传热系数的影响因素
一、流体的种类和相变化的情况 二、流体的性质
（1）导热系数 （2）粘度 （3）比热容和密度 （4）体积膨胀系数
三、流体的温度 四、流体的流动状态 五、流体流动的原因 六、传热面的形状、位置和大小
因次分析——准数关联式
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
式中 α′——弯管中的对流传热系数,w/ （m•℃）；
α——直管中的对流传热系数,w/（m•℃）； d——管内径,m； R——弯管轴的弯曲半径,m。
流体无相变时的对流传热系数-7
5.流体在非圆形管内作强制对流
仍可采用上述各关联式,只要将管内径改为当 量直径即可
可直接通过实验求得α的关联式,对套管环隙, 用水和空气进行实验,可得α的关联式为
应用范围 Re=12000～22000，d1/d2 =1.65～17。 特征尺寸 当量直径de 定性温度 流体进、出口温度的算术平均值。
流体无相变时的对流传热系数-9
二、流体在管外强制对流
1.流体在管束外强制垂直流动
流体在错列管束外流过时
Nu=0.33Re0.6Pr0.33
流体在直列管束外流过时
式中 t——相邻两管的中心距,m， do——管外径,m。
流速u根据流体流过管间最大截面积A计算
式中 h——两挡板间的距离,m； D——换热器的外壳内径,m。
对流传热系数的经验关联式
n
0.330 0.385 0.466 0.618 0.805
特征尺寸：管外径
b) 流体横向流过管束的表面传热系数 ◆ 管束的排列方式
直列（正方形）、 错列（正三角形）
x2
d
x2
d
x1
直列管束中管子的排列和流体 在管束中运动特性
错列管束中管子的排列和流体在管束 中运动特性
直列
x2
d
x1
错列
x
d
2
x1
R
d
f (1 1.77 d ) R
弯管内流体的流动
e) 圆形直管内过渡流时对流传热系数
过渡流：2300 Re 10000
计算：采用湍流公式，但需加以校正。
6 105
f 1.0
1
Re 0.8
说明：设计换热器时，一般避免过渡流。
f) 圆形直管内强制层流 特点：1）传热进口段的管长所占比例较大； 2）热流方向不同，也会影响； 3）自然对流的影响，有时不可忽略。
滴状冷凝
膜状冷凝的真实过程 α
x
(3) 膜状冷凝传热膜系数的经验关联
CRen
① 垂直管外或壁面上的冷凝
（a）液膜层流
实验结果：实测值高于理论值（约20%）
原因：液膜的波动、假设的不确切性
1.13
r 2 g3 Lt
1/ 4
（b）液膜湍流
0.0077
2 g3 2
1/ 3
Re
0.4 M
无相变： f (u,l, gt,, , ,Cp )
（b）构造函数形式；
Kualbcd ecp f (gt)h
（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）；
（d）规定已知量（指数）， 确定余下指数表达式；
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
流体无相变时的对流传热系数-12
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列应用条件，例如准数的范围
4-5-3 无相变时对流传热系数-1
一、流体在管内作强制对流.
1.流体在圆形直管内作强制湍流* （1）低粘度流体 （<2倍常温水的粘度）
Nu =0.023Re0.8Prn
当流体被加热时,n=0.4 ，被冷却时, n=0.3 应用范围
(2)蒸气在水平管外冷凝
水平单管
水平管束
n——水平管束在垂直列上的管子数 在列管式冷凝器中,若管束由互相平行的z列管子所组成,一般
各列管子在垂直方向的排数不相等,若分别为n1、n2、……nz, 则平均的管排数可按下式计算,即：
流体有相变时的传热系数-11
3.影响冷凝传热的因素
（1）冷凝被膜两侧的温度差Δt （2）流体物性 （3）蒸气的流速和流向 （4）蒸气中不凝气体含量的影响 （6）冷凝壁面的影响
流体无相变时的对流传热系数-7
5.流体在非圆形管内作强制对流
仍可采用上述各关联式,只要将管内径改为当 量直径即可
可直接通过实验求得α的关联式,对套管环隙, 用水和空气进行实验,可得α的关联式为
应用范围 Re=12000～22000，d1/d2 =1.65～17。 特征尺寸 当量直径de 定性温度 流体进、出口温度的算术平均值。
流体无相变时的对流传热系数-6
4.流体在弯管内作强制对流
流体在弯管内流动时,由于受离心力的作用, 增大了流体的湍动程度,使对流传热系数较直 管内的大,此时α可用下式计算
对流传热系数关联式
0.725
r2g3 d0t
c)蒸汽在水平管束外冷凝
1
0.725
r 2g 3
2
n 3 d0t
4
nm
n10.n715nn220.75 nnzz0.75
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
若l / di＜60时， 将计算所得的α乘以
[1(di L)]0.7
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
Nu0.027Re0.8Pr1/3w0.14
0 .1 4
w
为考虑热流体方向的校正项。
应用范围： 定性尺寸：
R e1000, 0.7P r16700, L60 di
大容积沸腾 液体沸腾
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。
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。
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。
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Ф。
1
6 105 Re1.8
4）流体在弯管内作强制对流
对流传热系数
Nu = CεRen Pr0 .4
2．流体在换热器壳程的流动 挡板形式：圆形、圆缺形
有相变时的对流传热系数
一、蒸汽冷凝 1. 冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷 凝α滴>α膜
2. 圆形管内强制层流
特点：
1）物性特别是粘度受管内温度不均 匀性的
影响，导致速度分布受热流方向影 响。
2）层流的对流传热系数受自然对流 影响严重使得对流传热系数提高。
3）层流要求的进口段长度长，实际 进口段小时，对流传热系数提高。
热流方向对层流速 度分布的影响
二、管外强制对流的对流传热系数 1. 流体在管束外垂直流过
无相变时对流传热系数的经验关联式
例题
一列管式换热器，由38根φ25×2.5mm的无缝钢管组成，苯在 管内流动，由20℃加热到80℃，苯的流量为8.32kg/s，外壳中 通入水蒸气进行加热，求： （1）管壁对苯的对流传热系数； （2）管子换为φ19×2mm，管壁对苯的对流传热系数； （3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？ 已知：苯的物性 ρ= 860kg / m3 ,c p = 1. 80kJ /(kg .℃),μ = 0 .45 mPa .s, λ = 0 .14 W /(m. ℃)
4-5对流传热系数关联式
知识点4－5 对流传热系数关联式【学习指导】1．学习目的通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。
理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。
2．本知识点的重点对流传热系数的影响因素及因次分析法。
3．本知识点的难点因次分析法。
4．应完成的习题4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。
两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。
当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。
假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。
4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。
已知α为下列变量的函数：4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。
空气在换热器的管内湍流流动。
压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。
现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。
假设管壁和污垢热阻可忽略。
4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×２的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。
4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。
4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。
换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。
列管外壁面温度为94℃。
试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。
换热器的热损失可以忽略。
4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。
对流传热系数的经验关联式
n
0.330 0.385 0.466 0.618 0.805
特征尺寸：管外径
第二十一页，共三十九页。
b) 流体横向流过管束的表面传热系数
◆ 管束的排列方式
直列（正方形）、 错列（正三角形）
x2
d
x2
d
x1
直列管束中管子的排列和流体在管束 中运动特性
错列管束中管子的排列和流体在管束中 运动特性
第二十二页，共三十九页。
（2）特性尺寸
特性尺寸：量纲为1的数群Nu，Re等中所包含的传热面尺寸。 圆管内：特性尺寸取管内径；
非圆管内：特性尺寸取当量直径，de’=4流动截面积/传热周边
（3）注意公式的应用条件。
第十页，共三十九页。
3.4.3 无相变化的对流传热
（1）管内强制对流传热
一般关系式：
Nu KRaePbr
流动状态不同，则 K、a、b 值不同 传热流动状态划分（区别于流体流动时规律 ）
3）自然对流的影响，有时不可忽略。
第十六页，共三十九页。
当 Gr2.5104
N u1.8(6RPed rl)1/3(w)0.14
适用条件： Re 2300 0.6Pr 6700 RePrd/l10
定性温度：tm=(t1+t2)/2 ； 特征尺寸：管内径d。
G r2.510 4
自然对流的影响不能忽略，先由上式进行计算，然后乘以校正系数
)0 .14
w
0.02 d(7 du )0.8(c p)0.3(3w)0.14
近似取：流体被(加 热 w)0.1： 41.05
流体被(冷 却 w)0.1： 40.95
适用条件： Re 10000
定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0