如何计算对流传热系数课件
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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：
传热学第五章 对流换热计算
2019/11/12
20
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
③短管 当管子的长径比l/d<60时，属于短管内流动换 热，进口段的影响不能忽视。此时亦应在按 照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正
系数Cl。 cl 1 d l 0.7
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第五章 对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 §5-2 流体外掠物体的对流换热计算 §5-3 自然对流换热计算
2019/11/12
1
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2 管内强制对流换热的准则关系式 ①管内紊流换热准则关系式
迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）公式
Nu 0.023Re0.8 Prn
特征尺寸为d，特征流速
采用的定性温度是t f tf tf
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大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物 性修正项 。
气体 液体
ct
Tf 1
ct
f f
Tw 0.5
0.11 w
0.25 w
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。
对流换热系数怎么计算
对流换热系数怎么计算对流传热系数一般指表面传热系数。
对流传热基本计算式——牛顿冷却公式中的比例系数，以前又称为对流换热系数，是由流体内部各部分质点发生宏观运动而引起的热量传递过程，只能发生在有流体流动的场合单位是w/(㎡*k)，含义是对流换热速率，反应了对流传热的快慢，对流传热系数越大，表示对流传热越快。
原理表面传热系数通常靠实验方法确认。
流体的热传导促进作用对于对流成套过程存有非常大影响。
流体流动时与壁面出现摩擦，摩擦力并使流体运动中断，越紧邻壁面的流体流动速度减少越多，紧扣壁面的流体几乎停滞不前。
在摩擦的迟滞促进作用明显影响范围内，壁面附近构成一层很厚的流动边界层。
流体流动速度越大，流体对壁面的冲刷促进作用越弱，流动边界层越厚，薄薄的流动边界层之所以令人高度关注是因为构成与它有关的成套边界层(也表示温度边界层)。
不论是壁冷却流体还是流体冷却壁，热流都必须通过成套边界层展开热传导传达。
在返回成套边界层步入主流区之后，流体对流混合促进作用进一步增强。
边界层的热传导热阻形成对流成套热阻的主要部分，成套温差的大部分促进作用在薄薄的边界层。
表面传热系数是对流传热基本计算式——牛顿冷却公式（newton‘s law of cooling）中的比例系数，一般记做h，以前又常称对流换热系数，单位是w/(㎡*k)，含义是对流换热速率，在数值上等于单位温度差下单位传热面积的对流传热速率。
公式表面传热系数符号为h，(α)；q =h(ts-tr)。
式中：ts是表面温度；tr是表征外部环境特性的参考温度。
热学的量。
si单位：w/(m2·k) (瓦〔特〕每平方米开〔尔文〕)。
牛顿加热公式：流体被冷却时 q=h（tw-tf）流体被冷却时 q=h（tf-tw）其中，tw及tf分别为壁面温度和流体温度，℃。
如果把温差（亦称温压）记为δt，并签订合同永远为正值，则牛顿加热公式可以则表示为：q=hδtφ=haδt其中q为热流密度，单位就是瓦/平米（w/㎡），φ为热流，单位就是瓦（w）。
如何计算对流传热系数PPT课件
定性尺寸： L取管内径 di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
9
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管
当
8
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
经验关联式为： Nu 0.023Re0.8 prn
或
0.023
d
du
0.8
cp
n
使用范围： Re 104 0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
如何计算对流传热系数
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
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9
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管
当
8
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
经验关联式为： Nu 0.023Re0.8 prn
或
0.023
d
du
0.8
cp
n
使用范围： Re 104 0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
如何计算对流传热系数
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
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对流传热系数详解课件
粒子图像测速技术
利用粒子图像测速系统，结合温度 测量技术，获取流体的速度场和温 度场分布，从而计算对流传热系数 。
数值模拟优化
计算流体动力学（CFD）
通过建立流体的数学模型，利用计算机模拟流体的流动和传热过 程，优化对流传热系数的预测。
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习算法，对大量历史数据进行分析和学习， 提高对流传热系数的预测精度。
通过对流传热系数的测量和评估，可 以合理设计建筑外围护结构，提高建 筑物的保温、隔热性能，降低建筑能 耗，同时为建筑环境设备如空调系统 的优化提供依据。
能源利用与节能
在能源利用与节能领域，对流传热系数是评估能源转换和利用效率的关键参数。在燃烧、热力发电等 过程中，对流传热系数的优化有助于提高能源转换效率。
在工业热力过程中，对流传热系数的大小直接影响到换热 器的设计、热能利用率以及工业设备的性能。通过研究和 优化对流传热系数，可以提高工业生产的效率和能源利用 水平。
建筑环境与设备工程
在建筑环境与设备工程中，对流传热 系数是评估建筑外围护结构热工性能 的重要参数。外围护结构的传热性能 直接影响到建筑物的能耗和室内环境 舒适度。
多物理场耦合模拟
考虑流体的多物理场特性，如流动、传热、化学反应等，进行耦合 模拟，以更准确地模拟对流传热过程。
强化传热技术
01
02
03
表面强化技术
通过改变流体接触面的材 料和结构，如采用粗糙表 面、微细沟槽或添加增强 材料，提高传热效率。
插入物强化技术
在流道中插入导热性能良 好的材料或结构，如肋片 、螺旋线圈等，增加传热 面积和传热速率。
经验公式法通过对大量实验数据进行统计分析，得出对流传热系数的计算公式。 这些公式通常基于一些物理参数，如流体的性质、温度、压力等。使用经验公式 法可以快速估算对流传热系数，但精度受到实验数据和经验总结的限制。
利用粒子图像测速系统，结合温度 测量技术，获取流体的速度场和温 度场分布，从而计算对流传热系数 。
数值模拟优化
计算流体动力学（CFD）
通过建立流体的数学模型，利用计算机模拟流体的流动和传热过 程，优化对流传热系数的预测。
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习算法，对大量历史数据进行分析和学习， 提高对流传热系数的预测精度。
通过对流传热系数的测量和评估，可 以合理设计建筑外围护结构，提高建 筑物的保温、隔热性能，降低建筑能 耗，同时为建筑环境设备如空调系统 的优化提供依据。
能源利用与节能
在能源利用与节能领域，对流传热系数是评估能源转换和利用效率的关键参数。在燃烧、热力发电等 过程中，对流传热系数的优化有助于提高能源转换效率。
在工业热力过程中，对流传热系数的大小直接影响到换热 器的设计、热能利用率以及工业设备的性能。通过研究和 优化对流传热系数，可以提高工业生产的效率和能源利用 水平。
建筑环境与设备工程
在建筑环境与设备工程中，对流传热 系数是评估建筑外围护结构热工性能 的重要参数。外围护结构的传热性能 直接影响到建筑物的能耗和室内环境 舒适度。
多物理场耦合模拟
考虑流体的多物理场特性，如流动、传热、化学反应等，进行耦合 模拟，以更准确地模拟对流传热过程。
强化传热技术
01
02
03
表面强化技术
通过改变流体接触面的材 料和结构，如采用粗糙表 面、微细沟槽或添加增强 材料，提高传热效率。
插入物强化技术
在流道中插入导热性能良 好的材料或结构，如肋片 、螺旋线圈等，增加传热 面积和传热速率。
经验公式法通过对大量实验数据进行统计分析，得出对流传热系数的计算公式。 这些公式通常基于一些物理参数，如流体的性质、温度、压力等。使用经验公式 法可以快速估算对流传热系数，但精度受到实验数据和经验总结的限制。
《对流室传热计算》课件
适用范围
适用于复杂几何形状、非稳态和 非线性对流换热问题的求解。
注意事项
数值计算方法需要借助计算机进 行，计算过程较为复杂，需要选 择合适的数值方法和计算软件， 同时需要注意数值计算的精度和 稳定性问题。
实验测量方法
实验测量方法
通过实验手段直接测量对流室内的温度分布和换热系数等参数。
适用范围
适用于对实际流动和传热过程的深入了解和验证理论模型。
新型换热器的设计
紧凑型换热器
通过优化设计，减小换热器的体积和重量，便 于安装和维护。
高效换热器
采用新型的换热器结构，提高换热效率，降低 能耗。
智能化换热器
结合现代控制技术，实现对换热器的智能控制，提高运行效率。
05
CATALOGUE
对流室传热的未来展望
传热效率的提高
高效换热器的研究与开发
利用新型材料和先进技术，提高换热器的传 热效率，降低能耗。
《对流室传热计 算》ppt课件
contents
目录
• 对流室传热的基本概念 • 对流室传热的计算方法 • 对流室传热的实际应用 • 对流室传热的新技术发展 • 对流室传热的未来展望
01
CATALOGUE
对流室传热的基本概念
对流室传热的定义
总结词
对流室传热是指热量通过物质的对流传递过程，涉及流体内部粒子之间的相对 运动和热能传递。
通过计算对流换热系数和热阻，工程师可以 确定空调系统中冷凝器、蒸发器和散热器的 尺寸和位置，优化系统的能效比和制冷效果 。
对流室传热计算还有助于评估空调 系统的能效等级，为节能减排和绿 色建筑的发展提供技术支持。
热力发电厂的传热计算
热力发电厂是通过燃烧燃料将热能转化为电能 的重要设施。对流室传热计算在热力发电厂的 设计和运行中具有关键作用。
(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
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数PPT.
tF
Байду номын сангаас或写成
W
（1）
t t W 1 R F
（2）
1 R 称对流换热热阻；℃/W （3） F
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 式中 Δ t—流体与壁面的温差，℃； F—对流换热表面面积，m2； α —对流换热系数，简称换热系数，W/m2.℃。 2.对流换热系数及意义 对流换热系数α 的大小反映对流换热的强弱，在数值上 等于当流体与壁面温差为1℃时，单位时间单位壁面面积上的 对流换热量。
对流换热系数及意义对流换热系数的大小反映对流换热的强弱在数值上等于当流体与壁面温差为1时单位时间单位壁面面积上的对流换热量
知识点：对流换热计算的基本公式与对流换热系数 1.对流换热计算的基本计算公式 前面讲过，流体和固体壁面间的热量传递，称为对流换 热。对流换热是流体导热与对流综合作用的结果。 对流换热热流量采用牛顿冷却公式计算
45对流传热系数详解
强 > 自
6）传热面的形状，大小和位置 ➢ 形状：如管、板、管束等； ➢ 大小：如管径和管长等； ➢ 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排
列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
二、对流传热过程的量纲分析
量纲分析法：
1）实验和理论结合的方法，目的是减少变量数，从而减 少实验次数；
2）物理方程两边量纲必相等—因次一致性原则； 3）任一方程均可用一幂函数逼近。
a c 2e f b 1 c d 2e f g 3e f 1
从而
=Amc-2e-fl1-ccpcr2e+f(bgDt)eufl3e+f-1
l l
A(
ulr m
)
f
(
r
2l 3bgDt m2
)e
(
mc l
p
)c
讨论：
Nu=ARefGrePrc
（1）无量纲特征数的个数等于变量数减去基本单位数—
（1）汽泡产生的条件 问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？ 过热度：Dt=tW－ts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处 汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成
搅动液层
（2）沸腾曲线 a）自然对流阶段 Dt<5 C b）核状沸腾阶段 25C > Dt>5C c）不稳定膜状沸腾 25C > Dt>5C
例如： 圆管内强制对流：取管内径 非圆管内强制对流：取当量直径
传热当量直径：
de
4 流动截面积 传热周边
在不同情况下，会有不同的准数关联式：
无相变时
强制对流 自然对流
有相变时
蒸汽冷凝 液体沸腾
相变 > 无相变
四、有相变时的对流传热系数
6）传热面的形状，大小和位置 ➢ 形状：如管、板、管束等； ➢ 大小：如管径和管长等； ➢ 位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形排
列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
二、对流传热过程的量纲分析
量纲分析法：
1）实验和理论结合的方法，目的是减少变量数，从而减 少实验次数；
2）物理方程两边量纲必相等—因次一致性原则； 3）任一方程均可用一幂函数逼近。
a c 2e f b 1 c d 2e f g 3e f 1
从而
=Amc-2e-fl1-ccpcr2e+f(bgDt)eufl3e+f-1
l l
A(
ulr m
)
f
(
r
2l 3bgDt m2
)e
(
mc l
p
)c
讨论：
Nu=ARefGrePrc
（1）无量纲特征数的个数等于变量数减去基本单位数—
（1）汽泡产生的条件 问题：为什么汽泡只在加热面个别地方产生？ 过热度：Dt=tW－ts 汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处 汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成
搅动液层
（2）沸腾曲线 a）自然对流阶段 Dt<5 C b）核状沸腾阶段 25C > Dt>5C c）不稳定膜状沸腾 25C > Dt>5C
例如： 圆管内强制对流：取管内径 非圆管内强制对流：取当量直径
传热当量直径：
de
4 流动截面积 传热周边
在不同情况下，会有不同的准数关联式：
无相变时
强制对流 自然对流
有相变时
蒸汽冷凝 液体沸腾
相变 > 无相变
四、有相变时的对流传热系数
如何计算对流传热系数
到热量传递过程。
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
1
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u0.8
d 0.2
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
10
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
12
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
18
3、列管式换热器
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
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1
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u0.8
d 0.2
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10
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
12
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
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3、列管式换热器
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工程传热学第五章对流换热计算
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。 对于液体乘以 f w n
液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25( 物性量的下标表示取值的定性温 度) 对于气体则乘以: T f Tw
n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
qw w LT L 层流： t 0.055 Re Pr; t 0.07 Re Pr 热进口段长度： d d
L 紊流 : 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
t f ( x) t 'f 4qw x cpumd
n m
准则的特征流速为流体最小截面处的最大流 速 umax ；特征尺寸为圆柱体外直径 d ；定性温 度除 Prw 按壁面温 tw 取值之外，皆用流体的主 流温度tf ；
Pr f Pr w
0.25
是在选用 tf 为定性温度时考虑热流方 向不同对换热性能产生影响的一个修 正系数。
如果流体流动方向与圆 柱体轴线的夹角（亦称 冲击角）在 30°- 90° 的范围内时，平均表面 传热系数可按下式计算
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re
um04） — — 过渡区 Re 10
层流流动
紊流流动
0
化工原理-19对流传热机理和对流传热系数..
化工原理-19对流传热机理 和对流传热系数..
二、流体在换热器的管间作强制对流
换热器管间流体的流动： 装有折流挡板。 流体的流向和流速不断地变化。 在Re>100时即可达到湍流。
二、流体在换热器的管间作强制对流
图5-14 换热器折流挡板
二、流体在换热器的管间作强制对流
图5-15 管间管束排列形式
麦 克 亚 当 斯 ( McAdams) 建 议 在 工 程 设 计 时 ， 应将计算结果提高20%，即
1.13rL(t2sgt3w)14
一、蒸汽冷凝传热
（2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德
(Kirkbride)的经验公式计算，即
0.007622g13Ref0.4
二、液体沸腾传热
液体沸腾
所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴 有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气 膜的过程。
二、液体沸腾传热
液体沸腾的方式 池内沸腾 √ 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)
过冷沸腾 饱和沸腾√
二、液体沸腾传热
1.液体沸腾曲线
图5-17水的沸腾曲线
二、液体沸腾传热
一、蒸汽冷凝传热
（3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数 对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努
赛尔特曾经获得下述关联式
0.725dro(2tsgt3w)14
特征尺 寸管外
径
一、蒸汽冷凝传热
水平管束外冷凝
0.725nrdo(2tgs3tw)14
垂直列 上的管
若各列数管子在垂直方向上的排数不相等 nm(n10.7n 51nn2 0.275 nn zz0.75)4
5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数
二、流体在换热器的管间作强制对流
换热器管间流体的流动： 装有折流挡板。 流体的流向和流速不断地变化。 在Re>100时即可达到湍流。
二、流体在换热器的管间作强制对流
图5-14 换热器折流挡板
二、流体在换热器的管间作强制对流
图5-15 管间管束排列形式
麦 克 亚 当 斯 ( McAdams) 建 议 在 工 程 设 计 时 ， 应将计算结果提高20%，即
1.13rL(t2sgt3w)14
一、蒸汽冷凝传热
（2）湍流膜状冷凝时的对流传热系数 当液膜呈现湍流流动时可应用柯克柏瑞德
(Kirkbride)的经验公式计算，即
0.007622g13Ref0.4
二、液体沸腾传热
液体沸腾
所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴 有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气 膜的过程。
二、液体沸腾传热
液体沸腾的方式 池内沸腾 √ 管内沸腾(流动沸腾或强制对流沸腾)
过冷沸腾 饱和沸腾√
二、液体沸腾传热
1.液体沸腾曲线
图5-17水的沸腾曲线
二、液体沸腾传热
一、蒸汽冷凝传热
（3）水平管外膜状冷凝时的对流传热系数 对于蒸气在单根水平管外的层流膜状冷凝，努
赛尔特曾经获得下述关联式
0.725dro(2tsgt3w)14
特征尺 寸管外
径
一、蒸汽冷凝传热
水平管束外冷凝
0.725nrdo(2tgs3tw)14
垂直列 上的管
若各列数管子在垂直方向上的排数不相等 nm(n10.7n 51nn2 0.275 nn zz0.75)4
5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数
对流传热系数
2019/1/28
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。
对流传热系数 W/（m2· K）
5 ～ 25 30 ～ 300
水的自然对流
水的强制对流 油类的强制对流 水蒸气的冷凝 有机蒸汽的冷凝 水的沸腾
200 ～1000
1000 ～ 8000 500 ～ 1500 5000 ～ 15000 500 ～ 3000 1500 ～ 30000
2019/1/28
四、对流传热系数的影响因素
du
（2） qm’ =2w，u’=2u
u ' 0.8 ( ) 20.8 , ' 20.8 1.74 1270 2210W / m 2 K ' u
2019/1/28
b) 高粘度的液体
u w
0.14
Nu 0.027 Re Pr
2019/1/28
d Nu 1.86 Re Pr l w
1 3
0.14
d 应用范围：Re 2300, 6700 Pr 0.6, Gr 25000, Re Pr 10 l
定性尺寸：管内径d。
定性温度：除 μw 取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的
0.8 0.4 0.6
（前面是物性，后面是操作条件，设备因素）
α ∝u0.8 （u升高则α 升高，对强化传热有利）
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。
对流传热系数 W/（m2· K）
5 ～ 25 30 ～ 300
水的自然对流
水的强制对流 油类的强制对流 水蒸气的冷凝 有机蒸汽的冷凝 水的沸腾
200 ～1000
1000 ～ 8000 500 ～ 1500 5000 ～ 15000 500 ～ 3000 1500 ～ 30000
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四、对流传热系数的影响因素
du
（2） qm’ =2w，u’=2u
u ' 0.8 ( ) 20.8 , ' 20.8 1.74 1270 2210W / m 2 K ' u
2019/1/28
b) 高粘度的液体
u w
0.14
Nu 0.027 Re Pr
2019/1/28
d Nu 1.86 Re Pr l w
1 3
0.14
d 应用范围：Re 2300, 6700 Pr 0.6, Gr 25000, Re Pr 10 l
定性尺寸：管内径d。
定性温度：除 μw 取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的
0.8 0.4 0.6
（前面是物性，后面是操作条件，设备因素）
α ∝u0.8 （u升高则α 升高，对强化传热有利）
对流受热面换热计算(PPT58张)
一、对流换热面积
一般原则 壁面两侧放热系数相差很大，放热系数小侧的湿润面积为传热 面积 放热系数相近，管子内外表面积的算术平均值作为传热面积。
第六节 对流换热面积和流速的计算
1．过热器、再热器、省煤器和锅炉凝渣管束等受热面， 换热面积以管子烟气侧表面积计算。 2．管式空气预热器换热面积以管内外表面积的平均值计算。 3．回转式空气预热器的换热面积按蓄热板两侧面积之和计 算。 4．屏式过热器的换热面积
第二节 对流受热面换热计算基本方程
工质温度√ 工质温度？ 烟温？ H
迭代计算过程
烟温√
先假定其中一种介质的终温，
k
按热平衡方程式求出受热面的吸热量并计算出另一种介质的终 温， 计算传热系数和温压，按传热方程式计算受热面的吸热量，
传热方程计算的热量应该等于热平衡方程计算的烟气放热量或
工质吸收的热量 否则重新假定终温后再行计算，直至热量之差不超过2%
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
第五节 传热温压的计算
第五节 传热温压的计算
第六节 对流换热面积和流速的计算
第七节 主要对流受热面的计算特点
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
一、灰污系数
灰污系数是考虑燃用固体燃料时，横向冲刷错列布置光管管
束灰垢的影响
c c d h 1 0
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
二、受热面的热有效系数
1 d f
第三节 受热面传热系数的计算方法
二、不同受热面的传热系数实用表达式（例）
1．对流式过热器和再热器受热面
当燃用固体燃料、管束为错列布置时，
K
1 1 1 1 2
当燃用固体燃料、管束为顺列布置
K
一般原则 壁面两侧放热系数相差很大，放热系数小侧的湿润面积为传热 面积 放热系数相近，管子内外表面积的算术平均值作为传热面积。
第六节 对流换热面积和流速的计算
1．过热器、再热器、省煤器和锅炉凝渣管束等受热面， 换热面积以管子烟气侧表面积计算。 2．管式空气预热器换热面积以管内外表面积的平均值计算。 3．回转式空气预热器的换热面积按蓄热板两侧面积之和计 算。 4．屏式过热器的换热面积
第二节 对流受热面换热计算基本方程
工质温度√ 工质温度？ 烟温？ H
迭代计算过程
烟温√
先假定其中一种介质的终温，
k
按热平衡方程式求出受热面的吸热量并计算出另一种介质的终 温， 计算传热系数和温压，按传热方程式计算受热面的吸热量，
传热方程计算的热量应该等于热平衡方程计算的烟气放热量或
工质吸收的热量 否则重新假定终温后再行计算，直至热量之差不超过2%
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
第五节 传热温压的计算
第五节 传热温压的计算
第六节 对流换热面积和流速的计算
第七节 主要对流受热面的计算特点
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
一、灰污系数
灰污系数是考虑燃用固体燃料时，横向冲刷错列布置光管管
束灰垢的影响
c c d h 1 0
第四节 对流受热面的污染对换热的影响
二、受热面的热有效系数
1 d f
第三节 受热面传热系数的计算方法
二、不同受热面的传热系数实用表达式（例）
1．对流式过热器和再热器受热面
当燃用固体燃料、管束为错列布置时，
K
1 1 1 1 2
当燃用固体燃料、管束为顺列布置
K
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
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§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
如果 t1< t2 , 则 ρ1=ρ2 （1+β△t）
单位体积流体所产生的升力为
(ρ1 - ρ2)g= ρ2 g β △ t
α与流动的类型有关
火
二、流体的流动型态：层流和湍流
层流：流体在热流方向上基本没有混合流动 α↓
湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓
α↑
三、流体的性质
对α影响较大的物性主要有 cp 、λ、μ和ρ
四、传热面的型状、大α小和位置
影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状， 管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高 度等
二、无相变化时自然对流下的α
Nu prGr源自gtl 3 2 2自然对流对对流传热的影响
Nu f pr ,Gr
准数关联式是一种经验公式
准数的符号与意义
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 系数的准数
雷诺准数 Reynolds
Re
Lu/
确定流动状态 的准数
当液体被加热时
w
0.14
1.05
w
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
1230kg / m3
cp 2.85kJ / kgo C
0.57W / m o C
4 103 pa s
20℃时， 2.5103 pa s
则
du 0.015 0.41230
Re
4 103
1845 2400
经验关联式为： Nu 0.023Re0.8 prn
或
0.023
d
du
0.8
cp
n
使用范围： Re 104 0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
定性尺寸： L取管内径 di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
p227式5-70
0.023 d
du
0.8
cp
n
分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响：
①其他参数一定， α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有 利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf ↑，故应适当增大动力。
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
d
Re
Pr
d l
1
3
W
0.14
1.86
0.57 0.015
276.813
七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T ）
π定理
3个无因次数群
1, 2 , 3 0
1 cp pr
2 lu Re
流体物性对对流传热的影响
流体的流动状态和湍动程度对对流传热 的影响
3 l Nu 对流系数的准数
Nu f pr , Re
u0.8
d 0.2
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
影响α的因数很多
化工上常见的对流传热
强制对流传热 流体无相变化时
自然对流传热 流体有相变化时 蒸汽冷凝传热
液体沸腾传热
§4-16 因次分析在对流传热中的应用
α值 实验测定
因数多 因次分析方法 无因次数群 再实验 确定关系
一、无相变化时强制湍流下的α
f l, , u, , c p , , 0
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管
当
l d
30 ~ 40 时
尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小
乘以1.02~1.07的系数加以修正
（2）壁温与主体温度相差较大
考虑壁温对粘度的影响
N u 0.027Re0.8 pr 0.33
在壁温未知的情况下 近似计算
普兰特准数 Prandtl
Pr
cp /
表示物性影响 的准数
格拉斯霍夫准数 Grashof
Gr
g△tL3 2/2
表示自然对流 影响的准数
L—传热面的特征尺寸 m
经验公式的应用应注意以下四点： 1、应用范围
2、定性尺寸（特性尺寸）
各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照 所选用的关联式中规定尺寸
（层流）
pr
cp
2.85103 4103 0.57
20
d
0.015
而 Re Pr l 1848 20 2 276.8 10
在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小， 粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计 算，即
1.86
3、定性温度
确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为 定性温度。
有的用流体进、出口温度的算术平均值
有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度 平均值，再取两者的算术平均值）
主要取决于建立关联式时采用什么方法而定
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
如果 t1< t2 , 则 ρ1=ρ2 （1+β△t）
单位体积流体所产生的升力为
(ρ1 - ρ2)g= ρ2 g β △ t
α与流动的类型有关
火
二、流体的流动型态：层流和湍流
层流：流体在热流方向上基本没有混合流动 α↓
湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓
α↑
三、流体的性质
对α影响较大的物性主要有 cp 、λ、μ和ρ
四、传热面的型状、大α小和位置
影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形状， 管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高 度等
二、无相变化时自然对流下的α
Nu prGr源自gtl 3 2 2自然对流对对流传热的影响
Nu f pr ,Gr
准数关联式是一种经验公式
准数的符号与意义
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 系数的准数
雷诺准数 Reynolds
Re
Lu/
确定流动状态 的准数
当液体被加热时
w
0.14
1.05
w
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
1230kg / m3
cp 2.85kJ / kgo C
0.57W / m o C
4 103 pa s
20℃时， 2.5103 pa s
则
du 0.015 0.41230
Re
4 103
1845 2400
经验关联式为： Nu 0.023Re0.8 prn
或
0.023
d
du
0.8
cp
n
使用范围： Re 104 0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
定性尺寸： L取管内径 di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
p227式5-70
0.023 d
du
0.8
cp
n
分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响：
①其他参数一定， α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有 利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf ↑，故应适当增大动力。
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
d
Re
Pr
d l
1
3
W
0.14
1.86
0.57 0.015
276.813
七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T ）
π定理
3个无因次数群
1, 2 , 3 0
1 cp pr
2 lu Re
流体物性对对流传热的影响
流体的流动状态和湍动程度对对流传热 的影响
3 l Nu 对流系数的准数
Nu f pr , Re
u0.8
d 0.2
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
影响α的因数很多
化工上常见的对流传热
强制对流传热 流体无相变化时
自然对流传热 流体有相变化时 蒸汽冷凝传热
液体沸腾传热
§4-16 因次分析在对流传热中的应用
α值 实验测定
因数多 因次分析方法 无因次数群 再实验 确定关系
一、无相变化时强制湍流下的α
f l, , u, , c p , , 0
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管
当
l d
30 ~ 40 时
尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小
乘以1.02~1.07的系数加以修正
（2）壁温与主体温度相差较大
考虑壁温对粘度的影响
N u 0.027Re0.8 pr 0.33
在壁温未知的情况下 近似计算
普兰特准数 Prandtl
Pr
cp /
表示物性影响 的准数
格拉斯霍夫准数 Grashof
Gr
g△tL3 2/2
表示自然对流 影响的准数
L—传热面的特征尺寸 m
经验公式的应用应注意以下四点： 1、应用范围
2、定性尺寸（特性尺寸）
各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照 所选用的关联式中规定尺寸
（层流）
pr
cp
2.85103 4103 0.57
20
d
0.015
而 Re Pr l 1848 20 2 276.8 10
在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小， 粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计 算，即
1.86
3、定性温度
确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为 定性温度。
有的用流体进、出口温度的算术平均值
有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温度 平均值，再取两者的算术平均值）
主要取决于建立关联式时采用什么方法而定
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热