对流传热系数影响因素
化工原理对传热系数关联式讲义
)0.5
Re
0.8
Pr
1 3
de d1
适用范围： 12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
返回
例14题4.5.1 一列管式换热器，由38根25×2.5mm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19×2mm，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？
一、流体在管内的强制对流
1．圆形直管内的湍流
适用范围：
Nu 0.023Re0.8 Prn
0.023 ( du )0.8 ( cp )n
d
Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>60
定性温度:
tm
t1
t2 2
特征尺寸: 管内径di
返回
9 流体被加热时，n＝0.4；
被冷却时，n＝0.3。
名称 努赛尔特准数
雷诺准数 普朗特准数
格拉斯霍夫准数
准数式
Nu l
Re duρ μ
Pr cp
Gr
l3 2 gt 2
意义
表示对流传热系数的准数
表示流体的流动状态和湍流程 度对对流传热的影响
表示流体物性对对流传热的影 响
表示自然对流对对流传热的影 响
各准数之间的关系 Nu C Rea Prk Gr g
返回
44.5.2 对流传热过程的量纲分析
一、因次分析 ＝f(u，l，，，cp，，gt)
式中 l——特性尺寸； u——特征流速。
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。
对流换热系数的影响因素
对流换热系数的影响因素
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递方式。
其中，对流换热系数是一个关键参数，用于描述热量传递的效率。
对流换热系数受许多因素影响，下面让我们具体来看看这些因素。
1. 流体性质：流体的密度、粘度、热导率、比热容等性质对对流换热系数的影响较大。
一般来说，流体的密度和比热容越大，对流换热系数越小，而粘度和热导率越大，对流换热系数越大。
2. 流动状态：流动状态对对流换热系数的影响主要表现在雷诺数上。
当雷诺数较小时，流体的流动状态为层流，对流换热系数较低；而当雷诺数较大时，流体的流动状态为湍流，对流换热系数较高。
3. 流动方向：流体流动方向对对流换热系数也有影响。
例如，在水平管道中，流体的对流换热系数比竖直管道中的大；另外，如果流体的流动方向与壁面的角度不同，对流换热系数也会有不同的变化。
4. 壁面形状：壁面形状对换热系数也有明显的影响。
一般来说，壁面越粗糙，对流换热系数就越大；反之，壁面越光滑，对流换热系数就越小。
此外，壁面凸度的改变也会影响对流换热系数。
5. 流体入口速度：流体入口速度对对流换热系数也有影响。
当流体入口速度增加时，对流换热系数会增加，主要是因为流体的对流和湍流增强。
以上就是对流换热系数的影响因素。
在实际工程中，我们需要结合具体情况，选择合适的流体和换热器结构，以提高对流换热系数，从而提高热量传递效率。
同时，我们也要进一步深入研究对流换热机理和影响因素，以推动对流换热领域的发展和应用。
对流传热系数的影响因素
L 60 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
2019/10/15
Nu
1.86Re
1 3
Pr
1 3
di L
1
3
w
0.1 4
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：
2019/10/15
管子呈正方形排列时： de
4
t2
0.785d02
d0
管子呈三角形排列时：
de
4
2 3
t
2
4
d
2 0
d 0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
A hD1 d0 t
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。
2019/10/15
2019/10/15
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
对流与对流传热系数
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
5
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
普兰特准数 Prandtl
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
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9பைடு நூலகம்
（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
p227式5-70
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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
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：1-2-4 对流传热系数关联式一、对流传热系数的影响因素实验表明，影响对流传热系数的因素主要有：1、流体的种类和相变化的情况2、流体的特性：1）流体的导热系数λ；2）粘度μ3）比热容ρc p 、密度ρ：ρc p 代表单位体积流体所具有的热容量。
4）体积膨胀系数β：t V V V ∆-=112β 3、流体的流动状态层流和湍流的传热机理有本质区别：层流时，传热只是依靠分子扩散作用的热传导，故h 就较湍流时为小；湍流时，湍流主体的传热为涡流作用的热对流，但壁面附近层流内层中为热传导，涡流使得层流内层的厚度减薄，温度梯度增大，故h就增大。
湍流时的对流系数较大。
4、流体流动的原因自然对流和强制对流的流动原因不同。
强制对流：设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为(ρ1-ρ2)g。
若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以Δt代表温度差(t2-t1)，则可得ρ1=ρ2(１＋βΔt）于是每单位体积的流体所产生的升力为：（ρ1-ρ2）g=[ρ2（１＋βΔt）－ρ2]g= ρ2gβΔt 强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。
强制对流的对流系数大得多。
5、传热面的形状、位置和大小传热管、板、管束等不同的传热面的形状;管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h 值。
表示传热面的形状、位置和大小的尺寸称为特征尺寸，用l 表示所以，h 可以用下式表示:h=f （μ，λ，c p ，ρ，u ，ρgβΔt ，l ） （1）二、因次分析对流体无相变化的对流传热进行因次分析，得到的准数关系式为:c b p a tl g c u l K l )()()(223μρβλμμρλα∆= （2）式（2）中各准数名称、符号和意义列于下表中。
上4章传热7第五节对流传热系数关联式1
Re>10000
L/di<60，要乘以 [1 (d i / L)
] 进行校正。
⒉ 高 液体 西德尔-塔特式：
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
Nu 0.027 Re
0.8
Pr
1/ 3
( / w )
0.14
(4-71)
被加热1.05 被冷却0.95
液 气 1.0
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
①流体平均温度 用的最多，t = (t1+t2)/2
②壁面的平均温度 tw 需试差，极少用
③流体和壁面的平均温度（膜温）
有用 tm= (tw +t)/2 = [ tw +征尺寸
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
除w用tw，用t =(t1+t2)/2
15
(三)流体在圆形直管中做过渡流 2300<Re<10000 先用强制湍流的公式计算，然后乘以校正系数φ。
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
1 (6 10 ) /( Re ) (φ<1)(4-73)
5 1.8
(四)流体在弯管内做强制对流 弯管轴的弯曲半径使流体在弯 管内流动时，由于惯性离心力的作
的 / 较大时，自然对流对强制滞流的影响可以忽 略，用西德-塔特式：
Nu 1.86 Re
特征尺寸
1/ 3
Pr
1/ 3
(d i / L) ( / w )
1/ 3
0.14
(4-72)
圆管内 di 10< di <40mm
应用范围
定性温度
对流传热系数的影响因素
2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2018/6/3
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
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
2018/6/3
1 1 1 d i 3 N u 1.86 Re 3 Pr 3
L w
6、传热面的性状、大小和位置
2018/6/3
二、因次分析法在对流传热中的应用
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f (l，，，c p，，u， g t )
•确定无因次准数π的数目
i n m 84 4
2018/6/3
准数的符号和意义 准数名称 努塞尔特准数 （Nusselt） 雷诺准数 （Reynolds） 普兰特准数 （Prandtl） 符号 Nu 准数式 意义 表示对流传热的系数 确定流动状态的准数
N u 0.027 Re Pr
u w
2018/6/3
0.8
0.23
0.14
u w
0.14
为考虑热流体方向的校正项。
应用范围： Re 1000, 0.7 Pr 16700 , 定性尺寸： 取为管内径di。
L 60 di
应用范围：
化工原理 传热3
7
f (l, , , c p , , gt )
式中包括7个物理量，涉及4个基本因次，故自然对流的 准数关系可表示为：
1 ( 2 , 3 )
与前述同样的方法可得 l 1 Nu
cp 2 Pr l 3 2 gt 3 Gr 2
Nu 0.023Re0.8 Prn
或
diu 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
式中n值随热流方向而异，当流体被加热时，n=0.4；当流 体被冷却时，n=0.3。 应用范围：Re>10000，0.7<Pr<120；管长与管径比 L/di>60 。
10
若 L/di<60时，可将上式计算得到的结果的α乘以短 管修正系数 [1+ (di / L)0.7]予以修正。 特征尺寸：管内径di。 定性温度：流体进、出口温度的算术平均值。 (2)高粘度流体
T0 P 273 200 0 1.293 2.379kg / m3 T P0 273 20 101.3
空气的质量流量G＝u =8.49×2.379=20.2 kg/(m2s)
12
所以，雷诺数 Re = dG/ = 0.05×20.2/1.96×10-5 = 51530 且 L/di = 3/0.05 >=60 所以 0.8 n 0.023 Re Pr di
水的对流换热系数
水的对流换热系数水的对流换热系数是描述流体内部传热能力的一个重要参数。
它反映了水在流动时，通过对流方式传递热量的效率。
对流换热系数的大小直接关系到传热速率以及工程设备的热设计。
1. 对流换热过程的基本概念对流换热是指通过流体的流动来实现传热的现象，可以分为自然对流和强制对流两种形式。
自然对流是指在无外加力作用下，由密度差异引起的流动；而强制对流则是利用外加力的作用使流体强制流动。
对流换热系数则是描述流体流动状态下传热能力的量化指标。
2. 影响水的对流换热系数的因素水的对流换热系数受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：2.1 流动速度：流动速度是影响对流换热系数的重要因素之一。
一般而言，流体的流动速度越大，对流换热系数也就越大。
因为高速流动可以增大接触面积，并且破坏热边界层，加强传热效果。
2.2 流体性质：水的物理性质对对流换热系数同样有显著影响。
水的导热系数较高，流体的热导率也就较高，对流换热系数也将较大。
2.3 流动状态：流动状态是指流体在管内的流动形式，如层流和湍流。
实验表明，当水在管内呈现湍流状态时，对流换热系数明显大于层流状态。
这是因为湍流能够增大流体的混合程度，提高传热效果。
2.4 传热面积：传热面积是指热量传递的表面积。
当传热面积增大时，给定流体流速下，对流换热系数也将增大。
3. 实际应用中对水的对流换热系数的估算在实际工程应用中，对于水的对流换热系数的估算，一般采用经验公式或者计算流体力学模拟方法。
3.1 经验公式：经验公式是通过大量研究和实验总结得到的经验关系。
对于水的对流换热系数，有很多的经验公式可供选择，如劳埃德公式、乌尔斯奥拉公式等。
这些公式通常基于实验数据，对于特定的流动状态、流速和传热面积大小，可以提供一个较为准确的估算值。
3.2 计算流体力学模拟方法：计算流体力学模拟方法是通过数值计算的方式，对流体流动和传热过程进行模拟和分析。
这种方法可以考虑更多细节，如流体粘性、湍流效应等。
45对流传热系数详解
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
4.5_对流传热系数
n
流体无相变时，对流传热系数的关联式 (2) 流体在圆形直管内作强制层流
使用准数关联式时,需要注意以下几点:
1 应用范围：Re，Pr等准数的应用范围
2 定性温度： 决定准数中各物性的温度
（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)
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
r 2 l 3 b gDt e mc p c A( ) ( ) ( ) 2 l m m l
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；
2 3
1 4
或
* 1.88 Re 1 / 3
适用条件：Re<2100
湍流 或
rr gl 0.068 mlDt
2 3
1 3
0.0077 Re 0.4
适用条件：Re>2100 特性尺寸l：管或板高H 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（膜温 ）。
tm=(tw+t)/2
对流传热系数的影响因素
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
0.023 di
d i u
0.8 Pr n
当n 0.4时, 0.023 C p0.40.6 u 0.8
2019/10/13
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。
6、传热面的性状、大小和位置
2019/10/13
二、因次分析法在对流传热中的应用
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f (l，，，cp，，u， gt)
•确定无因次准数π的数目
i nm844
2019/10/13
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
1.13
g 23r Ht
4
应用范围： Re＜1800
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。
2019/10/13
若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：
1.76 Re1 3
若膜层为湍流（Re＞1800）时
3）流体在换热器管间流过时，在管外加流板的情况
0.36
de
deu
0.55
Cp
1
3
w
0.14
B
u 0.5 5
d
0.45 e
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
空气和水的对流传热系数
空气和水的对流传热系数简介对流传热是指通过流体（如空气和水）的流动传递热量的过程。
对流传热系数是衡量流体传热能力的重要参数，它描述了单位面积上单位温度差时单位时间内传热的能力。
本文将重点讨论空气和水的对流传热系数及其影响因素。
空气的对流传热系数空气的对流传热系数与流体的流速、温度差、流动形态以及表面特性等因素密切相关。
影响因素1.流速：空气的对流传热系数与空气流动速度成正比。
当流速增加时，空气与物体表面的接触面积增加，传热效果也会提高。
2.温度差：温度差是驱动传热的主要力量，温度差越大，传热速率越快。
3.流动形态：空气的对流传热系数受流动形态的影响。
例如，在自然对流条件下，空气的传热系数较低；而在强制对流条件下，传热系数较高。
4.表面特性：物体表面的粗糙度、形状和表面温度分布都会影响空气的对流传热系数。
计算方法空气的对流传热系数可以通过实验测量或使用经验公式进行估算。
常用的经验公式有Dittus-Boelter公式、Sieder-Tate公式等。
水的对流传热系数水的对流传热系数与流速、温度差、流动形态、水的性质以及表面特性等因素密切相关。
影响因素1.流速：水的对流传热系数与水流动速度成正比。
当流速增加时，水与物体表面的接触面积增加，传热效果也会提高。
2.温度差：温度差是驱动传热的主要力量，温度差越大，传热速率越快。
3.流动形态：水的对流传热系数受流动形态的影响。
例如，在自然对流条件下，水的传热系数较低；而在强制对流条件下，传热系数较高。
4.水的性质：水的物理性质，如密度、粘度、热导率等，也会影响对流传热系数。
5.表面特性：物体表面的粗糙度、形状和表面温度分布都会影响水的对流传热系数。
计算方法水的对流传热系数可以通过实验测量或使用经验公式进行估算。
常用的经验公式有Dittus-Boelter公式、Sieder-Tate公式等。
应用领域空气和水的对流传热系数在许多领域具有重要的应用价值。
建筑领域在建筑领域，对流传热系数的研究可以用于设计高效的供暖、通风和空调系统。
圆筒壁总传热系数k与间壁两侧对流传热系数
圆筒壁总传热系数k与间壁两侧对流传热系数对于热传导和传热过程具有重要的意义。
下面将针对这两个参数进行详细的探讨。
1. 圆筒壁总传热系数k圆筒壁总传热系数k是指单位时间内通过圆筒壁传递的热量与单位温差之比。
在工程实践中，圆筒壁总传热系数k的计算是十分重要的。
它可以影响圆筒壁的传热效率，进而影响整个传热过程的效果。
圆筒壁总传热系数k受到多种因素的影响，包括材料的导热性能、壁厚、壁面积等。
在工程设计过程中，必须对圆筒壁总传热系数k进行准确的计算和分析，以确保传热设备的稳定运行和高效运行。
2. 间壁两侧对流传热系数间壁两侧对流传热系数是指在传热过程中，间壁两侧介质与壁面之间的传热系数。
对流传热是传热过程中的重要方式之一，其传热系数的大小直接影响着传热效果。
在工程实践中，间壁两侧对流传热系数的计算是为了确定传热设备的传热效果和传热能力。
对流传热系数受到流体性质、流动速度、壁面结构等多种因素的影响。
在工程设计和操作过程中，必须对间壁两侧对流传热系数进行准确的计算和分析，以确保传热设备的高效性和稳定性。
圆筒壁总传热系数k与间壁两侧对流传热系数是影响热传导和传热过程的重要参数。
在工程设计、运行和维护过程中，必须对这两个参数进行准确的计算和分析，以确保传热设备的高效运行和长期稳定性。
希望相关工程人员能够重视这两个参数的重要性，注重传热过程的细节，提升传热设备的整体性能。
圆筒壁总传热系数k与间壁两侧对流传热系数是热传导和传热过程中的重要参数，对于工程设计、运行和维护具有重要的意义。
在实际工程中，我们需要对这两个参数进行准确的计算和分析，以确保传热设备的高效运行和长期稳定性。
下面我们将更加详细地探讨这两个参数的计算方法和影响因素。
1. 圆筒壁总传热系数k的计算方法圆筒壁总传热系数k的计算涉及到多个因素，包括材料的导热性能、壁厚、壁面积等。
根据传热学的基本原理，圆筒壁总传热系数k可以通过以下公式进行计算：\[ k =\frac{1}{\frac{1}{h_i}r_i+(\frac{r_i}{k_i}ln(\frac{r_i}{r_o}))+\frac{1}{h _o}} \]其中，\( h_i \) 和 \( h_o \) 分别代表内表面和外表面的对流传热系数，\( r_i \) 和 \( r_o \) 分别代表内半径和外半径，\( k_i \) 代表内壁的导热系数。
4-5_对流传热系数关联式[1]
![4-5_对流传热系数关联式[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/9cc9e3fafab069dc502201a2.png)
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。
对流传热系数实验误差分析
对流传热系数实验误差分析
流传热系数实验误差分析一般包括以下方面：
1. 仪器误差：流传热系数实验需要使用一些仪器设备，例如传热仪、温度计等，这些仪器设备存在一定的测量误差，需要进行仪器校准或者使用更精确的仪器设备。
2. 实验环境误差：实验环境可能存在温度变化、湿度变化等因素，这些因素可能会对实验结果产生影响，需要对实验环境进行控制或进行误差分析。
3. 实验操作误差：实验操作者在操作过程中可能存在误操作、读数误差等，需要严格按照实验流程进行操作，并注意减少误差。
4. 数据处理误差：在数据处理过程中，可能存在数据读取、计算、分析等方面的误差，需要进行数据核对和精确的计算分析。
综合以上因素进行误差分析可以提高实验的可靠性和准确性，得到更加可信的流传热系数数据。
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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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Nu 1.86Re13Pr13dLi 13w0.14
应用范围：R 2 e3 ,60 7 P 0 r 0 0 .0 6 ,G r 25 ,R e 0 P rd L i0 1 00 定性尺寸：管内径di。
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
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。
Nu0.02R3e0.8Prn
或0.02d3du0.8Prn
当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。
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应用范围：R e10,0 0 .6 0P r012 ,管长0与管径比 l /di 60
若l / di＜60时， 将计算所得的α乘以 [1(di L)]0.7
准数名称
符号 准数式
意义
努塞尔特准数
l
（Nusselt）
Nu
表示对流传热的系数
雷诺准数
（Reynolds） Re
普兰特准数
（Prandtl）
Pr
格拉斯霍夫准数
（Grashof）
Gr
lu
确定流动状态的准数
cp
表示物性影响的准数
g tl 3 2
2
表示自然对流影响的准数
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c)蒸汽在水平管束外冷凝
1
0.725
r 2 g3
2
n 3 d0t
4
nmn10.n715nn220.75 nnzz0.75
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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，
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Gr 250时 00按，上式计算出α后，再乘以一校正因子
f 0.810.01G 5r13
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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。
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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。
热传导。
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1
0.943
g23r Ht
4
修正后
1
1.13
g23r Ht
4
应用范围： Re＜1800
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。
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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 。
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
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
N u0.2R 30e.6P1r3(w)0.14
0.2d 3 o(do u)0.6(c p)13(w)0.14
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
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
0.0
2de dd120.53Re0.8Pr13
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
2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数
0.02d3i diu0.8Prn
当n0.4时, 0.02C3p0.40.6u0.8
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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。
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管子呈正方形排列时：
de
4t20.78d502
d0
管子呈三角形排列时：
de 4
2 3
t2
4
d02
d0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
AhD1d0
t
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3、自然对流
NuCGrPrn 或 Cl 2g3tl3Cpn
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：由于外力的作用
自然对流：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：
1 2 g 2 1 t 2 g 2g t
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流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数
N u0.3R 30.6 eP0.3 r3
流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数
N u0.2R 60.6 eP0.r33
应用范围： Re＞3000
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。
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
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1
de
0.36deu0.55Cp`3w0.1
4
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：
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
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f( l， ， ， c p ， ， u ， g t)
•确定无因次准数π的数目
i n m 8 4 4
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准数的符号和意义
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
Nu 0.02R7e0.8Pr0.23uw0.14
u w
0 .14
为考虑热流体方向的校正项。
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应用范围： Re 10, 0.70 P r16,7d 0 L i 0 60 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
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