第四章传热—3(对流传热分析和计算)讲解
合集下载
4.3 对流传热
4-39
由于弯管处受离心力的作用，存在二次环 流，湍动加剧，增大。
图4-11 弯管内流体的流动
d．非圆形直管内强制对流 套管环隙：
d2 0.53 0.02 R P ( ) de d1
0.8 e 1/ 3 r
4-40
式中： d1`、d2——分别为套管内管外径或外管内径。 适用范围：d2/d1=1.65～17，Re=1.2×104～2.2×105
Q A(tw2 t )
4-20
4-21
Q A(T tW 1 )
4.3.3 影响对流传热系数的因素
对流传热是流体在具有一定形状及尺寸的设备 中流动时发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的 热量传递过程，因此它必然与下列因素有关。 1.引起流动的原因： 自然对流：由于流体内部存在温差引起密度差形成 的浮升力，造成流体内部质点的上升和 下降运动，一般u较小，也较小。
du a l k gtl g C( ) ( ) ( ) 2
3 2
cp
4-30
二、定性温度、特性尺寸的确定 1、定性温度 由于沿流动方向流体温度的逐渐变化，在 处理实验数据时就要取一个有代表性的温度以 确定物性参数的数值，这个确定物性参数数值 的温度称为定性温度。 定性温度的取法： 1）流体进出口温度的平均值：
层流流动时，由于流体质点只在流动方向 上作一维运动，在传热方向上无质点运动，此 时主要依靠热传导方式来进行热量传递，但由 于流体内部存在温差还会有少量的自然对流， 此时传热速率小，应尽量避免此种情况。
流体在换热器内的流动大多数情况下为湍 流，下面我们来分析流体作湍流流动时的传热 情况。 流体作湍流流动时，靠近壁面处流体流动分别 为层流底层、过渡层（缓冲层）、湍流核心。 层流底层：流体质点只沿流动方向上作一维运 动，在传热方向上无质点的混合， 温度变化大，传热主要以热传导的 方式进行。 导热为主，热阻大，温差大。
如何计算对流传热系数
分析： QKAtm
Q ' m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
原工况下 T1 T2 t1 t2 Δtm α1 α2 K? A?
ms1cp1? ms2cp2?
Q = Q’
新工况下 ms2↑ m’s2=2ms2 α’1=α1 α’2 =20.8α2 K?
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 ↑。
u 0.8
d 0.2
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。
新工况下 α’2 =20.8α2
K ' 1
1
4.3 9W/2(K m )
1120.1 8 2 5 1 020.8 12000
23
t'mlt1n tt1 2t2
120t'2 T'215 ln120t'2 T'215
T T’2 ← 120 t 15 → t’2 △t T’2-15 120-t’2
T'215
120t'2 1.057
(5)
T'215
联立(3)和(5)，得：
t‘2=61.9℃， T '2=69.9℃
25
§4-17 流体作自然对流时的对流传热系数
大容积自然
Nu=f(Pr,Gr)
两种方法：
Q ' m s 1 c p 1 ( T 1 T 2 ) m s 2 c p 2 ( t2 t1 )
原工况下 T1 T2 t1 t2 Δtm α1 α2 K? A?
ms1cp1? ms2cp2?
Q = Q’
新工况下 ms2↑ m’s2=2ms2 α’1=α1 α’2 =20.8α2 K?
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 ↑。
u 0.8
d 0.2
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。
新工况下 α’2 =20.8α2
K ' 1
1
4.3 9W/2(K m )
1120.1 8 2 5 1 020.8 12000
23
t'mlt1n tt1 2t2
120t'2 T'215 ln120t'2 T'215
T T’2 ← 120 t 15 → t’2 △t T’2-15 120-t’2
T'215
120t'2 1.057
(5)
T'215
联立(3)和(5)，得：
t‘2=61.9℃， T '2=69.9℃
25
§4-17 流体作自然对流时的对流传热系数
大容积自然
Nu=f(Pr,Gr)
两种方法：
工程热力学与传热学 第四章对流换热
从公式可知，要计算热流量，温度及面积比较容易得到，
主要是如何求得对流换热系数α，这是研究对流换热的主要任
务之一。
确定α；
➢对流换热的任务 揭示α与其影响因素的内在关系；
增强换热的措施。
➢研究对流换热的方法 ➢ 分析法 ➢ 实验法
➢ 比拟法 ➢ 数值法
➢ 分析法：对描写某一类对流换热问题的偏微分方程及相应的定 解条件进行数学求解，从而获得速度场和温度场的分析解的方法。
➢关于速度边界层的几个要点
(1) 边界层厚度 与壁的定型尺寸L相比极小， << L
(2) 边界层内存在较大的速度梯度
(3) 边界层流态分层流与紊流；紊流边界层紧靠壁 面处仍有层流特征，粘性底层（层流底层）
(4) 流场可以划分为边界层区与主流区，主流区 的流体当作理想流体处理
热边界层
➢定义
当流体流过平板而平板的 温度tw与来流流体的温度t∞不相 等时，在壁面上方也能形成温 度发生显著变化的薄层，常称 0 为热边界层。
：流动边界层厚度 u 0.99u
t∞ u
δt δ
tw
x
l 如，空气外掠平
板u=10m/s：
x100mm 1.8mm; x200mm 2.5mm
➢速度边界层的形成及发展过程
紊流核心
临界距边离界xc层：从层流开始向紊流过渡的距离。其大小取决
于流体的物性、固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定
相变换热：凝结、沸腾、升华、凝固、融化等
4、流体的物理性质
流体内部和流体与壁面间导热热阻小 c 单位体积流体能携带更多能量
有碍流体流动，不利于热对流
自然对流换热增强
体胀系数：
1
(
第四章 传热分析
10
（三）傅立叶定律
t dQ dA n
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s；
dA ── 导热面积，m2；
t/n ── 温度梯度，℃/m或K/m；
── 导热系数，W/(m· ℃)或W/(m· K)。
负号表示传热方向与温度梯度方向相反
2018/10/11 11
二、热导率
dQ / dA q t / n t / n
2l (t1 t n 1 ) t1 t n 1 t1 t n 1 n ＝ n n层圆筒壁： Q＝ n 1 ri 1 bi ln Ri ri i 1 i i 1 i Ami i 1
多层圆筒壁改变每一层的位置，对传热有没有影响？（如何确 定层位置）
2018/10/11 26
三、两流体通过间壁换热过程 （一）间壁式换热器
热流体T1
t2
冷流体t1
T2
夹套式换热器
2018/10/11
4
（二）传热速率与热流密度 传热速率Q（热流量）：单位时间内通过换热器的
整个传热面传递的热量，单位 J/s或W。
热流密度q （热通量） ：单位时间内通过单位传
热面积传递的热量，单位 J/(s. m2)或W/m2。
Q q A
2018/10/11 5
（三）稳态与非稳态传热 非稳态传热 Q , q, t f x , y , z , 稳态传热
Q , q, t f x , y , z
t 0
2018/10/11
6
（四）两流体通过间壁的传热过程
T1 t2
(1)热 流 体 管 壁 内 侧
L u
反映流体的流动状态 对对流传热的影响
对流传热
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）
2019/2/18
gtl 3 2 表示自然对流影响的准数 2
2019/2/18
t q 1 牛顿冷却定律， q t 二者比较 t t 热传导公式， q q t t 对流给热热阻可相当于某个
②有效膜厚度
厚度为δ t的静止流体膜所造 成的导热热阻。 比较结果： 可将对流给热过程看作某个当量流体层厚度的导热过程， 该当量的流体层厚度称为有效膜厚度（虚拟概念）。
Nu K Re Pr Gr
a b
c
——无相变时对流传热系数的普遍关联式。 3、应用准数关联式应注意的问题 1）适用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。 2）特征尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。 3）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2019/2/18
（1）定性温度：查取所需物性数据的温度基准
2019/2/18
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。
算术平均值。
Gr 25000， 按上式计算出α后，再乘以一校正因子
传热之对流传热与传热计算讲解
Wh r Wccpc (tc 2 tc1 )
Wh 2210.9 2000 2.5 (70 20)
Wh 113.08kg / h
传热过程计算
总传热速率计算
Q KAtm
与K相对应的 总传热面积 m2
---总传热速率方程
总传热系数 W/（m2•℃）
传热平均温差 ℃
K---总传热系数
管外侧对流 传热热阻
管壁导热 热阻 管内侧对流 传热热阻
热阻：内外表面污垢热阻分别为Rsi和Rso
d0 d0 1 1 bd0 Rs 0 Rsi K 0 0 d m i di di
传热过程计算
总传热速率计算
Q KAtm
---总传热速率方程
传
热
本章章节
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
概述（重点）
热传导（重点） 对流传热（重点） 传热过程计算（重点） 对流传热系数经验关联式 辐射传热 换热器
对流传热
对流传热过程分 析
湍流主体传热方式为对流传热 层流底层传热方式为热传导
固体层传热方式为热传导
热量从热流体经过固体层传递到 冷流体过程中，两侧壁面处的层 流底层是传热阻力的主要部分 强化对流传热，就要加大流体湍 流程度，减小层流底层的厚度
对流传热
对流传热速率方程---牛顿公式
推动力 速率 系数 推动力 阻力
t 量均为某一局部参数 dQ dA t 1 局部对流传热系数 dA
工程计算中采用平均值： 管内 dQ i (T Tw )dA i
Q At
平均对流传热系数 总传热面积
α不是物性参数
管外 dQ 0 (tw t )dA 0
4.33第四章第三节对流
0.54
d
(Gr
1
Pr )4
例：P115
2023/12/28
（2）流体有相变过程的传热膜系数
化工生产中常见的相变给热是液体受热沸腾和 饱和水蒸气的冷凝。如：蒸发、蒸馏和用水蒸汽加 热的操作中。 ①液体的沸腾
液体通过固体壁面被加热的对流传热过程中，若 伴有液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的 过程称为液体沸腾，又称沸腾传热。液体沸腾的情况 因传热面与流体之间的温差不同而变化，下图 为水的 沸腾曲线（参见P116页图4-7）
d
当流体被加热时，n＝0.4；当流体被冷却时，n＝0.3。
（1）应用范围：Re >104, Pr=0.7~160, L/d >60, 气体或低粘度的液体（<2 水）
（2）定性温度：流体进出口的算术平均 值 （3）特征尺寸：管内径
2023/12/28
公式修正：
（1）当L/d
<
60，乘校正系数
1
1
d l
影响α的因素很多，主要有以下几个方面：
①流体的种类和性质： 液体、气体、蒸气，其密 度、比热容、粘度等不同。 ②流体的流动形态： 滞流、过渡流或湍流时α各不 相同。 ③流体的对流状态： 强制对流较自然对流时α为大。 ④传热壁面的形状、排列方式和尺寸
影响α的主要因素可用下式表示：
f (, , , cp , , t, v, d, L,)
由于膜状冷凝时，热量要通过液膜才能进一步传热，增加 了传热的热阻，因此，滴状冷凝的给热系数比膜状冷凝的给热 系数可高出数倍乃至数十倍。工业中遇到的大多是膜状冷凝。
2023/12/28
表4—2 常见流体的传热膜系数的大致范围
2023/12/28
化工原理 第四章 传热过程超详细讲解
液体：α＜0,t↑,λ↓ 。 ∵t↑液体膨胀,分子距离加大，碰撞↓ 气体：α＞0, t↑,λ↑。 ∵ t ↑, 分子能量↑ 碰撞 ↑。 λ金属>λ非金属，λ固>λ液>λ气，λ结构紧密>λ结构松散
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理(王志魁版)---第四章 传热
Q
t1 t2 t3 b1 b2 b3
t1 t4 R1 R2 R3
1 Am1 2 Am2 3 Am3
λ2 λ1
Q1
2l1(t1 ln r2
t2)
2l(t1 t2 ) 1 ln r2
Q2
2l(t2 t3 ) 1 ln r3
Q3
2l(t3 t4 ) 1 ln r4
r1
1 r1
2 r2
3 r3
Q
2l(t1 t4 )
1 ln r2 1 ln r3 1 ln r4
ห้องสมุดไป่ตู้
1 r1 2 r2 3 r3
说明 Q1=Q2=Q3=Q4 Q=2πr1Lq1= 2πr2Lq2= 2πr3Lq3 r1q1=r2q2=r3q3 q1>q2 >q3
第十八页，共79页。
第三节 对流传热
第十九页，共79页。
第十一页，共79页。
4-2-3 单层平壁的稳态热传导
一单层平壁的热传导
t=f(x)
y
假设：i. λ为常数或取壁面范围内的平均值
ii. 平壁面积与厚度相比无限大
根据傅立叶定律：
Q
b
0
dx
A t2 t1
dt
Q A dt
dx
Q b A(t1 t2 )
平壁间的热传导公式
Q
t1
t2 b
t R
推动力 阻力
校正系数冷热流体的最初温差冷物流的温升冷流体的温升热物流的温降单壳程换热器两壳程换热器四壳程换热器三壳程换热器一圆筒壁的总传热系数da总传热速率微分式总传热速率微分式kda总传热热阻kda冷流体与间壁的对流传热热阻管壁的热传导热阻热流体与间壁的对流传热热阻dadadadadakdadadadadadada11若以若以aa11为传热面积为基准进行计算为传热面积为基准进行计算dadadadadadadadada其中其中kk11为传热面积为传热面积aa11为为基准的总传热系数为为基准的总传热系数ddmm为为dd11dd22的对数平均值的对数平均值22若以若以aa22为传热面积为基准进行计算为传热面积为基准进行计算dadadadadada33若以若以aamm为传热面积为基准进行计算为传热面积为基准进行计算dadadadadada二污垢热阻管壁内外侧表面上的污垢热阻分别为rd1污垢系数三平壁与薄壁管的总传热系数计算当传热面为平面或管壁很薄时d如果rd1d2为总热阻中的控制因素则必须减慢污垢的形成速度或及时清理污垢四总传热速率与热衡算式的关系由于管壁一般都为热良导体故可认为管壁内外温度相同4545热辐射热辐射辐射
对流传热分析和计算
对流传热分析和计算传热是物质内部或不同物体之间热量传递的过程，对流传热是其中一种重要形式。
通过对流传热的分析和计算，我们可以更好地理解和应用这一过程，以满足需求和优化能源利用等方面的目标。
本文将介绍对流传热的基本原理、分析方法和计算模型。
一、对流传热的基本原理对流传热是指通过流体（如气体或液体）的运动，将热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在对流传热中，流体既可以通过自然对流（由密度和温度梯度引起的流动），也可以通过强制对流（通过外部装置引起的流动）来实现热量的传递。
对流传热的基本原理可以通过牛顿冷却定律来描述，即传热速率与温度差成正比。
牛顿冷却定律的一般表达式如下：q = h * A * (T1 - T2)其中，q表示单位时间内传递给或从物体中传出的热量；h为对流传热系数，代表了对流传热的特性；A为接触面积；T1和T2分别为两个物体的温度。
二、对流传热的分析方法对流传热的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
1. 实验分析实验分析是通过实际测量和观察来研究对流传热的过程和特性。
常用的实验方法包括热电偶测温法、平板法、圆管法等。
通过实验，我们可以获取到对流传热系数、传热速率等重要参数，为其他工程和研究提供参考和依据。
2. 数值模拟数值模拟是利用计算机和数值方法对对流传热进行模拟和计算。
通过建立数学模型、采用数值算法和边界条件，我们可以通过计算得到对流传热的各种参数和特性。
常用的数值模拟方法有有限元法、有限体积法和计算流体力学（CFD）等。
三、对流传热的计算模型对流传热的计算模型是通过数学方程和物理模型来描述和计算对流传热的过程。
在对流传热的计算模型中，需要考虑流体的性质、流动的速度和流动的特性等因素。
1. 粘性流体模型在粘性流体模型中，对流传热的计算将考虑流体的黏性和流速的分布等因素。
一般来说，黏性流体模型适用于流速较低、流动较平稳的情况。
2. 湍流模型湍流模型适用于流速较高、流动较复杂的情况。
化工原理--传热
第四章传热本章介绍了三种基本传热方式，即导热、对流传热、辐射传热的基本概念和定律；详细分析了对流传热过程机理，建立了对流传热速率方程以及表面传热系数的经验关联式；由总传热速率方程出发，对传热过程进行设计计算和操作分析、诊断；介绍了换热设备的类型和列管式换热器的设计和选用。
本章重点要求掌握：①对流传热过程的基本概念、定律、传热速率方程；②管内强制湍流流动时表面传热系数的经验关联及影响因素；③总传热速率方程以及传热过程的计算。
4.1 概述4.1.1 传热在化工生产中的应用传热，即热量的传递，是自然界中普遍存在的物理现象。
由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处向低温处的传递，故在科学技术、工业生产以及日常生活中都涉及许多的传热过程。
化工生产过程与传热关系十分密切。
这是因为化工生产中的很多过程都需要进行加热和冷却。
例如，为保证化学反应在一定的温度下进行，就需要向反应器输入或移出热量；化工生产设备的保温或保冷；生产过程中的热量的合理使用以及废热的回收利用，换热器网络的综合利用；蒸发、精馏、吸收、萃取、干燥等单元操作都与传热过程有关。
化工生产过程中需要解决的传热问题大致分为两类：(1)传热过程的计算，包括设计型计算和操作型计算；(2)传热过程的改进与强化。
这两类问题的解决，都需要从总的传热速率方程出发，即：（4.1.1）式中：Q—冷流体吸收或热流体放出的热流量，W；K—传热系数，W/(m2·℃)；A—传热面积，m2；Δtm—平均传热温差，℃。
4.1.2 传热的基本方式根据热量传递机理的不同，传热基本方式有三种，即热传导、对流和辐射。
热传导：热传导又称导热。
是指热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。
对流传热：对流传热是依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。
在化工生产中的对流传热，往往是指流体与固体壁面直接接触时的热量传递。
《第四章传热》PPT课件
gradt dt dx
2. 傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度 梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。
Q S t 或：q t
n
n
热传导中，Q S，Q t n
Q——传热速率，W；
λ——导热系数，W/（m·K） 或W/（m·℃）；
S——导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；
946℃。试求：
(1)单位面积的热损失；(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；
(3)建筑砖外侧温度。
解 t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。
（1）热损失q
q=
Q A
1
b1
t1
t2
1.06 0.15
(1000-946)
=381.6W/m2
(2) 保温砖与建筑砖的界面温度t3 由于是稳态热传导，所以 q1=q2=q3=q
典型换热设备： 间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备） 例：列管式换热器 3、本章研究的主要问题 1）三种传热机理（传热速率计算） 2）换热器计算 3）换热设备简介
4.1.1传热的基本方式
根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。
1．热传导 热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。
t t'∞
t∞
u
tw-t=
t' t
tw
图4-13 流体流过平壁被加热时的温度边界
2、热边界层的厚度
tw t 0.99(tw t )
3、热边界层内（近壁处） 认为：集中全部的温差和热阻
dt 0 dy
热边界层外（流体主体）
2. 傅立叶定律 傅立叶定律是热传导的基本定律，它表示热传导的速率与温度 梯度和垂直于热流方向的导热面积成正比。
Q S t 或：q t
n
n
热传导中，Q S，Q t n
Q——传热速率，W；
λ——导热系数，W/（m·K） 或W/（m·℃）；
S——导热面积，垂直于热流方向的截面积，m2；
946℃。试求：
(1)单位面积的热损失；(2)保温砖与建筑砖之间界面的温度；
(3)建筑砖外侧温度。
解 t3为保温砖与建筑砖的界面温度，t4为建筑砖的外侧温度。
（1）热损失q
q=
Q A
1
b1
t1
t2
1.06 0.15
(1000-946)
=381.6W/m2
(2) 保温砖与建筑砖的界面温度t3 由于是稳态热传导，所以 q1=q2=q3=q
典型换热设备： 间壁式换热器（冷、热流体间的换热设备） 例：列管式换热器 3、本章研究的主要问题 1）三种传热机理（传热速率计算） 2）换热器计算 3）换热设备简介
4.1.1传热的基本方式
根据传热机理不同，传热的基本方式有三种： 热传导、热对流和热辐射。
1．热传导 热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依靠原子、 分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引 起的热量传递。
t t'∞
t∞
u
tw-t=
t' t
tw
图4-13 流体流过平壁被加热时的温度边界
2、热边界层的厚度
tw t 0.99(tw t )
3、热边界层内（近壁处） 认为：集中全部的温差和热阻
dt 0 dy
热边界层外（流体主体）
化工原理第四章对流传热
3/24/2020
【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。
一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值
（算术平均值），即：
t t进＋t出 ＝20＋40＝30℃
2
2
查数据手册，30℃时水的物性数据为：
Cp=4183J/(K.kg) ρ=996kg/m3 μ=8.01×10－4Pa.s λ=0.618W/(m.K)
【注意事项】
（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径d；
（3）流体被加热时，n＝0.4；
流体被冷却时，n＝0.3。
（4）若l/d＜60 ，进行校正：
'
1
d
0.7
l
3/24/2020
（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）
0.027 ( du )0.8 ( c p )0.33 ( )0.14
（1）什么是定性温度 【定义】确定物性参数 数值的温度称为定性温 度。
Re du
T1
t2
Pr c p
T2
t1
3/24/2020
（2）定性温度的取法 ①流体进、出口温度的平均值
②膜温
tm
t1
t2 2
t tm tw 2
th T1
热Φ 流 体
th,w
t2
Φ
冷 流 tc,w 体
式中 tw——壁面上的温度；
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw )
bt’
3/24/2020
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
bt
A(t w
t)
流体被加热： Q A(tw t)
【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。
一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值
（算术平均值），即：
t t进＋t出 ＝20＋40＝30℃
2
2
查数据手册，30℃时水的物性数据为：
Cp=4183J/(K.kg) ρ=996kg/m3 μ=8.01×10－4Pa.s λ=0.618W/(m.K)
【注意事项】
（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径d；
（3）流体被加热时，n＝0.4；
流体被冷却时，n＝0.3。
（4）若l/d＜60 ，进行校正：
'
1
d
0.7
l
3/24/2020
（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）
0.027 ( du )0.8 ( c p )0.33 ( )0.14
（1）什么是定性温度 【定义】确定物性参数 数值的温度称为定性温 度。
Re du
T1
t2
Pr c p
T2
t1
3/24/2020
（2）定性温度的取法 ①流体进、出口温度的平均值
②膜温
tm
t1
t2 2
t tm tw 2
th T1
热Φ 流 体
th,w
t2
Φ
冷 流 tc,w 体
式中 tw——壁面上的温度；
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw )
bt’
3/24/2020
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
bt
A(t w
t)
流体被加热： Q A(tw t)
化工原理第四章第三节
体的热导率较小，该层热阻较大，温 度差较大，即温度梯度较大。 过渡区 对流和热传导共同作用，在该层内温度
变化较缓慢。
湍流主体 热阻很小，温度梯度很小，各处的温度 基本相同。
2020/3/25
对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。 对流传热的热阻主要集中在层流底层。减薄层流底层的厚 度是强化对流传热的主要途径。
度与饱和蒸汽温度的算术平均值，即TS TW 2
冷凝液沿壁面流动的横截面积为S，则流动当量直径为
de
4S
Π－壁面的润湿周边长度，m，垂直管，Π =πd0，
垂直板，Π为板的宽度。
2020/3/25
冷凝液的液膜沿壁面流动的Re表达式为
Re deu 4lT
r
2020/3/25
3）影响冷凝传热的因素 a) 蒸汽中不凝气体含量的影响
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
2020/3/25
2020/3/25
2）膜状冷凝的传热系数
a)蒸汽在水平管外膜状冷凝
由于管径较小，液膜通常呈层流流动
'
1 1.77
di R
5）流体在非圆形管中作强制对流
对于非圆形管内对流传热系数的计算，前面有关的经
验式都适用，只要将特征尺寸由圆管内径改为当量直径。
传热当量直径de
4
流体流动截面积 传热周边长度
计算结果欠准确，另一种方法是通过实验求得常用
的非圆型管道的对流传热系数的关联式。
2020/3/25
套管环隙中的对流传热，用水和空气做实验，所得的 关联式为：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五节
对流传热系数关联式
对对流 自然对流
有相变时的对流传热系数
蒸汽冷凝 液体沸腾
一、 影响对流传热系数的主要因素
1、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。
有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；
2、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度 р、比热 cp、导热系数 λ、 粘度μ等。
di u 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
应用范围：
Re＞10000
0.7＜Pr＜120
当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。 特性尺寸 ： 取管内径， 长径之比大于60 定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
（2） 高粘度流体
Nu=0.023Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14
3、流体的运动状况：
传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层
厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。
4、流体对流的状况：
自然对流，强制对流。
5、传热表面的形状、位置及大小： 如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、 管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或 水平放置等。
二、对流传热中的因次分析
流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温
度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均
温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。
4 、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必 须用统一的单位制度。
二、流体无相变时对流传热系数的关联式
1、流体在圆形直管内作强制对流 （1） 低粘度流体
Nu=0.023Re0.8Prn
例 ： 一 套 管 换 热 器 ， 套 管 为 φ89×3.5mm 钢 管 ， 内 管 为 φ25×2.5mm钢管。环隙中为 p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷 却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流 速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25℃ λ=0.608W/m· ℃ ρ=997kg/m3
（3）流体在圆形直管内作过渡流
对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以 校正系数Φ
6 10 1 1.8 Re
5
（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大。
d (1 0.77 ) R
'
式中 α΄—弯管中的对流传热系数，w/（m2•℃ ） α —直管中的对流传热系数，w/（m2•℃ ） R —弯管轴的弯曲半径，m
Re=duρ/μ=(0.053×15 ×0.746)/(0.6 ×10-5)
=2.28 ×104> 104(湍流)
Pr=cpμ/λ=(1.026 ×103 ×26.0 × 10-5)/0.03928=0.68
本题中空气被加热,n=0.4代入
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4 =60.4 0.03928 Nu 60.4 44.8W / m 2 C
对流传热系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200℃ λ=0.03928W/m. ℃ ρ=0.746kg/m3
查200℃时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026×103J/kg. ℃ μ=26.0×10-6N.s/m2
Pr=0.68
特性尺寸 d=0.060-2×0.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.5>60
du 0.8 c p 1/ 3 0.14 0.023 ( ) ( ) ( ) d w
特性尺寸：取管内径 定性温度：除μw取壁温下的粘度外， 范围： 同低粘度流体
均为流体进、出口温度的算术平均值。
例：
常压下，空气以 15m/s 的流速在长为 4m，φ60×3.5mm
的钢管中流动，温度由 150 ℃升到 250 ℃。试求管壁对空气的
d 0.053
2、流体在圆形直管内作强制层流 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然 对流的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略 时，按下式计算：
Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14
特性尺寸：取管内径di 应用范围： Re ＜ 2300
定性温度： 除μw 取壁温下的值外， 均为流体进、出口温度的算术平均值。0.6＜Pr＜6700
无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：
f (u, l, , , , c p , gt )
八个物理量涉及四个基本因次：质量 M，长度 L，时间 T，温度
θ。
通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：
l lu a c p k gtl 3 2 g C( ) ( ) ( ) 2
即
Nu C Re Pr Gr
a k
g
准数符号及意义
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=αl/λ Re=luρ/μ Pr=cpμ/λ 意义 表示对流传热系数的准数 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=βgΔtl3ρ2/μ2 表示自然对流影响的准数 （Grashof）
Gr ＜25000
当自然对流的影响不能忽略时, 对水平管，按下式计算
Nu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2
应用范围：
应用范围：Re<2300；l/d>50； 特性尺寸：取管内径di
Re ＜ 2300
0.6＜Pr＜6700
Gr ＞25000
定性温度：壁温tw与流体进、出口平均
温度的平均值tm
准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传 热系数时，不能超出实验条件范围。 在应用关联式时应注意以下几 点： 1、应用范围 2、特性尺寸 无因次准数 Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征 尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的 尺寸作为特征尺寸。
3、定性温度
流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中
对流传热系数关联式
对对流 自然对流
有相变时的对流传热系数
蒸汽冷凝 液体沸腾
一、 影响对流传热系数的主要因素
1、流体的种类和相变化： 液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否有相变。
有相变时对流传热系数比无相变化时大的多；
2、流体的物理性质： 影响较大的物性如密度 р、比热 cp、导热系数 λ、 粘度μ等。
di u 0.8 c p n 0.023 ( ) ( ) di
应用范围：
Re＞10000
0.7＜Pr＜120
当流体被加热时，n=0.4，被冷却时，n=0.3。 特性尺寸 ： 取管内径， 长径之比大于60 定性温度： 流体进、出口温度的算术平均值。
（2） 高粘度流体
Nu=0.023Re0.8Pr1/3（μ/μw）0.14
3、流体的运动状况：
传热热阻主要集中在层流底层，湍流使滞流底层
厚度减薄，对流表面传热系数也就随之增大。
4、流体对流的状况：
自然对流，强制对流。
5、传热表面的形状、位置及大小： 如圆管、翅片管等不同传热表面形状；管板、 管束、管径；管长；管子排列方式；垂直放置或 水平放置等。
二、对流传热中的因次分析
流体物理特性参数的温度称为定性温度。一般定性温
度有三种取法：进、出口流体的平均温度，壁面平均
温度，流体和壁面的平均温度（膜温）。
4 、准数是一个无因次数群，其中涉及到的物理量必 须用统一的单位制度。
二、流体无相变时对流传热系数的关联式
1、流体在圆形直管内作强制对流 （1） 低粘度流体
Nu=0.023Re0.8Prn
例 ： 一 套 管 换 热 器 ， 套 管 为 φ89×3.5mm 钢 管 ， 内 管 为 φ25×2.5mm钢管。环隙中为 p=100kPa的饱和水蒸气冷凝，冷 却水在内管中渡过，进口温度为15℃，出口为85℃。冷却水流 速为0.4m/s，试求管壁对水的对流传热系数。 解：此题为水在圆形直管内流动 定性温度 t=（15+35）/2=25℃ λ=0.608W/m· ℃ ρ=997kg/m3
（3）流体在圆形直管内作过渡流
对流表面传热系数可先用湍流时计算，然后乘以 校正系数Φ
6 10 1 1.8 Re
5
（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大。
d (1 0.77 ) R
'
式中 α΄—弯管中的对流传热系数，w/（m2•℃ ） α —直管中的对流传热系数，w/（m2•℃ ） R —弯管轴的弯曲半径，m
Re=duρ/μ=(0.053×15 ×0.746)/(0.6 ×10-5)
=2.28 ×104> 104(湍流)
Pr=cpμ/λ=(1.026 ×103 ×26.0 × 10-5)/0.03928=0.68
本题中空气被加热,n=0.4代入
Nu=0.023Re0.8Pr0.4 =0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4 =60.4 0.03928 Nu 60.4 44.8W / m 2 C
对流传热系数。 解：此题为空气在圆形直管内作强制对流 定性温度 t=（150+250）/2=200℃ λ=0.03928W/m. ℃ ρ=0.746kg/m3
查200℃时空气的物性数据（附录）如下 Cp=1.026×103J/kg. ℃ μ=26.0×10-6N.s/m2
Pr=0.68
特性尺寸 d=0.060-2×0.0035=0.053m l/d=4/0.053=75.5>60
du 0.8 c p 1/ 3 0.14 0.023 ( ) ( ) ( ) d w
特性尺寸：取管内径 定性温度：除μw取壁温下的粘度外， 范围： 同低粘度流体
均为流体进、出口温度的算术平均值。
例：
常压下，空气以 15m/s 的流速在长为 4m，φ60×3.5mm
的钢管中流动，温度由 150 ℃升到 250 ℃。试求管壁对空气的
d 0.053
2、流体在圆形直管内作强制层流 流体在圆形直管内作强制滞流时，应考虑自然 对流的影响。当自然对流的影响比较小且可被忽略 时，按下式计算：
Nu=1.86Re1/3Pr1/3（di/L）1/3（μ/μw）0.14
特性尺寸：取管内径di 应用范围： Re ＜ 2300
定性温度： 除μw 取壁温下的值外， 均为流体进、出口温度的算术平均值。0.6＜Pr＜6700
无相变时，影响对流传热系数的主要因素可用下式表示：
f (u, l, , , , c p , gt )
八个物理量涉及四个基本因次：质量 M，长度 L，时间 T，温度
θ。
通过因次分析可得，在无相变时，准数关系式为：
l lu a c p k gtl 3 2 g C( ) ( ) ( ) 2
即
Nu C Re Pr Gr
a k
g
准数符号及意义
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=αl/λ Re=luρ/μ Pr=cpμ/λ 意义 表示对流传热系数的准数 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=βgΔtl3ρ2/μ2 表示自然对流影响的准数 （Grashof）
Gr ＜25000
当自然对流的影响不能忽略时, 对水平管，按下式计算
Nu=0.74Re0.2(GrPr)0.1Pr0.2
应用范围：
应用范围：Re<2300；l/d>50； 特性尺寸：取管内径di
Re ＜ 2300
0.6＜Pr＜6700
Gr ＞25000
定性温度：壁温tw与流体进、出口平均
温度的平均值tm
准数关联式是一种经验公式，在利用关联式求对流传 热系数时，不能超出实验条件范围。 在应用关联式时应注意以下几 点： 1、应用范围 2、特性尺寸 无因次准数 Nu、Re等中所包含的传热面尺寸称为特征 尺寸。通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的 尺寸作为特征尺寸。
3、定性温度
流体在对流传热过程中温度是变化的。确定准数中