第四章传热—3(对流传热分析和计算)讲解
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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
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）
（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
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
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
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
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
Hale Waihona Puke Baidu
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
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
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
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
第五节
对流传热系数关联式
对流传热影响因素
无相变时的对流传热系数
管内强制对流 管外强制对流 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。
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
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
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）
（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
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
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
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
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
Hale Waihona Puke Baidu
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
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
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
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
第五节
对流传热系数关联式
对流传热影响因素
无相变时的对流传热系数
管内强制对流 管外强制对流 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。
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