化工原理上考研精品课程对流传热优秀课件
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水沸腾 有机物沸腾
5000～15000 500～3000
1500～30000 500～15000
4.3.4 影响对流传热系数的因素
• 流体类型与物性：ρ，μ，λ，Cｐ • 流体的流动状态 ：湍流、层流 、过渡流
• 传热面特性尺寸：形状（如圆管、平板、管束）、大小（如管长l、管径d等）
以及位置等 • 对流流动的起因 ：强制对流：流速u；自然对流：浮升力βg△t • 流体的相变化：蒸汽的冷凝，液体的沸腾等；
Tw )
T Tw
1 1dA1
t1 R1
热流体被冷却，从热流体主体向固体 壁面的对流传热。
dQ
2dA2 (tw
t)
tw t
1 2dA2
t2 R2
冷流体被加热，从固体壁面向冷流体 主体的对流传热。
上两式称为对流传热速率方程，也称为牛顿冷却定律
dQ
dAt
t
1 dA
t R
传热推动力 传热热阻
定性温度：流体平均温度，t=(t1+t2)/2,T=(T1+T2)/2；
（b）高粘度流体：
0.027
d
du
0.8
P 0.33 r
W
0.14
被加热 W 0.14＝1.05,被冷却 W 0.14＝0.95
(2)、流体在圆形直管内强制过渡流
过 湍 f
即：
0.023 f
d
(
du
)0.8
(1)直列 (2)正三角形错列 (3)正方形错列
（1）、流体在单管外强制对流
当Re=8～103时
当Re＝103～2×105时
Nu
0.5 Re0.5
Pr
0.38
(
Pr Prw
) 0.25
Nu
0.25
Re0.6
Pr0.38 (
Pr Prw
)0.25
（2）、流体在管束外强制对流
Nu cRenPr0.4
式中常数c、ε、n与管束的排列方式、管子所在位置有关。 整个管束的平均传热系数为：
化工原理上考研精 品课程对流传热
4.3.1 对流传热分析
（1）流体主流：由于流体内漩涡丛生，流体各部分激烈混合，所以传热热阻 很小，横向（径向）的温度趋于一致； （2）层流底层：传热以导热方式进行的，流体膜虽薄，却是对流传热的主要 热阻所在，温度降也主要集中在层流底层中。温度分布为一直线； （3） 过渡区：温度分布为一曲线
Gr gtl3 2 2
表示自然对流对对流传热的影响
注意： a. 应用范围：各准数关联式都有一定适用范围（实验范围），外推是不可靠的； b. 定性温度：流体和传热面的温度是沿程变化的，流体物性也是变化的； c. 特性尺寸：传热面几何因素有时很复杂，选取起决定作用的几何参数作特征尺寸。
4.3.5 对流传热系数经验关联式
(4)、流体在圆形弯管内的流动
＝
1
1.77d R
R—圆形弯管的曲率半径
(5)、流体在非圆形直弯管内的强制对流
de
4 流体流动截面积 润湿周边
0.023
d
deu实
0.8
c p
n
2、管外强制对流
工业上常见的是在换热器内流体横向流过管束的情况
流体在管外垂直流过时的传热系数沿管表面的变化
(Cp
)n
f
1
6 105 Re1.8
(3)、流体在圆形直管内强制层流
0.14
Gr
25000,Nu
1.8（6 Re Pr
d l
)1/ 3
W
当壁温不好测量时,取
液体被加热： W
0.14
＝1.05
液体被冷却： W
0.14
＝0.95
气体 :
W
0.14
1.0
Gr 25000,不能忽略自然对流传热,加校正因子:f 0.8 1 0.015Gr1/3
有相变的α值比无相变时大很多
获得的主要方法：
理论分析法 解析求解、数值求解
实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。
定理：
无 因 次 数 群 个 数 变 量 数 基 本 因 次 数
基本因次有4个：长度m，时间s，质量kg，温度K
无相变时变量数有8个： f (u, ,l, , , cp , gt)
4.3.3 对流传热速率方程（牛顿冷却定律）
假设： （1）热流体温度T和固体壁面温度TW之差全部集中在厚度δt的有效膜层内； （2）穿过有效膜的传热方式仅为热传导。
ｙ
流体
•T
•
t
TW
温度
根据傅立叶定律，有：
dQ 1dA1(T Tw ) /t`
令1
t
—对流传热系数,W
/(m2.K )
dQ 1dA1(T
准数的物理意义 准数名称
符号
意义
努塞尔准数(Nusselt number) 雷诺准数(Reynolds number) 普兰特准数(Prandtl number) 格拉斯霍夫准数(Grashof number)
Nu
l
Re
lu
Pr
Cp
表示对流传热系数的准数
表示流体的流动状态和湍动程度对 对流传热的影响 表示流体物性对对流传热的影响
无相变时变量8个，基本因次4个，由π定理无因次准数n=8-4=4个
l
f
( ul
, cp
,
gtl3 2
2
)
当强制对流传热时：Nu f Re, Pr
当仅为自然对流传热时：Nu f Gr , Pr
Nu l
Pr c p
Re ul
或 Gr
tgl 3 2 2
对流传热准数表示式：Nu f Re, Pr,Gr
4.3.2 对流传热的分类
自然对流－ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体内部存在温度差而产生内循环 • 无相变
强制对流－流体在外力作用下强制流动引起的传热
蒸汽冷凝传热 • 有相变
液体沸腾传热
设a处密度为ρ，b处的密度为ρ′
＝ 1＋Δ
t
a、b两点的压力差
p＝gL
gL
gLt 1＋t
p
gLt 1＋t
Lgt
环流速度： p u2 ,u L gt 2
传热系数推动力
Q At t t
1 A
R
常见流体流动类型α的大致范围
传热类型
α/ W·(m2·K)-1
传热类型
α/ W·(m2·K)-1
空气自然对流 空气强制对流 水自然对流 水强制对流 有机液体强制对流
5～25 30～300 200～1000 1000～8000 500～1500
水蒸气冷凝 有机蒸汽冷凝
强制对流：Nu f Re, Pr 自然对流：Nu f Gr , Pr
一、流体无相变时的对流传热系数
1、流体在管内强制对流
(1)、流体在圆形直管内强制湍流
Nu 0.023R e0.8 Prn
或
0.023 d
du
0.8
c p
n
0.4----流体被加热
n
0.3----流体被冷却
讨论：（a）适用范围：Re>104,0.7<Pr<160，低粘度μ；特性尺寸：管内径d；
5000～15000 500～3000
1500～30000 500～15000
4.3.4 影响对流传热系数的因素
• 流体类型与物性：ρ，μ，λ，Cｐ • 流体的流动状态 ：湍流、层流 、过渡流
• 传热面特性尺寸：形状（如圆管、平板、管束）、大小（如管长l、管径d等）
以及位置等 • 对流流动的起因 ：强制对流：流速u；自然对流：浮升力βg△t • 流体的相变化：蒸汽的冷凝，液体的沸腾等；
Tw )
T Tw
1 1dA1
t1 R1
热流体被冷却，从热流体主体向固体 壁面的对流传热。
dQ
2dA2 (tw
t)
tw t
1 2dA2
t2 R2
冷流体被加热，从固体壁面向冷流体 主体的对流传热。
上两式称为对流传热速率方程，也称为牛顿冷却定律
dQ
dAt
t
1 dA
t R
传热推动力 传热热阻
定性温度：流体平均温度，t=(t1+t2)/2,T=(T1+T2)/2；
（b）高粘度流体：
0.027
d
du
0.8
P 0.33 r
W
0.14
被加热 W 0.14＝1.05,被冷却 W 0.14＝0.95
(2)、流体在圆形直管内强制过渡流
过 湍 f
即：
0.023 f
d
(
du
)0.8
(1)直列 (2)正三角形错列 (3)正方形错列
（1）、流体在单管外强制对流
当Re=8～103时
当Re＝103～2×105时
Nu
0.5 Re0.5
Pr
0.38
(
Pr Prw
) 0.25
Nu
0.25
Re0.6
Pr0.38 (
Pr Prw
)0.25
（2）、流体在管束外强制对流
Nu cRenPr0.4
式中常数c、ε、n与管束的排列方式、管子所在位置有关。 整个管束的平均传热系数为：
化工原理上考研精 品课程对流传热
4.3.1 对流传热分析
（1）流体主流：由于流体内漩涡丛生，流体各部分激烈混合，所以传热热阻 很小，横向（径向）的温度趋于一致； （2）层流底层：传热以导热方式进行的，流体膜虽薄，却是对流传热的主要 热阻所在，温度降也主要集中在层流底层中。温度分布为一直线； （3） 过渡区：温度分布为一曲线
Gr gtl3 2 2
表示自然对流对对流传热的影响
注意： a. 应用范围：各准数关联式都有一定适用范围（实验范围），外推是不可靠的； b. 定性温度：流体和传热面的温度是沿程变化的，流体物性也是变化的； c. 特性尺寸：传热面几何因素有时很复杂，选取起决定作用的几何参数作特征尺寸。
4.3.5 对流传热系数经验关联式
(4)、流体在圆形弯管内的流动
＝
1
1.77d R
R—圆形弯管的曲率半径
(5)、流体在非圆形直弯管内的强制对流
de
4 流体流动截面积 润湿周边
0.023
d
deu实
0.8
c p
n
2、管外强制对流
工业上常见的是在换热器内流体横向流过管束的情况
流体在管外垂直流过时的传热系数沿管表面的变化
(Cp
)n
f
1
6 105 Re1.8
(3)、流体在圆形直管内强制层流
0.14
Gr
25000,Nu
1.8（6 Re Pr
d l
)1/ 3
W
当壁温不好测量时,取
液体被加热： W
0.14
＝1.05
液体被冷却： W
0.14
＝0.95
气体 :
W
0.14
1.0
Gr 25000,不能忽略自然对流传热,加校正因子:f 0.8 1 0.015Gr1/3
有相变的α值比无相变时大很多
获得的主要方法：
理论分析法 解析求解、数值求解
实验法： 半理论半经验方法，是目前的主要方法。
定理：
无 因 次 数 群 个 数 变 量 数 基 本 因 次 数
基本因次有4个：长度m，时间s，质量kg，温度K
无相变时变量数有8个： f (u, ,l, , , cp , gt)
4.3.3 对流传热速率方程（牛顿冷却定律）
假设： （1）热流体温度T和固体壁面温度TW之差全部集中在厚度δt的有效膜层内； （2）穿过有效膜的传热方式仅为热传导。
ｙ
流体
•T
•
t
TW
温度
根据傅立叶定律，有：
dQ 1dA1(T Tw ) /t`
令1
t
—对流传热系数,W
/(m2.K )
dQ 1dA1(T
准数的物理意义 准数名称
符号
意义
努塞尔准数(Nusselt number) 雷诺准数(Reynolds number) 普兰特准数(Prandtl number) 格拉斯霍夫准数(Grashof number)
Nu
l
Re
lu
Pr
Cp
表示对流传热系数的准数
表示流体的流动状态和湍动程度对 对流传热的影响 表示流体物性对对流传热的影响
无相变时变量8个，基本因次4个，由π定理无因次准数n=8-4=4个
l
f
( ul
, cp
,
gtl3 2
2
)
当强制对流传热时：Nu f Re, Pr
当仅为自然对流传热时：Nu f Gr , Pr
Nu l
Pr c p
Re ul
或 Gr
tgl 3 2 2
对流传热准数表示式：Nu f Re, Pr,Gr
4.3.2 对流传热的分类
自然对流－ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体内部存在温度差而产生内循环 • 无相变
强制对流－流体在外力作用下强制流动引起的传热
蒸汽冷凝传热 • 有相变
液体沸腾传热
设a处密度为ρ，b处的密度为ρ′
＝ 1＋Δ
t
a、b两点的压力差
p＝gL
gL
gLt 1＋t
p
gLt 1＋t
Lgt
环流速度： p u2 ,u L gt 2
传热系数推动力
Q At t t
1 A
R
常见流体流动类型α的大致范围
传热类型
α/ W·(m2·K)-1
传热类型
α/ W·(m2·K)-1
空气自然对流 空气强制对流 水自然对流 水强制对流 有机液体强制对流
5～25 30～300 200～1000 1000～8000 500～1500
水蒸气冷凝 有机蒸汽冷凝
强制对流：Nu f Re, Pr 自然对流：Nu f Gr , Pr
一、流体无相变时的对流传热系数
1、流体在管内强制对流
(1)、流体在圆形直管内强制湍流
Nu 0.023R e0.8 Prn
或
0.023 d
du
0.8
c p
n
0.4----流体被加热
n
0.3----流体被冷却
讨论：（a）适用范围：Re>104,0.7<Pr<160，低粘度μ；特性尺寸：管内径d；