45对流传热系数详解
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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
1 蒸汽冷凝
（1）冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝 滴>膜
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
定性温度：膜温 t ts tW 2
4-89
b）竖壁或竖管上的冷凝
1
层流
rr 2 gl3
1.13
4
mlDt
或 * 1.88Re1/ 3
适用条件：Re<2100
湍流
1
0.068
rr 2 gl3
3
mlDt
或 0.0077Re0.4
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，
c）不凝气体
不凝气体存在，导致 ，定期排放。
d）蒸汽流速与流向 （u>10m/s ）
同向时， ；反向时， ； u
e）蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。
f）冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽； 水平管束：可采用错列
2 液体沸腾
沸腾种类: 大容积沸腾(池内沸腾) 管内沸腾
”
流体无相变时，对流传热系数的关联式
(1) 流体在管内作强制对流
Nu 0.023Re0.8 Prn 或
0.023
l di
(
d
iur m
)0.8
cpm l
n
最常用 ! 注意应用范围! P248
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:
其余物性取液膜平均温度（膜温 ）。
Re的校核：
定义冷凝负荷M为单位长度润湿周边上的冷凝液质量流量。
q
b
M m b
4A
d
e
b
ur
q m
A
A
4
A
q m
Re bA4q m源自4Mmbm m
（4）冷凝传热的影响因素和强化措施
a）流体物性
冷凝液rm ， ；冷凝液l，；潜热r ，
b）温差
液膜层流流动时，Dt=ts－tW，，
4.5 对 流 传 热 系 数 (P244)
一、影响对流传热系数的因素
1）流体种类和相变化的情况
蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 > 无相变
2）流体的特性 导热系数、粘度、体积膨胀系数。 3）流体的温度 4）流体的流动状态
层流、湍流 湍 > 层
5）流体流动的原因 自然对流—靠温度差而流动 强制对流—由于外力的作用迫使流体流动
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
（2） 冷凝过程的热阻：液膜的厚度 （3） 蒸汽冷凝的 ：
a) 水平管束外
1
0.725
r 2 grl3 m n d 2/ 3 Dt
o
4
式中 n——水平管束在垂直列上的管子数； r——汽化潜热（ts），kJ/kg。 特性尺寸l：管外径do
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)
tm=(tw+t)/2
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。
d）稳定膜状沸腾 250C > Dt>25C
工业上：核状沸腾 优点：大，tW小 观看动画：
气泡的产生过程.swf
（3）沸腾传热的影响因素及强化措施 a）液体的性质
l , r , m ,
强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等） b）温差
在核状沸腾阶段温差提高，
c）操作压强
p ts m
三、无相变时对流表面传热系数的计算：
（1）在定性实验的基础上列出所有影响因素
=f[m, l, cp, r, (bgDt), u, l]
（2）列出各物理量的量纲
—MS-3T-1 m—MS-1L-1
l—MLS-3T-1 r—ML-3 u—LS-1 cp—L2S-2T-1 bgDt—S-2L l—L
（3）建立特征数方程（幂函数）
d）加热面
新的、洁净的、粗糙的加热面，大
—伯金汉p定理；
（2）无量纲特征数均有一定的物理意义；
几个特征数的物理意义：
Nu l l
-----努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比
Pr c pm l
-----普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的Pr<1，液体的Pr>1
Re rul m
或Gr
bDtgl3r 2 m2
------格拉晓夫数Gr是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的“雷诺数
=Amalbcpcrd(bgDt)euflg
MS-3T-1=(MS-1L-1)a(MS-3T-1L)b(L2S-2T-1)c (ML-3)d(S-2L)e(LS-1)fLg
比较指数，得：
a b d 1
a 3b 2c 2e f 3 b c 1
设e、c、f
为已知
a b 2c 3d e f g 0
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
(
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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
1 蒸汽冷凝
（1）冷凝方式：滴状冷凝和膜状冷凝 滴>膜
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
定性温度：膜温 t ts tW 2
4-89
b）竖壁或竖管上的冷凝
1
层流
rr 2 gl3
1.13
4
mlDt
或 * 1.88Re1/ 3
适用条件：Re<2100
湍流
1
0.068
rr 2 gl3
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或 0.0077Re0.4
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，
c）不凝气体
不凝气体存在，导致 ，定期排放。
d）蒸汽流速与流向 （u>10m/s ）
同向时， ；反向时， ； u
e）蒸汽过热 包括冷却和冷凝两个过程。
f）冷凝面的形状和位置 目的：减少冷凝液膜的厚度 垂直板或管：开纵向沟槽； 水平管束：可采用错列
2 液体沸腾
沸腾种类: 大容积沸腾(池内沸腾) 管内沸腾
”
流体无相变时，对流传热系数的关联式
(1) 流体在管内作强制对流
Nu 0.023Re0.8 Prn 或
0.023
l di
(
d
iur m
)0.8
cpm l
n
最常用 ! 注意应用范围! P248
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:
其余物性取液膜平均温度（膜温 ）。
Re的校核：
定义冷凝负荷M为单位长度润湿周边上的冷凝液质量流量。
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M m b
4A
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4
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Re bA4q m源自4Mmbm m
（4）冷凝传热的影响因素和强化措施
a）流体物性
冷凝液rm ， ；冷凝液l，；潜热r ，
b）温差
液膜层流流动时，Dt=ts－tW，，
4.5 对 流 传 热 系 数 (P244)
一、影响对流传热系数的因素
1）流体种类和相变化的情况
蒸汽冷凝、液体沸腾 相变 > 无相变
2）流体的特性 导热系数、粘度、体积膨胀系数。 3）流体的温度 4）流体的流动状态
层流、湍流 湍 > 层
5）流体流动的原因 自然对流—靠温度差而流动 强制对流—由于外力的作用迫使流体流动
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
（2） 冷凝过程的热阻：液膜的厚度 （3） 蒸汽冷凝的 ：
a) 水平管束外
1
0.725
r 2 grl3 m n d 2/ 3 Dt
o
4
式中 n——水平管束在垂直列上的管子数； r——汽化潜热（ts），kJ/kg。 特性尺寸l：管外径do
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)
tm=(tw+t)/2
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。
d）稳定膜状沸腾 250C > Dt>25C
工业上：核状沸腾 优点：大，tW小 观看动画：
气泡的产生过程.swf
（3）沸腾传热的影响因素及强化措施 a）液体的性质
l , r , m ,
强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等） b）温差
在核状沸腾阶段温差提高，
c）操作压强
p ts m
三、无相变时对流表面传热系数的计算：
（1）在定性实验的基础上列出所有影响因素
=f[m, l, cp, r, (bgDt), u, l]
（2）列出各物理量的量纲
—MS-3T-1 m—MS-1L-1
l—MLS-3T-1 r—ML-3 u—LS-1 cp—L2S-2T-1 bgDt—S-2L l—L
（3）建立特征数方程（幂函数）
d）加热面
新的、洁净的、粗糙的加热面，大
—伯金汉p定理；
（2）无量纲特征数均有一定的物理意义；
几个特征数的物理意义：
Nu l l
-----努塞尔数，表示导热热阻与对流热阻之比
Pr c pm l
-----普朗特数，反映物性的影响。 一般地，气体的Pr<1，液体的Pr>1
Re rul m
或Gr
bDtgl3r 2 m2
------格拉晓夫数Gr是雷诺数的一种 变形，相当于自然对流时的“雷诺数
=Amalbcpcrd(bgDt)euflg
MS-3T-1=(MS-1L-1)a(MS-3T-1L)b(L2S-2T-1)c (ML-3)d(S-2L)e(LS-1)fLg
比较指数，得：
a b d 1
a 3b 2c 2e f 3 b c 1
设e、c、f
为已知
a b 2c 3d e f g 0