化工原理传热2

4.3.2对流传热速率方程和表面传热系数（1）牛顿冷却定律热流体冷流体thtcth,wtc,wΦΦ

流体通过间壁的热交换th1th2tc1tc2说明：①实验定律；②对壁两侧流体(冷、热)均适用。热流体：冷流体：

③h是计算关键，一般由实验测定。（2）对流传热过程的简化模型①真实模型流体主体→过渡层→层流内层对流对流，导热导热

研究方法：计算各层的热流量。thmtcmδL1thwδL2δ1‘δ2‘tCW②简化模型

有效膜（虚拟膜）：集中全部温差，以热传导方式传热。优点：对流传热问题→导热问题代价：动力消耗↑。4.4表面传热系数的经验关联4.4.1影响表面传热系数的因素

（2）流体流动原因

强制对流：外部机械作功，一般流速较大，h也较大。

自然对流：由流体密度差造成的循环过程,

一般流速较小，h也较小。（1）流体流动状态（3）流体的物理性质

定性温度：计算表面传热系数的特征温度一般，（4）传热面的形状、位置和大小壁面的形状，尺寸，位置、管排列方式等，造成边界层分离，增加湍动，使h增大。（5）相变化的影响有相变传热：蒸汽冷凝、液体沸腾，无相变传热：强制对流、自然对流，

一般地，有相变时表面传热系数较大。例：水强制对流，蒸汽冷凝，4.4.2无相变化时对流传热过程的量纲分析（1）量纲分析过程①优点：减少实验次数；②依据：物理方程各项量纲一致；③步骤：（a）通过理论分析和实验观察，确定相关因素；（b）构造函数形式；（c）列出量纲指数的线性方程组（M、L、T、）；（d）规定已知量（指数），确定余下指数表达式；（e）整理特征数方程形式。注意：（1）适用范围不能超出适用范围（2）定性温度

（3）特征尺寸

d;de（4）计量单位统一单位制①努赛尔数说明：

▲反映对流传热的强弱，包含表面传热系数；

▲努赛尔数恒大于1。

说明：反映流动状态对h

的影响。l：特征尺寸，平板——流动方向的板长；管——管径或当量直径；（2）特征数的物理意义②雷诺数

③普朗特数说明：▲

反映流体物性对传热的影响。▲反映热扩散和动量扩散的相对大小。▲反映流动边界层和热边界层的相对厚度。使用时注意：

*查取定性温度下的物性；*计算所用单位，SI制。说明：反映自然对流的强弱程度。

④格拉晓夫数（浮升力特征数）强制对流自然对流混合对流10210310410510100200230010210310410Gr/Pr=1

管内强制对流Nu/Pr0.4与Re的关系Nu/Pr0.4Re14.4.3

无相变化的对流传热（1）管内强制对流传热一般关系式：传热流动状态划分（区别于流体流动时规律）①流体在圆形直管内湍流时的表面传热系数a)一般流体流动状态不同，则c、m、n

值不同流体被加热，n=0.4流体被冷却，n=0.3定性温度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管内径di保证流体达到传热湍流；适用条件：说明：避开传热进口段，保证稳态传热。传热进口段：传热正在发展，h不稳定(随管长增加h减小)OxNux或hxNuxhx

Nux或hx的变化趋势tc,Wtc,Wxentt(r,x)充分发展了的边界层

层流情况下流体在管内温度分布进口段温度分布和局部表面传热系数的变化传热进口段长度：进口到传热边界层汇合点间的长度。说明：经验公式，有一定误差。b)

粘度较大流体近似取：适用条件：

定性温度：tm=(t1+t2)/2

特征尺寸：管内径dic)流体流过短管（l/d<50）影响：处于传热进口段，表面传热系数较大。计算：采用以上各式计算h，并加以校正。

d)圆形直管内过渡流时表面传热系数

计算：采用湍流公式，但需加以校正。说明：设计换热器时，一般避免过渡流。107

过渡状态的传热103102l/d=500.0011041051060.0020.010.1400200100

e)圆形直管内强制层流

特点：1）传热进口段的管长所占比例较大；

2）热流方向不同，也会影响；

3）自然对流的影响，有时不可忽略。定性温度：tm=(t1+t2)/2

；特征尺寸：管内径di。

适用条件：

f)圆形弯管内的强制对流特点：离心力使径向压力不均，产生二次环流；

结果：流体湍动程度增加，使h增加；

同时，流动阻力损失增加。

g)非圆形管内强制对流

★

采用圆形管内相应的公式计算，

但特征尺寸采用当量直径。

★

最好采用专用、经验公式。如：套管环隙R

弯管内流体的流动d式中：

②管外强制对流

a)流体横向流过单管A

流体横向流过单根圆管外时流动情况表面传热系数分布

1）低雷诺数（70800~101300）φ=0~80°，层流边界层厚度增大使h↓，φ>80°，边界层分离，使h↑，有一个最低点。

2）高雷诺数（140000~219000）有两个最低点：

N01：φ=70~80°，层流边界层→湍流边界层；

N02：φ=140°（分离点），发生边界分离。400300200100500800700600160o120o40o0o80oΦNu不同Re下流体横向流过圆管时局部努塞尔数的变化Reф=21900018600014000010130070800170000常数C、指数n见下表沿整个管周的平均表面传热系数：ReCn0.4~44~4040~40004000~4000040000~4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805特征尺寸：管外径

◆

管束的排列方式

直列（正方形）、错列（正三角形）b)流体横向流过管束的表面传热系数x2x1d直列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意x1x2d错列管束中管子的排列和流体在管束中运动特性的示意直列第一排管直接冲刷；第二排管不直接冲刷，扰动减弱；第二排管以后基本恒定。错列第一排管错列和直列基本相同；

第二排管错列和直列相差较大，阻挡减弱，冲刷增强；

第三排管以后基本恒定。x2x1dx1x2d◆

各排管h的变化规律0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦNu2.01.8150o180o0o90o180oΦ直列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）123~7Nu0.80.60.40.21.01.61.41.2120o90o30o0o60oΦ2.01.8150o180o0o90o180oΦ错列管束中，不同排数的圆管上局部hφ沿周向的变化（Re=1.4×104，空气）

可以看出，错列传热效果比直列好。◆传热系数的计算方法

任一排管子：C、ε、n

取决于管排列方式和管排数。特征尺寸：管外径适用范围：

c)流体在列管换热器管壳间的传热装有圆缺折流板的列管换热器

圆缺折流板管板折流挡板：

壳程流体的流动方向不断改变，较小Re（Re=100），即可达到湍流。缺点：流动阻力↑，壳程压降↑的重要因素。作用：●提高湍动程度，↑h，强化传热；

●加固、支撑壳体。

圆缺折流板示意图管板10102103104101021管壳式换热器表面传热系数计算曲线ReNuPr有折流挡板时壳程流体表面传热系数：挡板切割度：25%D。特征尺寸：流道的当量直径。正方形排列dot也可采用关联式：正三角形排列流速的确定：按最大流通截面(最小流速)计算。DS1S2B

说明：无折流板时，流体平行流过管束，按管内公式计算，特征尺寸为当量直径。dot(3)自然对流传热温度差引起流体密度不均，导致流体流动。分类：大空间自然对流传热：边界层发展不受限制和干扰。

有限空间自然对流传热：边界层发展受到限制和干扰。大空间自然对流传热：大空间内流体沿垂直壁面进行自然对流：竖直壁面上表面传热系数的分布近壁处温度与流速的分布

沿竖壁自然对流的流动和换热特征00表面传热系数的求取：①查图求解1.61.20.80.02.03.22.82.464-120.4121080流体沿垂直壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)1.20.80.4-0.41.63.22.82.020-5-10.0864-3流体沿水平壁面作自然对流时lg(Nu)与lg(GrPr)的关系曲线lg(GrPr)lg(Nu)大空间内流体沿垂直或水平壁面进行自然对流传热时：定性温度：膜温定型尺寸：竖板，竖管，L；水平管，外径do影响因素：物性，传热面积、形状、放置方式；系数C和指数n的取值见下表：②经验关联doL传热面的形状及位置GrPrCn特征长度垂直的平板及圆柱面10-1~104104~109109~1013查图4.1.15(a)0.590.1查图4.1.15(a)1/41/3高度L水平圆柱面0~10-510-5~104104~109109~10110.4查图4.1.15(b)0.530.130查图4.1.15(b)1/41/3外径d0水平板热面朝上或水平板冷面朝下2×104~8×1068×106~10110.540.151/41/3矩形取两边平均值圆盘0.9d

狭长条取短边水平板热面朝下或水平板冷面朝上105~10110.581/5有相变对流传热的特点①相变过程中产生大量相变热（潜热）；例：水4.4.4有相变化的对流传热②相变过程有其特殊传热规律，传热更为复杂；③分为蒸汽冷凝与液体沸腾两种情况。(1)蒸汽冷凝机理

优点：饱和蒸汽具有恒定的温度，操作时易于控制蒸汽冷凝的表面传热系数较大。冷凝方式：①膜状冷凝凝液呈液膜状（附着力大于表面张力），热量：蒸汽相→液膜表面→固体壁面。②滴状冷凝凝液结为小液滴（附着力小于表面张力），有裸露壁面，直接传递相变热。比较两种冷凝方式的表面传热系数

h滴状冷凝＞h膜状冷凝，相差几倍到几十倍，但工业操作上，多为膜状冷凝。膜状冷凝滴状冷凝(2)膜状冷凝表面传热系数

①努塞尔方程的理论推导研究：垂直管外或壁面的膜状冷凝；方法：真实模型→简化模型→数学模型求解。◆膜状冷凝的真实过程hx③

汽、液相物性为常数，壁面温度恒定，膜表面温度t