对流传热系数影响因素
化工原理对传热系数关联式讲义
)0.5
Re
0.8
Pr
1 3
de d1
适用范围： 12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
返回
例14题4.5.1 一列管式换热器，由38根25×2.5mm的无缝钢管组 成，苯在管内流动，由20℃加热到80 ℃，苯的流量为 8.32kg/s，外壳中通入水蒸气进行加热，求： （1）管壁对苯的对流传热系数； （2）管子换为19×2mm，管壁对苯的对流传热系数； （3）当苯的流量提高一倍，对流传热系数变化如何？
一、流体在管内的强制对流
1．圆形直管内的湍流
适用范围：
Nu 0.023Re0.8 Prn
0.023 ( du )0.8 ( cp )n
d
Re>10000，0.7<Pr<160，<2mPa.s，l/d>60
定性温度:
tm
t1
t2 2
特征尺寸: 管内径di
返回
9 流体被加热时，n＝0.4；
被冷却时，n＝0.3。
名称 努赛尔特准数
雷诺准数 普朗特准数
格拉斯霍夫准数
准数式
Nu l
Re duρ μ
Pr cp
Gr
l3 2 gt 2
意义
表示对流传热系数的准数
表示流体的流动状态和湍流程 度对对流传热的影响
表示流体物性对对流传热的影 响
表示自然对流对对流传热的影 响
各准数之间的关系 Nu C Rea Prk Gr g
返回
44.5.2 对流传热过程的量纲分析
一、因次分析 ＝f(u，l，，，cp，，gt)
式中 l——特性尺寸； u——特征流速。
4-5_对流传热系数关联式
知识点4－5 对流传热系数关联式【学习指导】1．学习目的通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。
理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。
2．本知识点的重点对流传热系数的影响因素及因次分析法。
3．本知识点的难点因次分析法。
4．应完成的习题4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。
两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。
当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。
假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。
4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。
已知α为下列变量的函数：4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。
空气在换热器的管内湍流流动。
压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。
现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。
假设管壁和污垢热阻可忽略。
4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。
4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。
4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。
换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。
列管外壁面温度为94℃。
试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。
换热器的热损失可以忽略。
4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。
对流换热系数的影响因素
对流换热系数的影响因素
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递方式。
其中，对流换热系数是一个关键参数，用于描述热量传递的效率。
对流换热系数受许多因素影响，下面让我们具体来看看这些因素。
1. 流体性质：流体的密度、粘度、热导率、比热容等性质对对流换热系数的影响较大。
一般来说，流体的密度和比热容越大，对流换热系数越小，而粘度和热导率越大，对流换热系数越大。
2. 流动状态：流动状态对对流换热系数的影响主要表现在雷诺数上。
当雷诺数较小时，流体的流动状态为层流，对流换热系数较低；而当雷诺数较大时，流体的流动状态为湍流，对流换热系数较高。
3. 流动方向：流体流动方向对对流换热系数也有影响。
例如，在水平管道中，流体的对流换热系数比竖直管道中的大；另外，如果流体的流动方向与壁面的角度不同，对流换热系数也会有不同的变化。
4. 壁面形状：壁面形状对换热系数也有明显的影响。
一般来说，壁面越粗糙，对流换热系数就越大；反之，壁面越光滑，对流换热系数就越小。
此外，壁面凸度的改变也会影响对流换热系数。
5. 流体入口速度：流体入口速度对对流换热系数也有影响。
当流体入口速度增加时，对流换热系数会增加，主要是因为流体的对流和湍流增强。
以上就是对流换热系数的影响因素。
在实际工程中，我们需要结合具体情况，选择合适的流体和换热器结构，以提高对流换热系数，从而提高热量传递效率。
同时，我们也要进一步深入研究对流换热机理和影响因素，以推动对流换热领域的发展和应用。
对流传热系数的影响因素
L 60 di
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。
2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
2019/10/15
Nu
1.86Re
1 3
Pr
1 3
di L
1
3
w
0.1 4
的算术平均值。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
2019/10/15
管子呈正方形排列时： de
4
t2
0.785d02
d0
管子呈三角形排列时：
de
4
2 3
t
2
4
d
2 0
d 0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
A hD1 d0 t
d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所遮
盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。 e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。
例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。
冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。
2019/10/15
2019/10/15
2、液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
1）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随
温度升高较慢。
当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为气化核心。气泡产生的速度△t随上升而增加， α
对流与对流传热系数
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
5
准数的符号与意义
准数名称
符号
准数式
意义
努塞尔特准数 Nusselt
Nu
L/
表示对流传热 系数的准数
雷诺准数 Reynolds
Re
Lu/
确定流动状态 的准数
普兰特准数 Prandtl
1.05
w
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
9பைடு நூலகம்
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
p227式5-70
Department of Chemical and Environmental Engineering CTGU Lai Qingke
Pr
cp /
表示物性影响 的准数
格拉斯霍夫准数 Grashof
Gr
g△tL3 2/2
表示自然对流 影响的准数
L—传热面的特征尺寸 m
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素
对流传热系数关联式对流传热系数的影响因素————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：1-2-4 对流传热系数关联式一、对流传热系数的影响因素实验表明，影响对流传热系数的因素主要有：1、流体的种类和相变化的情况2、流体的特性：1）流体的导热系数λ；2）粘度μ3）比热容ρc p 、密度ρ：ρc p 代表单位体积流体所具有的热容量。
4）体积膨胀系数β：t V V V ∆-=112β 3、流体的流动状态层流和湍流的传热机理有本质区别：层流时，传热只是依靠分子扩散作用的热传导，故h 就较湍流时为小；湍流时，湍流主体的传热为涡流作用的热对流，但壁面附近层流内层中为热传导，涡流使得层流内层的厚度减薄，温度梯度增大，故h就增大。
湍流时的对流系数较大。
4、流体流动的原因自然对流和强制对流的流动原因不同。
强制对流：设ρ1和ρ2分别代表温度为t1和t2两点的密度，则流体因密度差而产生的升力为(ρ1-ρ2)g。
若流体的体积膨胀系数为β，单位为1/℃，并以Δt代表温度差(t2-t1)，则可得ρ1=ρ2(１＋βΔt）于是每单位体积的流体所产生的升力为：（ρ1-ρ2）g=[ρ2（１＋βΔt）－ρ2]g= ρ2gβΔt 强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。
强制对流的对流系数大得多。
5、传热面的形状、位置和大小传热管、板、管束等不同的传热面的形状;管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h 值。
表示传热面的形状、位置和大小的尺寸称为特征尺寸，用l 表示所以，h 可以用下式表示:h=f （μ，λ，c p ，ρ，u ，ρgβΔt ，l ） （1）二、因次分析对流体无相变化的对流传热进行因次分析，得到的准数关系式为:c b p a tl g c u l K l )()()(223μρβλμμρλα∆= （2）式（2）中各准数名称、符号和意义列于下表中。
上4章传热7第五节对流传热系数关联式1
Re>10000
L/di<60，要乘以 [1 (d i / L)
] 进行校正。
⒉ 高 液体 西德尔-塔特式：
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
Nu 0.027 Re
0.8
Pr
1/ 3
( / w )
0.14
(4-71)
被加热1.05 被冷却0.95
液 气 1.0
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
①流体平均温度 用的最多，t = (t1+t2)/2
②壁面的平均温度 tw 需试差，极少用
③流体和壁面的平均温度（膜温）
有用 tm= (tw +t)/2 = [ tw +征尺寸
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
除w用tw，用t =(t1+t2)/2
15
(三)流体在圆形直管中做过渡流 2300<Re<10000 先用强制湍流的公式计算，然后乘以校正系数φ。
中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 化 工 系
1 (6 10 ) /( Re ) (φ<1)(4-73)
5 1.8
(四)流体在弯管内做强制对流 弯管轴的弯曲半径使流体在弯 管内流动时，由于惯性离心力的作
的 / 较大时，自然对流对强制滞流的影响可以忽 略，用西德-塔特式：
Nu 1.86 Re
特征尺寸
1/ 3
Pr
1/ 3
(d i / L) ( / w )
1/ 3
0.14
(4-72)
圆管内 di 10< di <40mm
应用范围
定性温度
对流传热系数的影响因素
2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2018/6/3
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。
ρcp 值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数 体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对流 。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
定性温度： 除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。 2) 流体在圆形直管内作强制滞流
当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对
强制滞流的传热的影响可以忽略时
2018/6/3
1 1 1 d i 3 N u 1.86 Re 3 Pr 3
L w
6、传热面的性状、大小和位置
2018/6/3
二、因次分析法在对流传热中的应用
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f (l，，，c p，，u， g t )
•确定无因次准数π的数目
i n m 84 4
2018/6/3
准数的符号和意义 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 准数式 意义 表示对流传热的系数 确定流动状态的准数
N u 0.027 Re Pr
u w
2018/6/3
0.8
0.23
0.14
u w
0.14
为考虑热流体方向的校正项。
应用范围： Re 1000, 0.7 Pr 16700 , 定性尺寸： 取为管内径di。
L 60 di
应用范围：
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2) 流体在圆形直管内作强制滞流 当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流
对强制滞流的传热的影响可以忽略时
2019/8/30
Nu 1.86Re13Pr13dLi 13w0.14
应用范围：R 2 e3 ,60 7 P 0 r 0 0 .0 6 ,G r 25 ,R e 0 P rd L i0 1 00 定性尺寸：管内径di。
流传热系数也愈大。 2）粘度
流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。 3）比热和密度
2019/8/30
ρcp：单位体积流体所具有的热容量。 ρcp值愈大，流体携带热量的能力愈强，对流传热的强 度愈强。 （4）体积膨胀系数
体积膨胀系数β值愈大，密度差愈大，有利于自然对 流。对强制对流也有一定的影响。
3、流体的温度 4、流体流动状态
d) 蒸汽中不凝气体含量的影响 蒸汽中含有空气或其它不凝气体，壁面可能为气体层所
遮盖，增加了一层附加热阻，使α急剧下降。 e)冷凝壁面的影响
若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜增厚，使传 热系数下降。
例如管束，冷凝液面从上面各排流动下面各排，使液膜 逐渐增厚，因此下面管子的α要比上排的为低。
冷凝面的表面情况对α影响也很大，若壁面粗糙不平或有 氧化层，使膜层加厚，增加膜层阻力，α下降。
Nu0.02R3e0.8Prn
或0.02d3du0.8Prn
当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。
2019/8/30
应用范围：R e10,0 0 .6 0P r012 ,管长0与管径比 l /di 60
若l / di＜60时， 将计算所得的α乘以 [1(di L)]0.7
准数名称
符号 准数式
意义
努塞尔特准数
l
（Nusselt）
Nu
表示对流传热的系数
雷诺准数
（Reynolds） Re
普兰特准数
（Prandtl）
Pr
格拉斯霍夫准数
（Grashof）
Gr
lu
确定流动状态的准数
cp
表示物性影响的准数
g tl 3 2
2
表示自然对流影响的准数
2019/8/30
c)蒸汽在水平管束外冷凝
1
0.725
r 2 g3
2
n 3 d0t
4
nmn10.n715nn220.75 nnzz0.75
2019/8/30
3）影响冷凝传热的因素
a）冷凝液膜两侧的温度差△t 当液膜呈滞流流动时，若△t加大，则蒸汽冷凝速率增加，
定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的 算术平均值。
当Gr 250时 00按，上式计算出α后，再乘以一校正因子
f 0.810.01G 5r13
2019/8/30
3）流体在圆形直管内呈过渡流 对于Re=2300~10000时的过渡流范围， 先按湍流的
公式计算α，然后再乘以校正系数f。
2019/8/30
2019/8/30
2、液体沸腾时的对流传热系数
液体沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
1）沸腾曲线 当温度差较小时，液体内部产生自然对流，α较小，且随
温度升高较慢。
当△t逐渐升高，在加热表面的局部位置产生气泡，该局 部位置称为气化核心。气泡产生的速度△t随上升而增加， α
急剧增大。称为泡核沸腾或核状沸腾。
热传导。
2019/8/30
1
0.943
g23r Ht
4
修正后
1
1.13
g23r Ht
4
应用范围： Re＜1800
定性尺寸： H取垂直管或板的高度。 定性温度： 蒸汽冷凝潜热r取其饱和温度t0下的值，其余物
性取液膜平均温度。
2019/8/30
对于大空间的自然对流，比如管道或传热设备的表面 与周围大气层之间的对流传热，通过实验侧得的c,n的值在 表4-9中。
定性温度 ：壁温tw和流体进出口平均温度的算术平均值，膜温。
2019/8/30
4、提高对流传热系数的途径
1）流体作湍流流动时的传热系数远大于层流时的传热系 数，并且Re↑，α↑，应力求使流体在换热器内达到湍流流动 。
3、应用准数关联式应注意的问题 1）定性温度：各准数中的物理性质按什么温度确定
2）定性尺寸：Nu，Re数中L应如何选定。
3）应用范围：关联式中Re,Pr等准数的数值范围。
2019/8/30
三、流体无相变时的对流传热系数
1、流体在管内作强制对流
1）流体在圆形直管内作强制湍流 a)低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体
注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。
2019/8/30
2）流体在换热器的管间流动 当管外装有割去25%直径的圆缺形折流板时， 壳方的对
流传热系数关联式为： a)多诺呼(Donohue)法
N u0.2R 30e.6P1r3(w)0.14
0.2d 3 o(do u)0.6(c p)13(w)0.14
4) 不论管内还是管外，提高流u都能增大对流传热系数， 但是增大u，流动阻力一般按流速的平方增加，应根据具 体情况选择最佳的流速。 5）除增加流速外，可在管内装置如麻花铁或选用螺纹管 的方法，增加流体的湍动程度，对流传热系数增大，但此 时能耗增加。
2019/8/30
四、流体有相变时的对流传热系数
1、蒸汽冷凝时的对流传热系数
临界温差，临界热通量和临界对流传热系数。 工业生产中，一般应维持在核状沸腾区域内操作 。
2019/8/30
2）沸腾传热系数的计算
0.0
2de dd120.53Re0.8Pr13
应用范围： Re=12000~220000，d1/d2=1.65~17
定性尺寸：当量直径de
定性温度： 流体进出口温度的算术平均值。
2019/8/30
2、流体在管外强制对流
2019/8/30
2019/8/30
1）流体在管束外强制垂直流动
2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数
0.02d3i diu0.8Prn
当n0.4时, 0.02C3p0.40.6u0.8
2019/8/30
α与流速的0.8呈正比，与管径的0.2次方呈反比， 在流体阻力允许的情况下，增大流速比减小管径对提高 对流传热系数的效果更为显著。
2019/8/30
管子呈正方形排列时：
de
4t20.78d502
d0
管子呈三角形排列时：
de 4
2 3
t2
4
d02
d0
管外流速可以根据流体流过的最大截面积S计算
AhD1d0
t
2019/8/30
3、自然对流
NuCGrPrn 或 Cl 2g3tl3Cpn
湍流的对流传热系数远比滞流时的大。
2019/8/30
5、流体流动的原因
强制对流：由于外力的作用
自然对流：由于流体内部存在温度差，使得各部分 的流体密度不同，引起流体质点的位移 单位体积的流体所受的浮力为：
1 2 g 2 1 t 2 g 2g t
2019/8/30
2019/8/30
2019/8/30
流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数
N u0.3R 30.6 eP0.3 r3
流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数
N u0.2R 60.6 eP0.r33
应用范围： Re＞3000
特征尺寸：管外径do，流速取流体通过每排管子中最狭窄 通道处的速度。其中错列管距最狭窄处的距 离应在（x1-do）和2（t-do）两者中取小者。
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
2019/8/30
2019/8/30
2）膜状冷凝的传热系数 a)蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝
假设： ① 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 ② 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 ③ 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。 ④ 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的
2019/8/30
1
de
0.36deu0.55Cp`3w0.1
4
应用范围： Re=2×103~106
定性尺寸： 当量直径de。 定性温度： 除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度
的算术平均值。
当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：
6、传热面的性状、大小和位置
2019/8/30
二、因次分析法在对流传热中的应用
•列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：
f( l， ， ， c p ， ， u ， g t)
•确定无因次准数π的数目
i n m 8 4 4
2019/8/30
准数的符号和意义
定性尺寸：Nu、Re等准数中的l取为管内径di。
定性温度：取为流体进、出口温度的算术平均值。
b) 高粘度的液体
Nu 0.02R7e0.8Pr0.23uw0.14
u w
0 .14
为考虑热流体方向的校正项。
2019/8/30
应用范围： Re 10, 0.70 P r16,7d 0 L i 0 60 定性尺寸： 取为管内径di。 定性温度：除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的
2019/8/30