精选化工原理第四章对流传热资料
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化工原理第四章传热过程
化工原理第四章传热过程1.传热的基本概念传热是指热量从高温物体传递到低温物体的过程。
在化工过程中，传热过程是非常重要的，它直接影响着反应速率、产品质量和能源消耗等因素。
传热主要有三种方式：导热、对流和辐射。
导热是指热量通过物体的传导方式传递，对流是指热量通过流体的对流方式传递，辐射是指热量通过热辐射的方式传递。
2.导热传热导热是物体内部由高温区向低温区传递热量的方式。
导热过程可以用傅里叶热传导定律来描述，该定律表明热量传递率与温度梯度成正比。
导热传热的速率还受到几个因素的影响，包括物体的导热系数、物体的表面积、热流经过的距离和温度差。
在化工过程中，常使用换热器来实现导热传热。
换热器一般由热源、冷源和传热介质组成，热源和冷源通过传热介质这一中介物交换热量。
3.对流传热对流是指热量通过流体的对流方式传递。
在化工过程中，常常通过对流传热来进行换热操作。
对流传热可以分为自然对流和强迫对流。
自然对流是指由于密度差异造成的流体运动，如热空气的上升和冷空气的下降。
强迫对流是通过外部力驱动，如泵或风扇。
对流传热的速率取决于许多因素，包括流体的传热系数、温度差、流体的速度和流体的性质等。
4.辐射传热辐射是指热量通过热辐射的方式传递。
辐射传热是无需介质的传热方式，可以在真空中进行。
辐射传热的速率取决于物体的发射率和吸收率、物体的表面积和温度差。
辐射传热的速率还受到物体的形状和表面粗糙度的影响。
在化工过程中，辐射传热常常会对反应器和催化剂起到重要的作用。
对于高温反应，辐射传热可以提供额外的能量，从而促进反应的进行。
5.传热设备的选型在化工过程中，根据具体的传热需求，需要选择适当的传热设备。
常见的传热设备包括换热器、热交换器和加热炉等。
选型传热设备时需要考虑多个因素，包括传热效率、设备成本、操作和维护的便利性以及安全性等。
总结：传热是化工过程中非常重要的一环，它直接影响着反应速率、产品质量和能源消耗等因素。
在传热过程中，导热、对流和辐射是主要的传热方式。
化工原理第四章传热
化工原理
4-2.2
平面壁的稳态热传导
t Q R
dt Q A d
单层平面壁的稳态热传导
t1
△t
1、过程分析 假设Ⅰ：一维稳态热传导，即t=f(x) 假设Ⅱ：无限大平壁 A 2、模型 Q (t t )
1 2
A
Q
t2
可改写为：
t t Q A R
Am,3 2 rm,3l
Ф
t4
数学模型
★
1 1 Am,1
t1
t4
其中，
t1
Am,1 2 rm,1l Am,2 2 rm,2l
rm ,1
t4 Ф
r r r2 r1 r r rm ,2 3 2 rm ,3 4 3 r r r4 ln 2 ln 3 ln r1 r2 r3
非稳态传热——传热面各点温度t、传热速率Q 、热通量q等 物理量不仅为位置的函数，同时也随时间而改变。 Q, q, t……=f (x,y,z, τ)
化工原理
等温面 在温度场中，温度相同的各点组成的面。
等温面
温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率。
t1>t2
对于一维稳定温度场， t=f(x),温度梯度表示为：
★ Q
t t t R 2 lrm Am
其中，
r2 r1 rm r ln 2 r1
Am 2 rml
rm——半径的对数平均值；当r2/r1<2时，rm≈ (r1+r2)/2
化工原理
多层圆筒壁的热传导
Q t1 t4 t t 3 2 R Am 2 Am,2 3 Am,3
dt grad (t ) d
4-2.2
平面壁的稳态热传导
t Q R
dt Q A d
单层平面壁的稳态热传导
t1
△t
1、过程分析 假设Ⅰ：一维稳态热传导，即t=f(x) 假设Ⅱ：无限大平壁 A 2、模型 Q (t t )
1 2
A
Q
t2
可改写为：
t t Q A R
Am,3 2 rm,3l
Ф
t4
数学模型
★
1 1 Am,1
t1
t4
其中，
t1
Am,1 2 rm,1l Am,2 2 rm,2l
rm ,1
t4 Ф
r r r2 r1 r r rm ,2 3 2 rm ,3 4 3 r r r4 ln 2 ln 3 ln r1 r2 r3
非稳态传热——传热面各点温度t、传热速率Q 、热通量q等 物理量不仅为位置的函数，同时也随时间而改变。 Q, q, t……=f (x,y,z, τ)
化工原理
等温面 在温度场中，温度相同的各点组成的面。
等温面
温度梯度 等温面法线方向上的温度变化率。
t1>t2
对于一维稳定温度场， t=f(x),温度梯度表示为：
★ Q
t t t R 2 lrm Am
其中，
r2 r1 rm r ln 2 r1
Am 2 rml
rm——半径的对数平均值；当r2/r1<2时，rm≈ (r1+r2)/2
化工原理
多层圆筒壁的热传导
Q t1 t4 t t 3 2 R Am 2 Am,2 3 Am,3
dt grad (t ) d
化工原理 第四章 传热资料
n
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
t n
→温度梯度标量，亦称温度梯度。
传热－热传导
2. 傅立叶（Fourier）定律 傅立叶定律→即导热的基本定律，指通过等温表面的导热速率与温 度梯度及传热面积成正比。
dQ
t n
dS
dQ
t n
dS
F u S y
① 傅立叶定律 与牛顿黏性定律类似。 ② 。 ③ 热量传递过程与动量传递过程类似。
注意→气体很小，有利于保温、绝热，如玻璃棉。
传热－热传导
3. 平壁导热 ① 单层平壁
Q
dt dx
S
x 0，t t1；
x b，t t2；
t1 t2
单层平壁导热
假设→①稳态、一维导热。 ②λ不随温度变化。 ③不计热损失。
Q
S b
t1
t2
Q t t1 t2 R b
Rb
S
S
q
Q S
q dQ dS
因S有三种形式，计算q时须 注明选择的基准面积。
传递速率
推动力 阻力
传热速率＝传热推动力温度差
热阻
Q t ；q t
R
R'
R Q ；R Q
传热－基本概念
6. 稳态传热与非稳态传热 稳态传热→传热系统中不积累能量的传热过程，特点是温度分布不随 时间而变，Q Const 。非稳态传热→传热系统中温度分布随时间而变化 的传热过程。 连续生产中的传热多为稳态传热；间歇操作的换热和连续生产时设备 的开工和停工阶段为非稳态传热。
典型的导热方式→固体中的热传导
传热－基本概念
② 热对流 热对流→简称对流，指流体各部分之间发生相对位移引起的热传递。 对流仅发生在流体中，有自然对流和强制对流两种形式。 自然对流→流体各处温度不同而引起密度差异，轻者↑，重者↓，流体 质点发生相对位移。强制对流→因泵或搅拌所致的质点强制运动。 对流传热→亦称给热，指流体流过固体表面时发生热对流和热传导的 联合传热。特点是壁面处流体靠导热传热，主体区靠对流来传热。
化工原理第四章第三节讲稿
温度梯度更小。
T 表示贴壁处流体的温度梯度， 如果用 n n0 T 与牛顿冷却定律 dQ dST联立： 则 dQ dS n n0
2016/11/22
T n n0
——理论上计算对流传热系数的基础
热边界层的厚度常用 T 表示。
温度边界层内的温度分布与流动边流内层中流动为层流，热量传递通过导热进 行。温度分布曲线的斜率大（温度梯度大）。
2016/11/22
•在缓冲层内，由于对 流传热的作用，温度 梯度变小。 •在湍流核心，质点湍 动强烈，对流很快，
第四章 传热
第三节 对流传热
一、对流传热的分析 二、壁面和流体的对流传 热速率 三、热边界层
2016/11/22
一、对流传热的分析
滞流内层 流体分层运动，相邻层间没有流体的 宏观运动。在垂直于流动方向上不存 在热对流，该方向上的热传递仅为流
流体沿固体
壁面的流动
体的热传导。该层中温度差较大，即 温度梯度较大。 缓冲层 热对流和热传导作用大致相同，在该层 内温度发生较缓慢的变化。 湍流主体 温度梯度很小，各处的温度基本相同。
2、对流传热系数
对流传热系数a定义式： Q
St
表示单位温度差下，单位传热面积的对流传热速率。
单位W/m2.k。 反映了对流传热的快慢，对流传热系数大，则传热快。
2016/11/22
三、热边界层与换热微分方程式
热边界层（温度边界层） ：
壁面附近因换热而使流体温度发生了变化的区域 。
规定 Tw T 0.99(Tw T ) 处为热边界层的界限，
T
表明：对一定的流体，当流体与壁面的温度差一定时，对 流传热系数之取决于紧靠壁面流体的温度梯度。 热边界层的厚薄，影响层内温度分布，因而影响温度梯度 。当边界层内、外的温度差一定时，热边界层越薄，温度梯 度越大，因而 α 也就上升。因此通过改善流动状况，使层流 底层厚度减小，是强化传热的主要途径之一。
化工原理 第四章 传热过程超详细讲解
液体：α＜0,t↑,λ↓ 。 ∵t↑液体膨胀,分子距离加大，碰撞↓ 气体：α＞0, t↑,λ↑。 ∵ t ↑, 分子能量↑ 碰撞 ↑。 λ金属>λ非金属，λ固>λ液>λ气，λ结构紧密>λ结构松散
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
泡沫保温 材料
三、平面壁的稳定热传导——特点
1 单层平面壁，如P105图
∴ A
(t1 t 2) At
例4-11 Δtm逆 =54.9℃ Δtm并=39.1℃ Δtm逆 /Δtm并=54.9/39.1 =1.404 在Φ, K相同时：A并/A逆=Δtm逆/Δtm并＞1 A并>A逆 在A, K相同时：Φ逆/Φ并=Δtm逆 /Δtm并＞1 Φ逆>Φ并 据Φ=MCpΔt`，在Φ相同时，逆流可减少热载体的用量， 即M逆<M并。
(2)Δt1/Δt2 =R1/R2=
即各层的温降与其热阻成正比。
1 2 t1 t4 (3) t 2 t 1 t3 t2 t2 2 3 i A 1 A2 2 i 1 i
——可求夹层间的温度。
(4)在不知A时, 可求单位传热面积的传热速率—热流密度
五、总传热系数K
∴单层
1 1 K rm rm rm r 2 r1 rm 1 r 1 2 r 2 1r 1 2 r 2
多层圆简壁一般不用Φ=KAm (T- t) 的形式,而直接使用公式。
i
rmi
ri 1 ri 1 ln ln ri 1 ri ri ri
对数平均半径。当r2 /r1<1.2 时，可用算术
平均半径 rm=(r2+r1)/2代替。
2 、多层圆简壁 如图：各层都相当于单层圆筒壁，仿多层平面壁推导有：
化工原理第四章
第一节 概 述
（一）套管式换热器 如图4-1所示，套管式换热器是由两个直径不同的直管同心套在一
起而构成的。进行换热的冷、热两种流体分别在管内和环隙间流动， 通过内管管壁进行热量交换。因此，内管壁表面积为传热面积。
图4-1 套管换热器
第一节 概 述
（二）列管式换热器
如图4-2所示，列管式换热器主要由壳体、管束、管板和封 头等部件构成。操作时一种流体从换热器的一端接管进入封头， 流经各管束后汇集到另一端封头，并从该封头接管流出，该流 体称为管程流体，另一种流体由壳体接管流入，在壳体与管束 间的空隙流过，壳体内装有数块折流挡板，使流体在外壳内沿 挡板作折流流动，而从另一端的壳体接管流出换热器，该流体 称为壳程（或壳方）流体。由于在换热器中管程流体在管束内 只流过一次，故称为单程列管式换热器。
第一节 概 述
（二）对流传热
对流传热是指流体质点发生相对位移而引起的热量传递过程。 它仅发生在液体和气体中。对流传热可分为强制对流传热和自然对 流传热。前者是由于泵、风机或其他外力作用而引起的流体流动所 产生的传热过程；后者是由于流体各部分温度的不均而形成了密度 的差异，使质点重降轻浮而进行的传热过程。在流体中发生强制对 流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。工程上通常把流体与固 体壁面间传热或固体壁面与流体间的传热称为对流传热。
化工原理
第四章 传 热
概述 热传导 对流传热 辐射传热 传热过程的计算 换热器
第四章 传 热
知识目标
掌握热传导的基本规律，平壁和圆筒壁的热传导计算；对流传热 的基本原理，对流传热的速率方程及流体在圆形直管内湍流时的对流 传热系数计算；传热速率方程、热量衡算方程、总传热系数及平均温 度差的计算。理解传热的三种方式及特点；传热推动力及热阻的概念； 影响管内和管外对流传热的因素及各准数的意义；列管式换热器的结 构、特点及强化传热过程的途径。了解有相变的对流传热；热辐射的 基本概念、定理及简单计算；列管换热器的设计和选用。
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理第四章对流传热-精品文档
2019/3/10
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形 成的液体内部环流，一般u较小，也较小。 【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
2019/3/10
2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同， 影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 （2）的影响
2019/3/10
（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面；
②流体质点充分混合，温
度趋于一致（热阻小）；
③传热主要以对流方式进
行。
2019/3/10
（3）过渡区的特点 ①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度
变化不像湍流主体那么
平缓均匀，也不像层流
底层变化明显。
②传热以热传导和对流
两种方式共同进行。
2019/3/10
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为：
（1）对过程进行合理的简化；
（2）获得物理模型（构象）；
（3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
Q
b t
bt
A (tw t)
当流体被冷却时： Q ' A (T T w) b t
2019/3/10
bt’
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
b t
A (tw t)
流体被加热：
Q A ( t t ) w
' '
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形 成的液体内部环流，一般u较小，也较小。 【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
2019/3/10
2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同， 影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 （2）的影响
2019/3/10
（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面；
②流体质点充分混合，温
度趋于一致（热阻小）；
③传热主要以对流方式进
行。
2019/3/10
（3）过渡区的特点 ①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度
变化不像湍流主体那么
平缓均匀，也不像层流
底层变化明显。
②传热以热传导和对流
两种方式共同进行。
2019/3/10
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为：
（1）对过程进行合理的简化；
（2）获得物理模型（构象）；
（3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
Q
b t
bt
A (tw t)
当流体被冷却时： Q ' A (T T w) b t
2019/3/10
bt’
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
b t
A (tw t)
流体被加热：
Q A ( t t ) w
' '
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①主要依靠热传导方式来进行 热量传递； ②由于流体内部存在温差还会 有少量的自然对流。 ③传热温差大。
6/29/2019
（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面； ②流体质点充分混合，温 度趋于一致（热阻小）； ③传热主要以对流方式进 行。
6/29/2019
（3）过渡区的特点
①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度 变化不像湍流主体那么 平缓均匀，也不像层流 底层变化明显。 ②传热以热传导和对流 两种方式共同进行。
6/29/2019
6/29/2019
法向
20℃
22℃ 100℃
传热边界层——流 体温度发生显著变 化的区域。
传热边界层示意图
2、对流传热过程流体流动的分析
湍流主体 湍流主体
6/29/2019
（1）层流内（底）层的特点 层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一
维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：
6/29/2019
5、几点说明
（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根 据有效膜模型建立起来的数学方程。 （这种处理问 题的方法，在工程中称之为数学模型法）
（2）Q A(T Tw) A(tw t)＝At
式中：Δt——传热壁与湍流主体之间的温度差； A——传热壁与流体的接触面积。
6/29/2019
（3） ——对流传热系数、给热系数、膜系数。表
征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性 常数（如λ ）。 （4）复杂问题简单化的表示──牛顿冷却定律虽然 给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由 于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问 题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响
6/29/2019
2、准数关系式（通过因次分析获得） 经分析可知：
＝f(u，l，，，Cp，，gt)
式中 l———特性尺寸； u———特征流速； β——体积膨胀系数 。
因次分析结果如下：
Nu KRe aPrbGr c
6/29/2019
6/29/2019
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
6/29/2019
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
6/29/2019
6/29/2019
虚拟层 有效膜
【有效膜模型说明】 （1）厚度为：
bt＝δb＋δf （2）膜内温度的变化为 线性关系，即为传导传 热； （3）膜外无传热。
有效膜模型示意图
3、有效膜模型的数学描述
（1）有效膜的厚度：bt （2）有效膜的导热系数：λ
（3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。
当流体被加热时：
有相变 无相变
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四、对流传热系数经验关联式的建立
1、基本方法 由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其
数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对 流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过 实验得到其经验公式。 【经验公式的建立方法】 （1）通过因次分析，建立特征数（准数）关系式； （2）通过实验，测定各准数的待定系数。
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
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3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
第四章
传热
第三节 对流传热
一、对流传热过程分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关联式 五、流体无相变时对流传热系 数的经验关联式
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一、对流传热过程分析 1、传热边界层
【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间 将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变 化，形成一定的温度梯度。 【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区 域，称为传热边界层或温度边界层。
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw
)
bt’
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4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q bt A(tw t)
流体被加热： Q A(tw t)
流体被冷却： Q' ' A(T Tw )
【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对 流传热速率。
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层
因此 湍流 层流
【结论】（1）为增大α，应增大Re； （2）但随着Re的增大，动力消耗大。
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4、传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界
层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
（1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （3）位置 比如管子的排列方式（如管束有正四方 形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放 置。
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5、是否发生相变 【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温 度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，即：
过程的因素都归结到了当中。
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三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
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2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，
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（2）湍流核心（主体）的特点
①远离壁面； ②流体质点充分混合，温 度趋于一致（热阻小）； ③传热主要以对流方式进 行。
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（3）过渡区的特点
①存在质点混合、分子 运动的共同作用，温度 变化不像湍流主体那么 平缓均匀，也不像层流 底层变化明显。 ②传热以热传导和对流 两种方式共同进行。
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法向
20℃
22℃ 100℃
传热边界层——流 体温度发生显著变 化的区域。
传热边界层示意图
2、对流传热过程流体流动的分析
湍流主体 湍流主体
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（1）层流内（底）层的特点 层流内层内，由于流体质点只在流动方向上作一
维运动，在传热方向上无质点运动。其特点是：
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5、几点说明
（1）牛顿冷却定律并非从理论上推导的结果，是根 据有效膜模型建立起来的数学方程。 （这种处理问 题的方法，在工程中称之为数学模型法）
（2）Q A(T Tw) A(tw t)＝At
式中：Δt——传热壁与湍流主体之间的温度差； A——传热壁与流体的接触面积。
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（3） ——对流传热系数、给热系数、膜系数。表
征对流传热过程的参数，影响因数众多，不是物性 常数（如λ ）。 （4）复杂问题简单化的表示──牛顿冷却定律虽然 给出了计算对流传热速率简单的数学表达式，但由 于对流传热一个非常复杂的物理过程，并未简化问 题本身（有效膜厚度难以测定），只是把诸多影响
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2、准数关系式（通过因次分析获得） 经分析可知：
＝f(u，l，，，Cp，，gt)
式中 l———特性尺寸； u———特征流速； β——体积膨胀系数 。
因次分析结果如下：
Nu KRe aPrbGr c
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二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
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2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
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虚拟层 有效膜
【有效膜模型说明】 （1）厚度为：
bt＝δb＋δf （2）膜内温度的变化为 线性关系，即为传导传 热； （3）膜外无传热。
有效膜模型示意图
3、有效膜模型的数学描述
（1）有效膜的厚度：bt （2）有效膜的导热系数：λ
（3）使用傅立叶定律计算在有效膜内的传热速率。
当流体被加热时：
有相变 无相变
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四、对流传热系数经验关联式的建立
1、基本方法 由于影响对流传热系数的因素非常多，因此确定其
数值的大小是一个极为复杂的问题。目前还不能对对 流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过 实验得到其经验公式。 【经验公式的建立方法】 （1）通过因次分析，建立特征数（准数）关系式； （2）通过实验，测定各准数的待定系数。
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
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3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
第四章
传热
第三节 对流传热
一、对流传热过程分析 二、对流传热速率方程 三、影响对流传热系数的因素 四、对流传热的特征数关联式 五、流体无相变时对流传热系 数的经验关联式
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一、对流传热过程分析 1、传热边界层
【现象】流体在平壁上流过时，如果流体和壁面间 将进行换热，将引起壁面法向方向上温度分布的变 化，形成一定的温度梯度。 【定义】靠近壁面处，流体温度发生显著变化的区 域，称为传热边界层或温度边界层。
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw
)
bt’
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4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q bt A(tw t)
流体被加热： Q A(tw t)
流体被冷却： Q' ' A(T Tw )
【说明】以上两式称为牛顿冷却定律，用于计算对 流传热速率。
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层
因此 湍流 层流
【结论】（1）为增大α，应增大Re； （2）但随着Re的增大，动力消耗大。
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4、传热面的形状、尺寸和位置 不同的壁面形状、尺寸会影响流型；会造成边界
层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。
（1）形状 比如管、板、管束等； （2）尺寸 比如管径和管长等； （3）位置 比如管子的排列方式（如管束有正四方 形和三角形排列）；管或板是垂直放置还是水平放 置。
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5、是否发生相变 【现象】主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。 【特点】发生相变时，汽化或冷凝的潜热远大于温 度变化的显热（r远大于Cp）。 【结论】一般情况下，有相变化时对流传热系数较 大，即：
过程的因素都归结到了当中。
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三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
强制对流 自然对流
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2、流体的物性 流体的物性不同，对流传热系数的大小也不同，