化工原理_19对流传热机理和对流传热系数
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化工原理第四章传热过程超详细讲解
例4-12 在其他条件(K,Cp,M1,M2)不变时, 并→逆，求T2, t1。 解：利用并流求得有关常数： Φ=KAΔtm=-M1Cp1ΔT’=M2Cp2Δt’
设热阻集中在保温层：则
则一米管年损失的热量：
W=J/s
年损失的价值：
一米管道耗保温材料体积：V= ∴年折旧费用：
总费用： 求导，求极值:
28.356
复杂系数一元三次方程，用试差法求解：
设D=0.4 时，左=62.8≈右=63 ∴δ=D-0.1/2=(0.4-0.1)/2=0.15 m
作业：P142 （4、5）
∴ A (t1 t 2) At
R=δ/λ—热阻
2 多层平面壁,如耐火砖——绝热砖——建筑砖组成三层复合 壁，对各层分别应用单层导热公式有：
一层：
(1)
二层：
(2)
三层：
(3)
∵平面壁：A1=A2=A3=A ∵稳定传热Φ1=Φ2=Φ3=Φ则有：
t1-t4=Δt=
…(4)
…(5)
讨论：(1) ①+②得：
(4)潜热 Q潜 mH m nH n
(J/mol*K)
式中:ΔHm和ΔHn分别为质量和摩尔相变潜热 (单位分别为： J/kg；J/mol)
§2 传导传热（热传导，导热） 一、定义：传导传热——发生在固体、静止或滞流流体中，因分
子的振动或自由电子的运动而传递热量的方式。
二、导热方程—付立叶定律：
故将对流传热扩展为：对流给热——流体与壁面 之间的传热。由于壁面附近的流体为滞流，因此：对 流给热包括湍流主体的对流传热和壁附近滞流层的热 传导，为描述此复杂的给热过程的速率，特提出对流 给热机理(模型)，其要点为：
a.湍流主体以对流方式传热，温度一致, 即忽略湍流主体的热阻。
对流传热原理
第五章 对流传热原理
航空工程学院发动机系
1
5.1 概述
流动流体与所接触的物体表面之间由于温 度差而引起的热量传递称为（表面）对流 传热。
➢按流体有无相变 ➢按流体流动起因 ➢按流体流动状态
单相对流传热 相变对流传热——凝结，沸腾
自然对流传热 强迫对流传热
层流对流传热 湍流对流传热
2
5.1 概述
基本公式——牛顿冷却公式
• 实验数据的整理
以稳态单相强迫对流为例：
Nu f Re,Pr
Nu C Ren Prm
对同一流体实验，控制温度，使Pr不变，在不同 的Re下，得到Nu，利用对数关系确定方程中的系 数。
工程上实用的计算对流传热系数h的各种公式， 主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确 定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实 验测量获得相应的参数。
5.4 特征数方程
对流传热常用的特征数（稳态，单相） 1. 努塞尔数Nu
Nu hlc
f
lc f
1h
对流层导热热阻 对流传热热阻
2. 雷诺数Re
由牛顿粘性定律： u
y
—动力粘度பைடு நூலகம்Pa.s
流场可以划分为两个区： 边界层区与主流区
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：
层流边界层
过渡区
湍流边界层
湍流核心区 层流底层
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面 的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度
Nu f Re,Pr • 纯自然对流 Nu f Pr,Gr
统一形式：
Nu C Ren Prm Grs
5.4 特征数方程
对流传热的三大特征量——确定特征数中 某些参数的量
航空工程学院发动机系
1
5.1 概述
流动流体与所接触的物体表面之间由于温 度差而引起的热量传递称为（表面）对流 传热。
➢按流体有无相变 ➢按流体流动起因 ➢按流体流动状态
单相对流传热 相变对流传热——凝结，沸腾
自然对流传热 强迫对流传热
层流对流传热 湍流对流传热
2
5.1 概述
基本公式——牛顿冷却公式
• 实验数据的整理
以稳态单相强迫对流为例：
Nu f Re,Pr
Nu C Ren Prm
对同一流体实验，控制温度，使Pr不变，在不同 的Re下，得到Nu，利用对数关系确定方程中的系 数。
工程上实用的计算对流传热系数h的各种公式， 主要是通过模型实验研究得到的。通过相似理论确 定起主要作用的特征数，建立特征数方程，根据实 验测量获得相应的参数。
5.4 特征数方程
对流传热常用的特征数（稳态，单相） 1. 努塞尔数Nu
Nu hlc
f
lc f
1h
对流层导热热阻 对流传热热阻
2. 雷诺数Re
由牛顿粘性定律： u
y
—动力粘度பைடு நூலகம்Pa.s
流场可以划分为两个区： 边界层区与主流区
5.2 边界层概念
流体掠过等温平壁时流动边界层的形成和发展：
层流边界层
过渡区
湍流边界层
湍流核心区 层流底层
层流底层：紧靠壁面处，粘滞力会占绝对优势，使粘附于壁面 的一极薄层仍然会保持层流特征，具有最大的速度梯度
Nu f Re,Pr • 纯自然对流 Nu f Pr,Gr
统一形式：
Nu C Ren Prm Grs
5.4 特征数方程
对流传热的三大特征量——确定特征数中 某些参数的量
化工原理实验(四)空气-蒸汽对流给热系数测定
化工原理实验（四）空气－蒸汽对流给热系数测定一、实验目的1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。
2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。
3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、基本原理在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。
如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。
达到传热稳定时，有()()()()mm W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ∆=-=-=-=-=221112222111αα （4－1）Tt图4－1间壁式传热过程示意图式中：Q － 传热量，J / s ；m 1 － 热流体的质量流率，kg / s ； c p 1 － 热流体的比热，J / (kg ∙℃)； T 1 － 热流体的进口温度，℃； T 2 － 热流体的出口温度，℃； m 2 － 冷流体的质量流率，kg / s ； c p 2 － 冷流体的比热，J / (kg ∙℃)； t 1 － 冷流体的进口温度，℃； t 2 － 冷流体的出口温度，℃；α1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ∙℃)；A 1 － 热流体侧的对流传热面积，m 2；()m W T T -－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；α2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ∙℃)；A 2 － 冷流体侧的对流传热面积，m 2；()m W t t - － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；K － 以传热面积A 为基准的总给热系数，W / (m 2 ∙℃)； m t ∆－ 冷热流体的对数平均温差，℃；热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，()()()22112211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=- （4－2）式中：T W 1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T W 2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。
对流传热系数经验关联式
(
w
)0.14
适用范围：Re= 2×103～106
特征尺寸：当量直径de
(a)
de
4(t
2
4
d02
)
d0
(b)
de
4(
3 2
t
2
4
d02
)
d0
16
1.3 流体无相变时的对流传热
流速u根据流体流过的最大截面积A计算
A hD(1 d0 ) t
h——相邻挡板间的距离 D——壳体的内径
三、自然对流
Nu cGr Pr n
1.13( g 23
1
)4
Lt
适用范围：Re<2100
特征尺寸：垂直管或板的高度，m
定性温度：
取ts下的值，其余取 tm
1 2 (ts
tw)
19
1.4 流体有相变时的对流传热
Re deu
4A W bA
4W b
4M
M—冷凝负荷，kg/(m·s)
液膜为湍流(Re＞2100)
0.0077
2 g3 2
浮升力：(1 2 )g [2 (1 t) 2 ]g 2gt 5. 传热面的形状、布置和大小
3
1.1 影响对流传热系数的主要因素
圆形直管
管内弯管
无相变强制对流管外非换横圆热向形器流管管过间
自然对流
有相变蒸液汽体冷沸凝腾
4
1.2 对流传热系数经验公式的建立
一、无相变强制对流的影响因素
f (l、、、、cp、u)
通过因次分析，得准数关系式：Nu f (Re、Pr )
二、无相变自然对流的影响因素
f (l、、、、cp、gt)
准数关系式：Nu (Gr、Pr )
化工原理课件(十一五)第三章对流传热
2
用幂函数逼近原函数 Nu C Rea Prk Gr g
3. 实验安排与结果整理 —以强制对流为例
Nu C Rea Pr k
（1）k的求法：用不同的流体，固定Re 测Nu， 得Nu~Pr
8
因为 lg Nu k lg Pr lgC Rea 作图k （2）a和c的确定 固定流体， 在不同的Re下 测Nu， 得一组(Re, Nu/Prk) 因为
—对流传热系数，W/㎡·K；
tw—壁温；t—流体温度
说明 t—流体(沿传热方向)平均温度
应针对一微无段 dQ dA tw t
3
只是推论，认为 Q(tw-t)
Q
Atw
t
tw t
1/ A
推动力 阻力
对流传热——复杂的物理过程。
影响因素 形式简单 —实验测定
4
3.3.2 的实验研究方法
6 105 f 1 Re1.8
其它条件和注意=Re>10000时
3．层流
(1)自然对流的影响可以忽略时 (Gr<25000)
12
Nu
1.86
Re
Pr
d l
1/
3
w
0.14
l / d 60
适用条件 Re 2300 6700 Pr 0.6 Re Pr d 10 Gr<25000
l
特征量取法=湍流时
(2)自然对流不能忽略时 f 0.8(1 0.015Gr1/3 ) Gr>25000
4．弯管
先按直管计算， 再校正
5．非圆形管
' 1 1.77 d
R
当量直径de， 按圆管计算。 u实际流通截面积
专用公式
13
例题2 空气以4m/s的流速通过一75.5×3.75的钢管，管长20米， 空气入口温度32℃，出口温度为68℃，（1）试计算空气与管壁间 的对流传热系数。（2）如空气流量增加一倍，忽略温度变化对 物性的影响，变为多少。（3）若管径减小一半，则 变为多少
用幂函数逼近原函数 Nu C Rea Prk Gr g
3. 实验安排与结果整理 —以强制对流为例
Nu C Rea Pr k
（1）k的求法：用不同的流体，固定Re 测Nu， 得Nu~Pr
8
因为 lg Nu k lg Pr lgC Rea 作图k （2）a和c的确定 固定流体， 在不同的Re下 测Nu， 得一组(Re, Nu/Prk) 因为
—对流传热系数，W/㎡·K；
tw—壁温；t—流体温度
说明 t—流体(沿传热方向)平均温度
应针对一微无段 dQ dA tw t
3
只是推论，认为 Q(tw-t)
Q
Atw
t
tw t
1/ A
推动力 阻力
对流传热——复杂的物理过程。
影响因素 形式简单 —实验测定
4
3.3.2 的实验研究方法
6 105 f 1 Re1.8
其它条件和注意=Re>10000时
3．层流
(1)自然对流的影响可以忽略时 (Gr<25000)
12
Nu
1.86
Re
Pr
d l
1/
3
w
0.14
l / d 60
适用条件 Re 2300 6700 Pr 0.6 Re Pr d 10 Gr<25000
l
特征量取法=湍流时
(2)自然对流不能忽略时 f 0.8(1 0.015Gr1/3 ) Gr>25000
4．弯管
先按直管计算， 再校正
5．非圆形管
' 1 1.77 d
R
当量直径de， 按圆管计算。 u实际流通截面积
专用公式
13
例题2 空气以4m/s的流速通过一75.5×3.75的钢管，管长20米， 空气入口温度32℃，出口温度为68℃，（1）试计算空气与管壁间 的对流传热系数。（2）如空气流量增加一倍，忽略温度变化对 物性的影响，变为多少。（3）若管径减小一半，则 变为多少
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每（排t2-管d0 子）中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10，若不是10，上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为： pc>3O00KPa, R = 0.01～0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为：
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
（1）液体性质 （2）温度差Δt （3）操作压强 （4）加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
（2）高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出
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：5-4 对流传热
44
三、自然对流
Nu c(Gr Pr)n
通过实验测得的c和n值列于P250表5-7中。
45
第五章 传 热
5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数 （自学，了解） 5.4.5 非牛顿型流体的传热（选读）
普兰德数 (Prandtl number)
28
二、对流传热过程的量纲分析
3
l3 2gt 2
Gr
格拉斯霍夫数 (Grashof number)
表示由温度差引起的浮力与黏性力之比
因此，有
Nu (Gr, Pr)
自然对流（无相变） 传热时的准数关联式
29
对于流体强制、自然流动，共有4个准 数，切记它们的物理意义。
32
一、流体在管内作强制对流
1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流
（ 1 ） 低 黏 度 流 体 (≤2 水 ) 可 应 用 迪 特 斯
（Dittus）—贝尔特（Boelter）关联式
Nu 0.023Re0.8 Prn
或 0.023 ( diu )0.8(Cp )n
di
当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。
46
练习题目
思考题 P279 3、14
传热过程所涉及到的量纲为一准数的名称、计算 式、含义是什么 ？（P246表5－6）
作业题: P278 11、13
47
(T
Tw
)dS
换热器任一截 面上热流体的
平均温度
换热器任一截面 上与热流体相接 触一侧的壁温
10
二、热边界层及对流传热系数
三、自然对流
Nu c(Gr Pr)n
通过实验测得的c和n值列于P250表5-7中。
45
第五章 传 热
5.4 对流传热 5.4.1 对流传热机理和对流传热系数 5.4.2 对流传热的量纲分析 5.4.3 流体无相变时的对流传热系数 5.4.4 流体有相变时的对流传热系数 （自学，了解） 5.4.5 非牛顿型流体的传热（选读）
普兰德数 (Prandtl number)
28
二、对流传热过程的量纲分析
3
l3 2gt 2
Gr
格拉斯霍夫数 (Grashof number)
表示由温度差引起的浮力与黏性力之比
因此，有
Nu (Gr, Pr)
自然对流（无相变） 传热时的准数关联式
29
对于流体强制、自然流动，共有4个准 数，切记它们的物理意义。
32
一、流体在管内作强制对流
1.流体在光滑圆形直管内作强制湍流
（ 1 ） 低 黏 度 流 体 (≤2 水 ) 可 应 用 迪 特 斯
（Dittus）—贝尔特（Boelter）关联式
Nu 0.023Re0.8 Prn
或 0.023 ( diu )0.8(Cp )n
di
当流体被加热时，n=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。
46
练习题目
思考题 P279 3、14
传热过程所涉及到的量纲为一准数的名称、计算 式、含义是什么 ？（P246表5－6）
作业题: P278 11、13
47
(T
Tw
)dS
换热器任一截 面上热流体的
平均温度
换热器任一截面 上与热流体相接 触一侧的壁温
10
二、热边界层及对流传热系数
[4-3]对流传热
1 3
17
西北大学化工原理课件
4. 非圆形管强制湍流
① 当量直径法 用de代替圆管内径di计算，但u求解时不用de直接计算，而 要用实际的流通面积计算。 ② 直接实验法 例如对套管环隙：水-空气系统 1 λ d 2 0.5 0.8 3 α = 0.02 ( ) Re Pr d e d1 ★适用范围： •水-空气系统的套管环隙； •12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
① 对于低粘度流体：
Nu = 0.023 Re Pr λ duρ 0.8 c p μ n α = 0.023 ( ) ( ) λ d μ
0 .8
n
• 定性温度取 t m ★适用范围：
• 流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。
t1 + t 2 = ，特征尺寸为管内径di 2
Re>104；0.7<Pr<120；μ<2mPa·s(低粘度)；l/d≥60
α＝f(u，l，μ，λ，ρ，cp，gβΔt)=Kualbμcλdρecpf(gβΔt)g 式中：l——特征尺寸； u——特征流速。 基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度Θ（4个） 变量总数：8个 由π定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
αl du ρ a c p μ f β g Δtl 3 ρ 2 g ) ( ) ( ) = K( 化简，可得： 2 λ μ λ μ
18
西北大学化工原理课件
二、管外强制对流的对流传热系数
流体在管外强制对流的α计算较复杂，与管子排列有关。 1. 流体在管束外垂直流过
19
西北大学化工原理课件 管束排列分为直列 和错列两种，且： α错>α直 流体在单排管束外 垂直流过时的α为：
17
西北大学化工原理课件
4. 非圆形管强制湍流
① 当量直径法 用de代替圆管内径di计算，但u求解时不用de直接计算，而 要用实际的流通面积计算。 ② 直接实验法 例如对套管环隙：水-空气系统 1 λ d 2 0.5 0.8 3 α = 0.02 ( ) Re Pr d e d1 ★适用范围： •水-空气系统的套管环隙； •12000<Re<220000；d2/d1=1.65~17 其中 d1为内管外径，d2为外管内径
① 对于低粘度流体：
Nu = 0.023 Re Pr λ duρ 0.8 c p μ n α = 0.023 ( ) ( ) λ d μ
0 .8
n
• 定性温度取 t m ★适用范围：
• 流体被加热时，n＝0.4；被冷却时，n＝0.3。
t1 + t 2 = ，特征尺寸为管内径di 2
Re>104；0.7<Pr<120；μ<2mPa·s(低粘度)；l/d≥60
α＝f(u，l，μ，λ，ρ，cp，gβΔt)=Kualbμcλdρecpf(gβΔt)g 式中：l——特征尺寸； u——特征流速。 基本量纲：长度L，时间T，质量M，温度Θ（4个） 变量总数：8个 由π定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
αl du ρ a c p μ f β g Δtl 3 ρ 2 g ) ( ) ( ) = K( 化简，可得： 2 λ μ λ μ
18
西北大学化工原理课件
二、管外强制对流的对流传热系数
流体在管外强制对流的α计算较复杂，与管子排列有关。 1. 流体在管束外垂直流过
19
西北大学化工原理课件 管束排列分为直列 和错列两种，且： α错>α直 流体在单排管束外 垂直流过时的α为：
化工原理 传热
精品课件
2、对流 流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。
✓自然对流 ✓强制对流
3、热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。 能量转移、能量形式的转化 不需要任何物质作媒介 Ea∝T4
三种传热方式一般不单独存精在品课，件往往相互伴随，同时出现。
精品课件
三、两流体通过间壁换热与传热速率方程式 1、间壁式换热器
试计算该管路每米长的散热量。
水蒸气管 保温层
解:
Q
dt
dt
q ll 2rd r 2(0 .5 0 .00 t)rd 0r19 r =0.213m
ql r1 r2d r r2
t2(0.50.00t)0 d9 t
t1
r2=0.613m
t1=150oC
t2=40oC
0.4m
q llr r n 1 2 2 ( 0 .5 t 0 .0 2t 0 2 )t t 1 2 0 2 [ 9 0 .5 ( t 1 t2 ) 9 1 2 4 ( 0 t 1 2 t2 2 )]
dx
分离变量后积分
t2 dt Q
b
dx
t1
A 0
得导热速率方程式
Q b A(t1 t2)
或
Q
t1
t2 b
t R
传热推动力 热阻A来自qQ Ab
(t1
t2 )
精品课件
例:平壁A=20m2，b=0.37m，t1=1650oC，t2=300oC，材料导热系 数=0.815+0.00076t (t:oC，:W/(moC))。试求平壁Q和q。
lnr2
1 lnr2 R
r1
2l r1
精品课件
注：在稳态下通过圆筒壁的导热速率Q与坐标r无关，但热流密度q