第四章第四节化原

2026/4/17概述4.1热传导4.2对流传热4.3对流传热系数关联式4.4辐射传热4.5传热计算4.6本章内容换热器4.72026/4/17本节讲授内容3流体无相变时对流传热系数2对流传热过程的因次分析4流体有相变时对流传热系数1对流传热系数的影响因素第四节对流传热系数关联式2026/4/171、流体的种类和相变化的情况气体、液体、有无相变

2、流体的物性（1）导热系数

层流内层的温度梯度一定时，流体的导热系数愈大，对流传热系数也愈大。（2）粘度

流体的粘度愈大，对流传热系数愈低。（3）比热和密度

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。一、对流传热系数的影响因素2026/4/17（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

温度差必然导致密度差，从而产生附加自然对流，使对流传热增强。4、流体流动状态

层流、湍流

湍

>

层

5、流体流动的原因6、传热面的性状、大小和位置

强

>

自

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。2026/4/17二、对流传热过程的因次分析1、流体无相变时的强制对流传热过程（1）列出影响该过程的物理量，并用一般函数关系表示：

（2）确定无因次准数i的数目基本因次：长度L；质量M；时间θ；温度T物理量因次物理量因次2026/4/17——流体无相变时强制对流时的准数关系式（3）无因次数群2026/4/172、自然对流传热过程包括7个变量，涉及4个基本因次，无因次数群3个——自然对流传热准数关系式2026/4/17准数的符号和意义准数名称符号准数式意义

努塞尔准数（Nusselt）Nu表示对流传热的系数

雷诺准数（Reynolds）Re确定流动状态的准数普兰特准数（Prandtl）Pr表示物性影响的准数格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr表示自然对流影响的准数2026/4/173、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。流体的平均温度壁面平均温度：tw膜温t1、t2分别为流体的进出口温度（3）应用范围：关联式中Re，Pr等准数的数值范围。圆管取管直径：l=d非圆管取当量直径：l=de′平板：l=板长2026/4/17三、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①

低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体

当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时，n=0.3。2026/4/17管长与管径比将计算所得的α乘以应用范围：

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。②高粘度的液体为考虑热流体方向的校正项。2026/4/17当温度一定时

应用范围：

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、出口温度的算术平均值。2026/4/17（2）流体在圆形直管内作强制层流

当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，自然对流对强制层流传热的影响可以忽略时应用范围：

定性尺寸：

管内径di。定性温度：

除μw取壁温以外，其余均取液体进、出口温度的算术平均值。2026/4/17（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φ。（4）流体在弯管内作强制对流（5）流体在非圆形管中作强制对流d1d22026/4/17（1）流体横向流过管束2、流体在管外强制对流管子的排列方式正三角形转角正三角形正方形转角正方形2026/4/17流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数应用范围：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。注意：管束排数应为10，若不是10时，计算结果应校正。定性温度：流体进、出口温度的算数平均值。2026/4/17（2）流体在换热器的管间流动环盘形弓形圆缺形2026/4/17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：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。2026/4/17管子呈正方形排列时：管子呈三角形排列时：管外流速可以根据流体流过的最大截面积A计算当量直径可根据管子排列的情况别用不同式子进行计算：h——两挡板之间的距离D——换热器外壳的内径do——管子的外径

t——相邻两管中心距2026/4/173、自然对流定性温度：膜温。特征尺寸：垂直的管或板取垂直高度，水平管为管外径。注意：

C，n与传热面的形状（管或板）、放置位置（垂直、水平）有关。2026/4/174、提高对流传热系数的途径（1）

湍

>

层，并且Re↑，α↑，应力求使流体在换热器内达到湍流流动。当温度一定时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。（2）湍流时，圆形直管中的对流传热系数2026/4/17（3）流体在换热器管间流过时，在管外加折流板的情况

对流传热系数与流速的0.55次方成正比，而与当量直径的0.45次方成反比设置折流板提高流速和缩小管子的当量直径，对加大对流传热系数均有较显著的作用。（4）提高流u都能增大对流传热系数，但是增大u，流动阻力增加，应根据具体情况选择最佳的流速。（5）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。2026/4/17膜状冷凝滴状冷凝四、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

2026/4/17

（2）膜状冷凝的传热系数

①蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝

假设：冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热。蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。

2026/4/17修正后定性尺寸：

L取垂直管或板的高度H。定性温度：

蒸汽冷凝潜热γ取其饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度。Δt=ts-tw应用范围：2026/4/17若用无因次冷凝传热系数来表示，可得：若膜层为湍流（Re＞1800）时垂直管外和板侧膜层雷诺数的表达式W—凝液质量流量，kg/s；b—浸润周边长度，m；M—冷凝负荷，M=W/b；A—膜层流通截面积，m2；de—液膜当量直径，m。2026/4/17层流时，Re值增加，α减小；湍流时，Re值增加，α增大；2026/4/17②蒸汽在水平管外冷凝③

蒸汽在水平管束外冷凝n——水平管束在垂直列上的管子数垂直列上管数不同时取平均值2026/4/17（3）影响冷凝传热的因素①冷凝液膜两侧的温度差△t液膜层流流动时，t=ts－tW

，

，

②流体物性冷凝液

，

；冷凝液

，

；潜热r

，

③蒸汽的流速和流向（u>10m/s

）蒸汽和液膜同向流动，厚度减薄，使α增大，即：

蒸汽和液膜逆向流动，

，摩擦力超过液膜重力时，液膜被蒸汽吹离壁面，当蒸汽流速增加，α急剧增大，即：u

2026/4/17⑤

冷凝壁面的影响垂直板或管：开纵向沟槽；水平管束：可采用错列

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。④

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，应定期排放。2026/4/17液体与高温壁面接触被加热汽化并产生气泡的过程称为沸腾传热。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

指加热面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾现象，此时，液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起的。指液体在管内流动的过程中而受热沸腾的现象，此时，汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成汽——液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。2026/4/17过热度：

t=tW－ts

汽化核心：一般为粗糙加热面的细小凹缝处（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？汽化核心生成汽泡长大脱离壁面新汽泡形成搅动液层液体沸腾2026/4/17（2）沸腾曲线自然对流区Δt≤5℃，液体内产生自然对流，没有汽泡从液体逸出液面，仅在液体表面蒸发，α较小，且随温度升高较慢。泡状沸腾或泡核状沸腾25C>

t>5

CΔt

，汽化核心增加，长大速率

，搅动

2026/4/17膜状沸腾

t>25

C气化核心数进一步增多，且气泡产生的速度大于它脱离表面的速度，气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的蒸汽膜，汽膜

小，出现

；当Δt

，壁温升高，辐射影响，

不变，q

，这段称为稳定的膜状沸腾。临界点2026/4/17（3）沸腾传热系数的计算——壁面过热度——对比压强应用条件：2026/4/17（4）影响沸腾传热的因素①液体性质的影响一般情况下，α随λ、ρ的增加而加大，而随μ和σ增加而减小。强化措施：加表面活性剂（乙醇、丙酮等）②

温度差△t的影响

在核状沸腾阶段温差提高，

2026/4/17③操作压强的影响提高沸腾压强，液体的表面张力和粘度均下降，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同△t的下，传热系数α增加。④加热表面的影响

新的或清洁的加热面，α较高。当壁面被油脂沾污后，会使α急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响。强化措施：将表面腐蚀，烧结金属粒。2026/4/174、某厂精馏塔顶，采用列管式冷凝器，共有φ25×2.5mm的管子60根，管长为2m，蒸汽走管间，冷却水走管内，水的流速为1m/s。进、出口温度分别为20℃和60℃，在定性温度下水的物性数据为:ρ=992.2kg/m3

λ=0.6338W/（m·℃）μ=6.56×10-4Pa.sPr=4.31（1）求管内水的对流给热系数；（2）如使总管数减为50根，水量和水的物性视为不变，此时管内水的对流给热系数又为多大?2026/4/17解：（1）

流体被加热n=0.4

2026/4/17（2）当管子根数减少时，流速变大2026/4/175、一套管换热器，由φ48×3mm和φ25×2.5m