第十三章 对流传热

传热学篇第十三章

对流传热

本章讲解对流传热的基本规律，包括牛顿冷却公式、边界层理论、特征数（Nu、Re、Pr、Gr），以及强制对流、自然对流和相变传热（凝结与沸腾）的分析方法。13.1

对流传热概述

对流传热的影响因素（1）流动起因强迫（制）对流换热：由于泵、风机或其他外部动力源造成的。自然对流换热：由于流体内部的密度差所引起。h强迫>h自然(2)流体有无相变单相流体的对流传热相变的对流传热沸腾传热凝结传热h相变

>h单相13.1

对流传热概述

对流换热分类对流传热无相变有相变沸腾传热凝结传热强制对流自然对流内部流动外部流动混合对流圆管内强制对流传热其他形状截面管道内对流传热外掠平板的对流传热外掠单根圆管的对流传热外掠圆管管束的对流传热大空间自然对流有限空间自然对流大容器沸腾管内沸腾管内凝结管外凝结13.1

对流传热概述

对流传热系数在这极薄的贴壁流体层中，热量只能以导热方式传递。局部表面传热系数流体导热系数反映了对流传热的本质，对流传热过程是导热和对流的联合作用。13.1

对流传热概述

准则数方程获取表面传热系数的方法：分析法、实验法、比拟法、数值法。实验法理论基础：多数是在相似原理的基础上，将影响对流传热过程的众多物理量组合成数量较少的无量纲准则数。准则数方程：通过实验得到适用于不同条件、由若干准则数组成的方程。准则数方程的别名：也称为实验关联式。工程设计依据13.1

对流传热概述

准则数方程——准则数

物理意义：壁面处无量纲过余温度梯度决定：对流换热强（2）雷诺准则

物理意义：流体流动时的惯性力和黏性力的相对大小

决定：流体的流态（1）努塞尔准则

液体的导热系数13.1

对流传热概述

准则数程——准则数

物理意义：反映动量扩散能力和热量扩散能力的相对大小（4）格拉晓夫数

物理意义：自然对流换热现象中，浮升力和黏性力的相对大小

决定：自然对流换热强弱（3）普朗特数13.1

对流传热概述

准则数方程——无相变对自然对流其指数函数形式为

其中C、m、n为常数，均由不同情况时的具体条件进行实验测定后，再由该式计算表面传热系数h。对强制对流813.1

对流传热概述

准则数方程——注意事项(1)特征长度应该按该准则数规定的方式选取(2)特征速度应该按规定方式计算(3)定性温度应按该准则式规定的方式选取——确定物性参数(4)准则数方程不能任意推广到该方程的实验参数的范围以

即建立准则关联式时的实验范围，一般指Re、Pr、Gr的数值范围，使用时不能超出该范围。13.2

单相对流传热

流体纵掠平板时强制对流传热（1）流动特点——流动边界层流动边界层（速度边界层）——边界层厚度临界雷诺数Recr13.2单相对流传热

流体纵掠平板时强制对流传热（1）流动特点——热边界层热边界层（温度边界层）——热边界层厚度Pr：动量扩散能力与热量扩散能力之比——速度边界层与热边界层相对厚度大小13.2单相对流传热

流体纵掠平板时强制对流传热（2）实验关联式（1）流体沿壁面流动全部为层流时

a、适用范围：L<

xc（或Rem＜5×105

）

Prm

＞0.6b、定性温度：tm=(tw+tf)/2；

特征长度尺寸：L；特征流速：来流速度uf13.2单相对流传热

流体纵掠平板时强制对流传热（2）实验关联式（1）流体沿壁面流动为混合边界层时

a、适用范围：L>

xc（或Rem＜5×105

）

Prm

＞0.6b、定性温度：tm=(tw+tf)/2；

特征长度尺寸：L；特征流速：来流速度ufL>

>

xc13.2单相对流传热

流体横掠单管时强制对流传热（1）流动特点——流动分离顺压梯度——不分离；逆压梯度——可能会分离，分离点的位置与Re大小有关13.2单相对流传热

流体横掠单管时强制对流传热（2）实验关联式

局部：

13.2单相对流传热

流体横掠单管时强制对流传热（2）实验关联式

平均：RemCn0.4~40.9890.3304~400.9110.38540~40000.6830.4664000~400000.1930.61840000~4000000.0270.805定性温度：

tm=(tw+tf)/2

特征尺寸：管外径D

特征速度：来流速度uf适用范围：tf=15.5～982℃tw=21～1046℃Rem=0.4~40000013.2单相对流传热

流体横掠管束对流传热(1)流体横掠管束的排列与换热顺流时，流道相对比较平直，Re较低时易在管的尾部形成滞止区，换热弱；叉排时，流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，Re较高时扰动较好，换热强。13.2单相对流传热

流体横掠管束对流传热（2）实验关联式式中，定性温度除Prw根据壁温tw选取外，其余取流体在管束间的平均温度；特征长度取管外径，特征流速取管间最小截面处的平均流速，系数C和n的值见书中表格13-2，εn为管束排数修正系数，见书中表格13-3。该式的适用范围为1<Re<2×106，0.6<Pr<50013.2单相对流传热

管内强迫对流传热(1)流动特点——入口段13.2单相对流传热

管内强迫对流传热(1)流动特点——热边界条件均匀壁温热边界条件：当采用蒸汽凝结来加热时或者液体沸腾来冷却时，壁面温度可以认为是均匀的。均匀热流密度热边界条件：当采用均匀缠绕的电热丝来加热壁面时。13.2单相对流传热

管内强迫对流传热(1)实验关联式紊流（104<Re<1.2×105

）(1)加热流体时m=0.4；冷却流体时m=0.3

(2)定性温度:平均温度tf=（tf‘+tf“）/2；特征长度：内径d；

特征流速：管内平均流速(3)适用范围：104<Ref<1.2×105,0.7<Prf<120，l/d≥60，流体与壁面具有中等以下温差场合(气体:△t=|tw-tf|<50℃;水:△t<20℃;油类:△t<10℃)。13.2单相对流传热

管内强迫对流传热(1)实验关联式温度修正短管修正弯管修正考虑温度差的影响

液体：加热时

n=0.11冷却时n=0.25气体:加热时n=0.5冷却时n=013.2单相对流传热

管内强迫对流传热(1)实验关联式（2）考虑入口效应的影响

当

时，即管子为短管时，入口段的传热系数较高。

光滑平直入口对于通常工业设备中常见的尖角入口13.2单相对流传热

管内强迫对流传热——实验关联式（3）考虑弯管效应的影响当流体流过弯曲或螺旋管道时，在弯曲段，由于离心力的作用，沿截面产生二次环流，使换热增强。液体:气体:13.2单相对流传热

管内强迫对流传热——实验关联式层流（Re<2300）强迫对流传热充分发展段：均匀热流时:

均匀壁温时:入口段：定性温度：

；特征长度：内径d

适用条件：

均匀壁温，13.2单相对流传热

管内强迫对流传热——实验关联式过渡区（2300＜Re＜10000）强迫对流传热

对于气体

对于液体:

格尼林斯基提供的关联式：注意：

决定于13.2单相对流传热

自然对流传热——特点

温度分布和速度分布

边界层的发展产生原因：温度差→密度差→浮升力→自然对流13.2单相对流传热

自然对流传热——准则方程大空间自然对流传热：传热面上边界层的形成和发展不受周围物体的干扰或阻碍时的自然对流传热。有限空间自然对流：边界层的发展受到干扰，或者流体的流动受到限制13.2单相对流传热

自然对流传热——准则方程

（1）均匀壁温流体为理想气体时，体积膨胀系数c、n数值选取参考书上表格13-5定性温度：13.2单相对流传热

自然对流传热——准则方程

（1）均匀热流对于热面朝上或者冷面朝下的水平板：B=1.076

m=1/6

Gr*适用范围：6.37×105~1.12×108对于热面朝下或者冷面朝上的水平板：B=0.747

m=1/6

Gr*适用范围：6.37×105~1.12×108需要试算13.3相变对流传热

凝结传热膜状凝结与珠状凝结13.3相变对流传热

凝结传热——竖壁膜状凝结传热实验关联式竖壁液膜厚度13.3相变对流传热

凝结传热——竖壁膜状凝结传热实验关联式竖壁层流时膜状凝结平均表面传热系数除汽化潜热按蒸汽饱和温度ts确定外，其余物性按膜层平均温度tm=（tw+ts）/2为定性温度。液膜内由层流向紊流转变的临界雷诺数为1600，竖壁液膜雷诺数计算公式可由热平衡公式推得13.3相变对流传热

凝结传热——水平圆管膜状凝结传热实验关联式

对于水平圆管，由于管径一般不很大，所以蒸汽在水平圆管外膜状凝结液膜一般为层流，其平均凝结表面传热系