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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
挡板的作用
• 挡板类型：圆盘形（中间空、两头紧） 、圆缺形（缺一块，其余填满）
• 挡板使壳程流体不断改变方向，而非直接沿管束流过
• 作用一：对长管起支撑作用
• 作用二（关键） ：增大壳程流体的湍动程度，提高传热速率，并延长流体在壳程
的停留时间，保证冷热流体充分接触
壳程流速与最大截面积
• 壳程流速 = 流量 ÷ 最大截面积
• 最大截面积由挡板间距、外壳内径、管外径、孔心距共同确定
• 不能用壳体的整个截面积计算，需用实际流通的最大截面积
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
大空间自然对流
• 自然对流经验公式中出现膨胀系数项
• 与 Gr 数（格拉晓夫数）相关
• 自然对流湍动不剧烈，传热效果不如强制对流
• 公式中的系数由实验获得
对流传热经验公式使用要点
• 被加热时 n = 0.4 ，被冷却时 n = 0.3
• 使用公式前必须先算雷诺数和普朗特准数，确认符合公式适用范围
• 每个经验公式都要确认：适用范围、定性温度、特性尺寸
• 各物理量须用国际单位制
• 根据数量级判断结果合理性：若雷诺数算出来小于 1 万却仍用该公式，说明雷
诺数算错了
单管程与双管程
• 列管式换热器流体从一端进、另一端出为单程
• 中间加一块隔板，流体走一半管后折返再走另一半，为双程
• 未特别说明时按单程处理
• 单程改双程：管内流速增加一倍，对流传热系数变为原来的 2^0.8 倍
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 传热面积不变（所有管表面都被用到，仍为 nπdl）
例题：管内强制对流换热计算
• 质量流率 0.9 kg/s，20 行共 400 根管，按单管程处理
• 被加热，n = 0.4
• 已知质量流量时，雷诺数计算中密度可约去（质量流量 /密度/截面积 × 密度 /
μ）
• 普朗特数 CPμ/λ 不含密度，故密度可不给
• 雷诺数 12000 > 10000 ，普朗特数 0.68（接近 0.7∼120 范围，可用）
• 流量增加一倍时，传热系数变为 2^0.8 = 1.74 倍（考试需算出数值，不能只写
2^0.8）
例题：空气湍流换热系数变化分析
• 空气的普朗特数在很大范围内接近 0.7，物性变化可忽略
• 判断传热系数变化主要看流速和管径两个量
• 压力增加一倍、质量流率不变：流速、管径均不变，传热系数不变
• 质量流率增加一倍：流速增加一倍，传热系数变为 2^0.8 = 1.74 倍
• 加热管数增加一倍：流速减半，传热系数变为 0.5^0.8 = 0.57 倍
• 管径减半：流速变为原来的 4 倍，传热系数变为 3.48 倍
保温层临界半径
定义
临界半径 rc = λ/h ，是保温层总热阻随半径变化出现极值（极小值）时的半径。
• 保温层传热由两部分热阻组成：保温层内热传导热阻 + 保温层外对流传热热阻
• 热传导热阻随 r3 增大而增大（r3 在分子）
• 对流传热热阻随 r3 增大而减小（r3 在分母）
• 总热阻随 r3 增大先减小后增大，存在极小值
注意
保温层不是越厚越好。当 r3 < rc 时，保温层越厚热阻越小、保温效果越差；当
r3 > rc 时，保温层越厚热阻越大、保温效果越好。设计保温层厚度需考虑临界
半径，选择合适厚度。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
有相变传热概述
• 本章有相变传热分两类：蒸汽冷凝和液体沸腾
• 相变过程产生大量潜热（ 100℃ 水气化潜热 2258.4 kJ/kg ，0∼100℃ 液体比热约
4.1 kJ/(kg·℃)）
• 有相变的对流传热系数远大于无相变
膜状冷凝与滴状冷凝
定义
膜状冷凝：液体能完全润湿表面，形成连续液膜覆盖壁面。滴状冷凝：液体不
能很好润湿表面，形成液滴附着在壁面。
• 滴状冷凝传热系数大于膜状冷凝： 滴状有裸露金属表面， 热量直接传给壁面； 膜
状需先经液膜再传至壁面，多一层热阻
注意
工业设计时采用膜状冷凝进行设计， 而非滴状冷凝。 原因： 滴状冷凝不稳定， 液
滴长大后易转为膜状；用膜状冷凝（传热系数较小）设计，若满足要求则滴状
冷凝（传热系数较大）必然满足，留有安全余量。
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
蒸汽冷凝的特点
• 放出气化热，具有恒定温度（相变过程）
• 温度由饱和蒸汽压决定：温度越高，饱和蒸汽压越高
• 题目给出饱和蒸汽压时，可查表得到对应饱和温度作为热流体温度
• 有相变传热系数更大，常选用饱和水蒸气作为热源
垂直管外膜状冷凝的传热系数变化
• 液膜初始为层流，随高度增加液膜变厚，对流传热系数逐渐减小
• 液膜流量增大后由层流转为湍流，对流传热系数转而增大
• 沿高度方向（从上到下）对流传热系数先减小后增大
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
冷凝传热的特征尺寸与定性温度
• 管水平放置、流体垂直流过管时，特征尺寸取管径（较小） ，传热系数较大
• 管竖直放置时，特征尺寸取管长（较大）
• 定性温度：蒸汽冷凝潜热取饱和温度下的值，其余物性取液膜平均温度（膜温）
• 膜温 = (壁温 + 主体温度) / 2
11 月 26 日
蒸汽冷凝的两种模式
• 滴状冷凝与膜状冷凝两种模式
• 滴状冷凝的传热系数大于膜状冷凝
• 工业设计以膜状冷凝为主
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
冷凝传热的特征尺寸
• 垂直管外或板上冷凝：特征尺寸用长度
• 水平管外冷凝：特征尺寸用直径
• 水平放置的管对流传热系数更大（管径远小于管长）
影响蒸汽冷凝的因素
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
• 温差：液膜两侧温差增大时，液膜粘度增大，层流时传热系数降低
• 物性：密度、热导率、气化潜热、粘度等；热导率越大，对流传热系数越大
• 蒸汽流速与流向：蒸汽与液膜同向时液膜减薄，传热系数增大；逆向时液膜增
厚，传热系数减小；流速极大使液膜被吹离表面时，传热系数急剧增大
• 不凝性气体：空气对流传热系数远小于水蒸气冷凝传热系数，形成气膜热阻层，
传热系数大幅下降
• 壁面影响： 表面粗糙、 开沟槽、 装金属丝或翅片可扰动流动并增大换热面积； 螺
纹管对流传热系数大于光滑管
• 管排列：采用错列式、安装挡板，使主体湍动更剧烈
• 氧化层/污垢：产生污垢热阻，需积极清洗
• 过热蒸汽：除放出潜热外还放出显热，对流传热系数略大于饱和蒸汽
注意
蒸汽管内有空气 （不凝性气体） 时， 水蒸气需先经过一层气膜再传热给壁面， 相
当于增加一层热阻层，对流传热系数大大下降。实验时需打开排气阀反复排气，
当壁温与蒸汽温度接近（相差零点几度）时说明排气合格；若相差两三度则排
气未排好。
沸腾传热的分类
• 按组分数：单组分、多组分
• 按状态：定态沸腾、非定态沸腾
• 非定态沸腾分为大空间沸腾（又分泡态沸腾、膜态沸腾）
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
沸腾传热曲线（烧水过程）
• 自然对流段：壁面与流体温差小，传热系数缓慢增大，无明显流体位移
• 泡态沸腾段： 温差明显增大， 气泡产生并上升扰动流体， 湍动加剧， 传热系数迅
速增大
• 膜态沸腾段：气泡连成一片形成气膜层，气膜导热系数极低，传热系数大幅下
降
• 辐射段：温差极大时需考虑辐射影响，传热系数略有回升
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流体力学与传热 Ⅱ 课堂笔记
沸腾传热的两个要素
• 液体过热：需有相变所需的过热度
• 气化核心：气泡附着生长的位置，一般为粗糙表面（如焊点、不光滑处）
例
烧水时气泡往往先在焊点、不光滑处出现，这些粗糙表面就是气化核心。
沸腾传热的机理
• 气泡不断长大，从液体内部溢出到液体外
• 气泡脱离加热面时对附近液体产生搅动作用，扰动液体热量，使对流传热系数
增大
影响沸腾传热的因素
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