对流换热公式汇总与分析[技巧]

对流换热汇总与分析[技巧] 对流换热公式汇总与分析 【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。 【关键词】对流换热 类型 公式 适用范围 对流换热的基本计算形式——牛顿冷却公式: 2 q,h(t,t)(W/m)wf 2或上热流量 Am,,h(t,t)(W)wf h上式中表面传热系数最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即 h,f(u,t,t,,,c,,,,,,,l)wfp 综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表1所示。 圆管内受迫流动 内部流动换热 非圆形管内受迫流动 受迫对流换热 外掠平板 外部流动 外掠单管 外掠管束(光管;翅片管) 无相变换热 竖壁;竖管 无限空间 横管 自然对流换热 水平壁(上表面与下表面) 对流换热 有限空间 夹层空间 混合对流换热 — — — — 受迫对流与自然对流并存 垂直壁凝结换热 凝结换热 水平单圆管及管束外凝结换热 相变换热 管内凝结换热 大空间沸腾换热 沸腾换热 管内沸腾换热(横管、竖管等) 表1典型换热类型 1. 受迫对流换热 1.1 内部流动 1.1.1 圆管内受迫对流换热 (1)层流换热公式 西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为 ,df1/31/31/30.14 Nu,1.86RePr()()fffl,w ,df1/30.14或写成 NuPe,1.86()()ffl,w d式中引用了几何参数准则，以考虑进口段的影响。 l ,f适用范围:0.48,Pr,16700，。 0.0044,(),9.75,w 定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径d。 如果管子较长，以致 ,df1/30.14 [(Re,Pr)()],2 l,w 则Nu可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。 f Nu常物性流体在热充分发展段的是 Nu,4.36(q,const)f Nu,3.66(t,const)fw (2)过渡流换热公式 Tf42300,Re,100.6,Pr,1.50.5,,1.5对于气体，，，。ffTw Tdf0.80.42/30.45Nu,,，0.0214(Re100)Pr[1()]() ffflTw Prf42300,Re,101.5,Pr,5000.05,,20对于液体，，，。ffPrw Prdf0.870.42/30.11Nu,,，0.012(Re280)Pr[1()]() ffflPrw 式中 ——管子进出口断面温度下的平均值; PrPrf 2/3 ——修正管子长度的影响。 (d/l) (3)紊流光滑管公式 对于紊流光滑管内紊流，使用最广泛的关联式是迪图斯,贝尔特公式: 0.80.4加热流体 Nu,0.023RePr(t,t)wffff 0.80.3冷却流体 Nu,0.023RePr(t,t)wffff 适用于流体与壁面具有中等以下温度差。 4Re,10适用参数范围:Pr,0.7~160，，。 (l/d),,10ff 定性温度取全管长流体平均温度，定型尺寸为管内径。 d 对于液体，当与管壁间的温差比较大，导致黏度有明显的变化时，则可采用关联式: ,f0.81/30.14 Nu,0.023RePr()fff,w 2式中，和分别为流体温度和壁温下的流体动力黏度，。当加,tN,s/m,tffww 0.140.14t,t热液体时，，则;反之，当冷却流体时，。此，，，，,f/,w,1,f/,w,1wf 式修正了物性场不均性的影响，在计算时，若壁温未知，则须采用试算法进行， t即先假定，最后进行校核。 w 关于物性变化的修正，实际情况是较为复杂的，因为对于液体或气体、大温差或小温差、不同的流态等等，其影响的程度不尽相同。 (4)粗糙管公式 f2/3PrSt，, 8 hNuSt,,Prt式中的和均采用流体平均温度作为定性温度。f,cmRe?Prp R,2f,[2，lg()，1.74]紊流摩擦系数: ks 35,1/4Re,10~2，10对于范围内还可以采用布拉修斯公式:f,0.3164Re 2l,umu对于已有的实际设备，亦可经由实验测定,p和后按式,,pfm2d 计算，这样与实际情况更符合。 f 1.1.2 非圆形管内受迫流动 d 对于非圆形管，例如椭圆管、矩形流道等，定型尺寸采用当量直径。e 4f,d eU 2式中 ——流道断面面积，; fm U ——流体润湿的流道周边，。 m 求得当量直径后就可应用圆形管的公式计算。 对于螺旋形管，如螺旋板式或螺旋管式换热设备，流体通道成螺旋形。在弯曲的通道中流动产生的离心力，将在流场中形成二次环流，增加了对边界层的扰动，有利于换热，而且管的弯曲半径越小，二次环流的影响越大。故求得的结果尚需乘以管道弯曲影响的修正系数，它大于1 。 ,R d,,1，1.77气体 RR d3,,1，10.3()液体 RR R式中 ——螺旋管曲率半径，; m d ——管直径，。 m 1.2 外部流动 1.2.1 外掠平板 (1)层流边界层段公式(常壁温) x边界层厚度 ,,5.0 Rex Cfx,,1/2,0.332Re局部摩擦系数 x2 ux,Re,式中雷诺准则。 x, ,1/21/3h,0.332RePr常壁温平板局部表面传热系数: xxx 1/21/3写成无量纲准则关联式: Nu,0.332RePr xx ，，lm对长度为的常壁温平板，平均表面传热系数: l h,hdx/l,2hxl,0 ,1/21/3h,0.664RePr l 1/21/3Nu,0.664RePr在实际计算时，物性参数可按边界层平均温度确定。tm,(t，t)/2fw (2)紊流边界层段公式(常壁温) 柯尔朋类比律: 2/3St,Pr,C/2 xf,x t，tfwmt,Pr,0.5~50定性温度 ，近似适用于。 2 常壁温外掠平板紊流局部表面传热系数关联式 4/51/3Nu,0.0296Re?Pr xx 常壁温外掠平板紊流平均换热准则关联式 0.81/3 Nu,(0.037Re,870)Pr 585，10,Re,100.6,Pr,60适用范围:，。 ltm,(t，t)/2定型尺寸为板长，定性温度。 fw 1.2.2 外掠单管 Nufn,CRe fPr0.370.25fPr()fPrw n ReC Cn及值列在下表中。定性温度为主流温度，定型尺寸为管外径，速度取管 外流速最大值。 Pr,10Pr当时，的幂次应改为0.36。 f 61,Re,100.7,Pr,500Pr,0.7适用范围;;对于空气近似取，故fff0.37Pr,0.88。 f Cn表2 与值 1~400.750.4 340~1，100.510.5 350.60.261，10~2，10 560.70.0762，10~1，10 1.2.3 外掠管束 PrSf0.25nmP1 NuC,RePr()(),zSPr2w S1式中，为相对管间距;为排数影响的校正系数。 ,zS2 Re定性温度用流体在管束中的平均温度，定型尺寸为管外径;中的速度用流通截面最窄处的流速(即管束中的最大流速)。 表3 管束平均表面传热系数准则关联式 对空气或烟气排的简化式适用范围 准则关联式 列Pr,0.7 f0.7,Pr,500 Nu 方ff 式 Nu f Prf0.630.360.25350.63 0.027RePr()Re,10~2，100.24Re ffffPrw顺 排 Prf0.840.360.25560.84 0.021RePr()Re,2，10~2，100.018Re ffffPrw PrSSSf0.60.20.60.360.250.2111,20.31Re()0.35RePr()()fffSSPrS2w22 35Re,10~2，10 f PrSf 叉0.60.360.251,20.40RePr() 0.6ff0.35Re 排 SPrf2w 56PrRe,2，10~2，10 f0.840.360.250.84f0.022RePr() 0.019Re fffPrw 上表中所列的关联式是排数大于20时的平均表面传热系数。若排数低于20， 3采用下表的排列修正系数修正，它适用于的情况。 Re,10 表4 排数修正系数表 排数 1 2 3 4 5 6 8 12 16 20 0.9顺排 0.69 0.80 0.86 0.90 0.95 0.96 0.98 0.99 1.0 3 叉排 0.62 0.76 0.84 0.88 0.92 0.95 0.96 0.98 0.99 1.0 一般规律:(1)叉排优于顺排，尾部漩涡的影响 (2)后排优于前排，20排的极限 (3)横排优于纵掠 (4)不适用于肋片管管束 2. 自然对流换热 2.1 无限空间自然对流换热 准则关联式为 nnNu,C(Gr,Pr),CRa 3,g,tlRaCRa,Gr,Pr式中，为瑞利准则;为格拉晓夫准则。和值Gr,n2, t，twft,由下表给出，各式的定性温度均为边界层平均温度。m2 Gr,tq在常热流边界条件下为已知量，而t为未知，则中的为未知量，为w ,,GrGrGr方便起见，在准则关联式中采用代替，即为: 4,gql, Gr,Nu,Gr,2,, 如是，常热流条件下局部表面传热系数准则关联式为: ,nNu,C(Gr,Pr) x 表5 C与n值 C、n 壁面形状、位置及边界流定型尺寸 适用范围 条件 C n 态 层Gr,Pr 竖平壁竖直t,const流 0.59 1/4 49w10~10 高度h 紊0.1 1/3 913Nu圆筒，平均 10~10流 ,层,PrGr竖平壁或竖q,constx流 0.6 1/5 511局部点的高度x 10~10 紊0.17 1/4 直圆筒，局部 Nu1316x2，10~10流 0.14PrGr,8 221.02 ,10~10层0.18 0.85 24水平圆筒平t,const流 8 10~10w0.48 外径d 0.254710~10Nu均 0 紊0.127121/3 10~10流 5 层矩形取两个边长的Gr,Pr热面朝上或t,constw流 0.54 1/4 平均值;非规则形取462，10~8，10 冷面朝下的水平壁，平紊0.15 1/3 面积与周长之比;圆6118，10~10Nu均 流 盘去0.9d 热面朝下或t,constwGr,Pr层 0.58 1/5 同上 511冷面朝上的水平壁，平流 10~10 Nu均 关于自然对流换热的计算，丘吉尔和朱在整理大量文献数据的基础上推荐了竖壁和水平圆筒自然对流换热准则关联式，它们同时适用于常壁温和常热流两种 t,(t，t)/2边界条件，定性温度。其中竖壁关联式还可用于偏离垂直线倾角mwf 99,,60:Racos,Ra,10Ra,10g的倾斜壁，但当时，中的需乘以;当时，则不需要任何修正。 1/60.387Ra2H竖壁: ,{0.825，} NuH9/168/27[1，(0.492/Pr)] ,610,,Ra适用范围: 由 d 1/60.387Ra2d,{0.60，}水平圆筒: Nud9/168/27[1，(0.599/Pr)] ,610,,Ra适用范围: 由 d 2.2 有限空间 热流通过有限空间是冷热两壁自然对流换热的综合结果，因此通常把两侧的 换热用一个当量表面换热系数表达，则通过夹层的热流密度为hqe q,h(t,t)ew1w2 封闭夹层空间换热准则关联式用下列形式表示 ,mnNuC(GrPr)(),, ,,H ,，m式中，及的定型尺寸均为夹层厚度;定性温度为NuGr,, 1;为竖直夹层高度，。 t,(t，t)，:CmHmw1w22 表6 有限空间自然对流换热准则关联式 准则关联式 Nu夹层位置 适用范围 , Gr,2000=1 (导热) , ,竖直夹层1/41/95,0.18Gr()(层流) 2000,Gr,2，10,,(气体) H ,1/31/957,0.665Gr()(紊流) 2，10,Gr,2，10,,H 0.41700,(Gr,Pr),7000,0.059(Gr,Pr) ,, 水平夹层1/45,0.212(Gr,Pr) 7000,(Gr,Pr),3.2，10 (热面在,, 下)(气体) 1/45,0.061(Gr,Pr)(Gr,Pr),3.2，10 ,, 1708,，,11.446(1) 1708,(Gr,Pr,cos,),5900 ,Gr,,,Prcos倾斜夹层, (热面在下0.2524,0.229(Gr,Pr,cos,)5900,(Gr,Pr,cos,),9.23，10 与水平夹角,, ,为) 0.28546,0.157(Gr,Pr,cos,)9.2，10,(Gr,Pr,cos,),10 ,, 3.混合对流换热 在受迫对流换热过程中，由于流体各部分温度的差异，将发生自然对流。若在受迫对流中自然对流因素不可忽略，这种流动称为自然与受迫并存的混合流动。 自然对流对受迫对流的影响将与壁面位置、受迫对流和自然对流流动方向等有关，但要使受迫对流受到明显影响，最主要的是必须具备足够大的自然对流浮升力。因此，判断是不是纯受迫对流，或者混合对流，可根据浮升力与惯性力的 相对大小来确定。两力之比为 32g,tg,tl,,,2 ,[][],Gr/Re222u/lul,,, 2一般情况下可以认为时，就不能忽略自然对流的影响;如果Gr/Re,0.1 2，则可作为纯自然对流看待，而忽略受迫对流。Gr/Re,10 【参考文献】 1 传热学(第五版) 章熙民 任泽霈 梅飞鸣 中国建筑工业出版社 2007