对流换热计算式

关系式返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，巳定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。一、掠过平板的强迫对流换热应注意区分层流和湍流两种流态（一般忽略过渡流段），恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部Nu数和平均Nu数。沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总流态条1羌区速同条样美跳式0亦PF<50Nui=0332*/口即心平均20,6Nul寺0.664阻典冲凸是■滤r弧=珞明◎滨i(rQ.6cPr40Nux=■0.453跄声/V心档心=4尺的《5乂HF时气片＜50Nuf=。湖wte小如",淹流.局却sx1<y《闻・〕mNux=0.0296J?e/'5FrU3屋:Zit-平均斌1源J-RMC,喝<lb阻=（0.。37血建一871）四，心r户勺10"罚电＜l（f/J=0JS5［电明尸汨羸札局部y.Hip0.6<丑尸<&Qjx协*”5INNut=度feQSJfc严/V怕I勺。=注意：定性温度为边界层的平均温度，即2。二、管内强迫对流换热（1）流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。（2）换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的Pr数大致等于1的时候，两个边界层的入口段才重合。理解并准确把握两种典型边界条件（恒壁温与恒热流）下流体截面平均温

度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式5f对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。流态及范围适用范围常热流卜J常壁温卜J关联式2、y-4.36跖F-3.66层流，充分发展段，光滑管层流，充分发展段，光滑管层流，入口段-充分发展段，光滑管Prz=0.48-16700勺<23000.0044Jih/%.)719.75过渡流，入口段-充分发展段，气体，光滑管Prz=0.6-1.5,2300<Re/<10+0.57T(7}N幻=0.0214(Re^-100)Pr°'4x过渡流，入口段-充分发展段，液体，光滑管Prz=1.5-500,2300<Ke/<10*0.0571：20叫=0.01源/广—我珥跟，i)〔凯j紊流，充分发展段，光滑管加热流体时，n=0.4；冷却流体时，n=0.3N%=0.023Rc°bPr™紊流，充分发展段，光滑管§丑顷跖4)io4=0.7-160职?=0.027RePt^壬紊流，粗糙管Re=104~2xl04/=0.316Re-1'4二8紊流，粗糙管Rm=3000~5xio6f=(0.790111Re1.64址Ft■玄8三、绕流圆柱体的强迫对流换热流体绕圆柱体流动时，流动边界层与掠过平板时有很大的不同出现脱体流动和沿程局部Nu数发生大幅度升降变化的根本原因。横掠单根圆管的对流换热计算式还被扩展到非圆管的情形。0.2J关联式:C-、以值ReCtl1700.750.440-10000.510.51000-2000000.260.6200000-10000000.0760.7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。当Prf>10时，Prf的幂次应改为O.36，上述关联式的适用范围是O.7<Prf<500；1<Ref<106；对于空气近似取Pr0.37f=0.7，故Prf=0.88。四、绕流管束的强迫对流换热这是工程中用得最多的流体换热方式之一。它的流动和换热的基本特征与单管时相同，但增加了排列方式、管间距以及排数三个新的影响因素。除了光管管束以外，在气体外部绕流换热的场合，各种型式的肋片管柬在工程领域里用得越来越普遍。肋片的型式极多，巳经公开发表的计算式不一定与实际使用的肋片管相同，选择计算公式时应注意这个问题。025

各式定性温度用流体在管束中的平均温度，定型尺寸为管外径；Re中的速度用流通截面最窄处的流速（即管束中的最大流速）。其中ez管排修正系数，S1、^为管间距。排列式适用范围u7P1-5uu关联式对空气或烟气的简化式（白=m）顺排Re=IO5~2xlO\^-<0.7Rn-1riz，■-；!|M:=:叫=0.021Re°rS5Pr)56了涵尸=。一口住罕N注§=0.013Rc^4叉排E上一1甘~2*IO'l口—|禹F.t-210-1~2-1OR管排修正系数ez排数1234568121620顺排0.690.800.860.900.930.950.960.980.991.0叉排0.620.760.840.880.920.950.969.980.991.0五、自然对流换热因温度差引起的自然对流边界层和强迫流动明显不一样，它具有单峰形状，这种速度分布是在密度差和流体粘性的共同作用下形成的。自然对流换热时速度场和温度场相互锅合，因此求解比强迫流动更困难些。自然对流换热计算中出现了一个新的巳定准则数一Gr数。它是决定自然对流流动状态的基本因素。自然对流换热对物体的形状、朝向特别敏感，选取准则数方程时应给予足够的注意。极限情况下甚至可能转变成纯导热。近年在自然对流换热领域出现较多形式复杂、自变量覆盖面广的新准则数关联式，它们适应了计算机计算的需要。1、无限空间自然对流换准则数方程壁面形状、位置及边界条件C、n定型尺寸适用范围流态Cn常壁温，垂直平壁或垂直圆筒，平均Nu层流0.591/4.^■Pi-104〜1①紊流0.11/3高度h-1甘〜1/常热流，垂直平壁或垂,层流0.61/5局部点高度XUr*1\--W5■-1U11

直圆筒，局部Nux紊流0.171/45；1七-2x1U11■-1U1C常壁温，水平圆筒，平均Nu层流1.020.148外径d,3yPi一〜1O30.8500.188■3.-Pi-W'~1040.4800.250-104~107紊流0.1251/3r7j-Tt_1ri/--1ri1J常壁温，热面朝上或冷面朝下，平均Nu层流0.541/4矩形取两个边长的平均值；非规则形取面积与周长之比；圆盘取0.9d。<yrT-r_：?*•-F：u|「|U紊流0.151/3MR-Zx"〜1011常壁温，热面朝下或冷面朝上，平均Nu层流0.581/5-1。'〜IO112、有限空间自然对流换准则数方程有限空间中的自然对流是流动和换热形态都相当复杂的一类情形，工程上经常简化为按“导热”的形式来处理，并由此引入当量导热系数的概念。IB相JNu8及Gr8的定型尺寸均为夹层厚度6；定性温度为：，H为竖直夹层高度。夹层位置关联式适用范围垂直夹层（气体）R--1纯导热：「无5血(应咨叽=0.18济炉-|7P1X肱)层流5、-"CJUU2X1U"(计叽=Q.Q65Grf-1?■?1璀)紊流5、-■-切><1U7水平夹层（热面在下）（气体）皿3_0.059(0^P1)045上=1/LJU--/UUU泌『-0.212。七工1尹5、LT-/UOU-工打X1成朋％—□.□61〔6土尹5-l\r>1U"倾斜夹层（热面在下与水平夹角为。）（气体）(1708)Nus=1+1.4461,Prcos8Jr7rPrU—17mF：--0F\「ii-•-Prcog〜％23x1i'i1也气-r.i.1V«三飞J?rcos邳坎55、lYcc-s^-土妇x11?•-1口'六、基本要求及例题熟练应用准则数方程求解对流换热系数及换热量。例题1、流量为120kg/h的机油在内径为13mm的管内流动，并从100C冷却到60C。管子内壁温度为20C。试计算所需管长L和对流换热系数h?解：(1)例题1、流量为120kg/h的机油在内径为13mm的管内流动，并从100C冷却到60C。管子内壁温度为20C。试计算所需管长L和对流换热系数h?解：(1)查物性值，流体温度=-ft+，，=-x^OO+^0；=80'」J2c机油的物性值为Pf=852.02kg/m3，入f=0.138W/(m・C)，cf=2131J/(kg・C)，Prf=490，vf=37.5X10-6m2/s，uf=0.03195kg/(m•s)(2)求雷诺准则Re流体流速m—ajD-4】120—xO.0132切U4=0.295m/s雷诺数吧0.029X0.013&=-=—37.5xlO-6"=102.2<2200，流动为层流。>1/3f\0.14代入巳知数据得r0.01311Zl仲』3195]0.138=l.S6x102.2x490x——X、0.73940.14109h=1(a)由热平衡得EdS-匕)吗(tf，2131xflOO-60)hL=1160.1(b)1200.013£xf^O-20)=x硕口联立求解式(a)、(b)得：h=33.4W/(m2・C)L=34.74m(4)检验2131xflOO-60)hL=1160.1(b)-=102x490x四芝=lg,7RePr〉10所以以上计算有效，即h=33.4W/(m2・°C)L=34.74m。例题2、某锅炉厂生产的220t/h锅炉的低温段管式空气预热器的设计参数为：顺排布置，s1=76mm,s2=57mm,管子外径d0=38mm，壁厚6=1.5mm；空气横向冲刷管束，在空气平均温度为133C时管间最大流速u1ma「6.03m/s，空气流动方向上的总管排数为44排。设管壁平均温度t「165C束与空气间的对流换热系数。如将管束改为叉排，其余条件不变，对流换热系数增加多少;求管解：（1）计算Ref,max由定性温度tf=133C查附录，得空气的物性值为:=0.344W/(m・C)vf=27.0X10-6m2/sPrf=0.684w=165C查得Prw=0.682。于是Re=f,maxU6.03xO.03B27.0xl0-^=8487）求顺排时的对流换热系数hfxO.OSS□0344=0.27X84870.63X0.6840.38X解得对流换热系数为hf=63.66W/（m2・C）（3）求叉排时的对流换热系数Prw)hxD.038

f代入数据得：口•口3心=0.35X84870.60X0.6840.38X0.684LL张:N0.25x0.2解得叉排时的对流换热系数为hf=66.64W/(m2・°C例题3、水平放置蒸汽管道，保温层外径d=583mmo算保温层外壁的对流散热量？壁温tw=48C周围空气温度七=23C。f=-(f+f)=+23)解：定性温度VW二N=35.5C据此查得空气的物性值为七=0.0272W/（m・C），=3.24xl0-3r-1T渺3+33.1mvm=16.53X10-6m2/s，Pr”=0.7判据(GrPr)=m威网％升5.31x3.24x102"'m=4.03X108<109<16.53x10流动属于层流，查表得C=0.53、n=1/4。于是对流换热系数为:h=0.530.0272。=0.53X(4.03X108)1/4X=3.5W/(m2・C)单位管长的对流散热量为q：=hndo(t^-t^)=3.5X3.14X0.583X(48-23)=160.2W/m例题4、温度分别为100C和40C、面积均为0.5X0.5m2的两竖壁，形成厚6=15mm的竖直空气夹层。试计算通过空气夹层的自然对流换热量？解：(1)空气的物性值定性温度tm=0.5X(100+40)=70C，据此，查附录得空气的物性值为Xm=0.0296W/(m・C)，Pm=1.029kg/m3，七=20.60乂10-6kg/(m・s)2734-7[|6口t=2.915X10-3K-1，Prm=0.694，由此V=^=^Ox10-\2002x10-6运动粘度为1