管内强迫对流换热计算
管强制对流传热计算
管强制对流传热计算公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300 时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。
入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。
如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值，上述规律如图4-19所示。
图中为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定（4-71a）管壁上热通量恒定（4-71b）湍流时（或40～60）（4-72）通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。
6.3内部强制对流
(3) 脱体的位置：取决于Re，即：
Re 10时，不产生脱体 10 Re 1.5 105时，流动是层流，产生 在80～85C Re 1.5 105时，流动是湍流，产生 在140源自左右(4) 外掠单管的当地对流
换热系数的变化
影响外部流动换热的因素， 除了以前各项外，还要考虑 绕流脱体的发生位置
2）若管子出口处的内表面温度为70℃，出口处
的局部对流换热系数多大？
Do 2 Di 2 L 4
Mcp (t "f t 'f )
L 17 .7 m
管壁内的均匀产热提供了均匀的表面热流密度
2 2 Do Di 4 2 q 1.5 10 W / m DiL 4 Di
查空气物性参数
22.87 106 m 2 / s, 0.953kg / m 3 , 0.319 W /(m K )
c p 1.009kJ /(kg K ), 21.8 106 m 2 / s, Pr 0.688
t ' t" t m 152 .2℃ t ' ln t "
非圆形截面的槽道，采用当量直径de作为特征尺度
1）当温度超过以上推荐值时，则可以采用下面任一个公式计算
1给迪图斯-贝尔特关联式加一个修正系数 ct
(a) 气体被加热时：
(b) 气体被冷却时： (c) 液体：
Tf ct T w ct 1
n
0.5
f ct w
(5) 圆管表面平均表面传热系数关联式
13 Nu m C Re n Pr m m t 15.5 ~ 982C t 21 ~ 1046C Valid for : w 0.7 Prm 500 5 0 . 4 Re 4 10 m
对流换热公式整理
/2 1/3 ， 0.664 Re1 x Pr x
（0.6<Pr<60）
/5 1/3 恒热流： Nu x 0.0308 Re 4 Pr x x
3 1 0.14
Pr f Prw
) 0.25 _________。
1.3 过渡流： Nu 格尼林斯基公式： f
Pr f 修正：①温差（加热或冷却）： Pr w
f Tf 或 或 T w w
k
0.7
l d ②入口段（短管 l/d<60）： 或 c l 1 d l
d 列齐德-泰特公式：__ Nu 1.86 Re Pr l f ________ w ( f 8 )(Re - 1000)Pr f d = 1 + ct 1 + 12.7 f 8(Pr f 2 3 - 1) l
③弯管：
d 气体：c R 1 1.77 R
d 液体： c R 1 10 .3 R
3
④非圆管：当量径：de = 4Ac/P 2.外部流： 2.1 平板：
1/3 2.1.1 层流： Nu x 0.332 Re 1x/ 2 Pr x /5 1/3 2.1.2 湍流： Nu x 0.0296 Re 4 Pr x x
对流换热公式
一、强制对流换热
l l 粘性流体强制流： Nu f l , Re, Pr l , Re, Pe 或 Nu f 0 0 l/d>60,短管 1．内部流（管内流，（长管 l/d&s-Boelter 公式：_ Nu 0.023 Re 0.8 Pr n _, 条件：__气体≤50℃，水≤20~40℃，油类≤10℃。 Re=104-1.2×105_， 定性温度为：流体平均温度，定性尺寸为：管内径。 ②温差大：修正或 米海耶夫公式：_ Nu f 0.021 Re 0f.8 Pr f0.43 ( 1.2 层流
5第五章 对流换热计算
d
d
层流：LTt w
0.055
Re
Pr;
t
Lqw 0.07
Re
Pr
d
d
紊流: L 50 d
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Center of Thermal Science & Engineering, HUST
2.管槽内流动与传热的入口段与充分发展段 • 内部对流传热时，边界层的形成和发展受管壁的
4hx
cpum d
利用在整个管长内的流动换热平衡关系式
( d2 /4)c pum
t
' f
t
" f
hdltm
可得出计算表面传热系数的平均温差表达式
tm
t"f t w t 'f t w
ln
t
" f
tw
t
' f
tw
其中，tf’, tf”分别为出口、 进口截面上的平均温度。
当进口与出口截面上的温差比(tw - tf'')/(tw - tf')在0.5 ~ 2之间时，可按如下算 术平均温差计算，结果的差别在4%以内。
例如：采用外部保温良好的均匀缠绕的电热丝加热流体。 均匀壁温边界条件：轴向及周向壁温均匀，也称恒壁温热 边界条件。
例如：采用蒸汽相变来加热或冷却流体。 热边界条件对表面传热系数的影响在湍流时可以不计。在 层流时，则不同热边界条件需要采用不同的关联式。
2014/11/26
11
华中科技大学传热与节能技术研究中心
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空气横掠单管强迫对流的换热实验
空气横掠单管强迫对流的换热实验热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流 体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时 的平均换热系数是传热中的基本实验。
本实验是测定空气横向掠过单 圆管时代平均换热系数。
一、 实验目的及要求1、 了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、 仪表的使用方法。
2、 通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理 的方法。
3、 实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时 的换热规律。
、 二、 实验原理1. 根据牛顿冷却公式:h —对流换热系数，［W/m2C ］；F —与流体接触的物体表面面积，［m2］; tf —流体平均温度，［C ］;t w —物体表面温度，［C ］。
Q = hF (t w -t f )(W) (6-2-1)式中 Q F(t w 7 )2(W/m-C) (6-2-2)Q—对流换热的热流，［W ］；本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定 时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流 Q ，即：Q= IU (W) (6-2-3)2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则 关系式来表示：对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数 Pr 变化很小,可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：Nu= f (Re )(6-2-4a)Re=VD雷诺数h—空气横掠单管时的平均换热系数，［W/m2-C ］；v —空气来流速度，［m/s ］;D —定型尺寸，取管子外径，［m ］;'—空气的导热系数，［W/m C ］;空气的运动粘度，［m2/s ］。
要通过实验确定空气横掠单圆管时的 Nu 与Re 的关系，就需要测定不同流速v 及不同管子直径D 时换热系数h 的变化。
因此，本实 验中要测量的基本量为管子所处的空气流速 v 、空气温度tf 、管子表 面温度t w 及管子表面散出的热量Q 。
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验
空气横掠单圆管时强迫对流换热实验空气横掠单圆管时强迫对流换热实验空气横掠单圆管时强迫对流换热实验精04 张为昭 2021010591一、实验原理根据相似理论，空气横掠单圆管强迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示：Nu =CRe n （1）式中,努谢尔特准则数Nu 为: Nu =hD /λl （2）雷诺准则数Re 为: Re =uD /v （3）这里，λ为空气的导热系数，v 为空气的运动粘度，是平均温度tm =(tf +tw )/2的函数,其中tw 为管外壁温,tf 为空气温度；D 为实验管的外径,u 为空气的流速。
关键的是对流换热平均表面传热系数h 的确定。
由对流换热平均表面传热系数h 的定义:h =Q a /F (t w −t f )式中,Qa 为管外表面与周围空气之间的对流换热量,管的外表面积F =πDL , L 为横管的有效长度。
考虑到管外表面在与周围空气对流换热同时,与周围环境间存在辐射换热。
即管的实际传出热量为:Q =Q a +Q f =hF (t w −t f ) +εC 0F (T w 4−T f 4) ×10−8 （5）其中,ε为实验管外表面的黑度,黑体辐射系数C 0=5.67Wm −2K −4。
这里, 假定环境温度即空气温度。
因此,横管外表面对流换热平均表面传热系数就可以由下式确定:h =[Q /F −εC 0(T w −T f 4) ×10−8]/(t w −t f ) （6）因此，对给定实验管，通过测量管的实际传出热量Q 、管外壁温tw 、来流空气的温度tf ，就可通过实验确定管外表面与周围空气之间对流换热平均表面传热系数h 。
由式(2)和(3)，通过改变气流速度或实验管直径,就可得到一系列Nu -Re 对应数据。
在数据足够多、Re 变化范围足够大的条件下，就可确定式(1)中的C 和n 的值。
二、实验数据列表u/m/s 3.07Q/w 54.73 54.18 54.55 186.84 201.37 186.22Tf/℃ 18 18 18 16 18 16Tw/℃ 64 69 74 101 118 118h/w /(m 2K )40.72 36.36 33.33 37.00 33.90 30.73Re 3543.73 2988.87 2252.59 8364.28 6543.15 5316.64Nu 29.86 26.47 24.09 52.07 46.70 42.342.63 2.013.973.26 2.63三、实验数据整理做出的Nu-‐Re曲线如下：Nu-‐Re曲线求得：C=0.1617，n=0.6389四、实验结果分析由三可见所求准则方程式与Re=4000~40000时的情况较为接近，但仍有所偏差，产生偏差的原因可能是：有部分Re 值小于4000造成了误差，从曲线图上也可以看出前后间隔较远的两组数据线性度较差；管内存在阻力损失使压力测量有偏差，导致速度测量不准确；速度测量时由于温度偏差带来偏差使雷诺数与理论值不同；加热功率计算未考虑电路损失，计算h 时产生了误差；插值求气体物性时产生了计算误差；实验环境只能近似视为无限大，同时管壁也不是严格的等壁温条件，在tf ，tw 的计算上会产生误差。
管内受迫对流换热
1.2 管内对流换热的实验关联式
一、 紊流换热关联式
• 适用范围
Re>104，旺盛湍流 Pr=0.7160，包括空气、水、油 (l/d)>>10，平均换热系数；如果是短管则需修 正 边界条件：给定温度或给定热流边界均可
气≤50℃
△ t = t w - tf 水≤20℃ 油≤10℃
不适用于液态金属，Pr~10-2
中等温差，非tin - tout
1.2 管内对流换热的实验关联式
二、 紊流换热修正关联式
1） 不均匀物性--粘度明显变化的情况 希得-塔特关联式：
f Nu f 0.027 Re Pr w
0.8 f 1/3 f
0.14
2） 不均匀物性—多样物性变化的情况 格尼林斯基关联式：
入口段长度 l： 层流： l/d ≈ 0.05RePr (常壁温); l/d ≈ 0.07RePr (常热流); 湍流 ： l/d ≈ 10~45d 入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。
层流底层 紊流层
计算h时， 注意管长 的适用性！
6/27
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度 1）流体的平均流速
4/27
高而逐渐减弱
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态）
换热的主要特点：
换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。
• Pr＝1 相等 • Pr>1 流动入口段 < 热入口段
• Pr<1 流动入口段 > 热入口段长
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态） 换热的主要特点：
0.4
,d
0.2
)
管强制对流传热计算
精心整理4.3.4管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
层流时湍流时-贝尔特公式，即或50℃；对于水，其温差不大于20℃～30℃；对于粘度随温度变化较大的油类其值不超过10℃。
上式适用的条件为：Re=1.0×104～1.2×105，Pr=0.7～120,管长与管内径之比。
所采用的特征长度为管内径d，定性温度则为流体的平均温度（即管道进、出口截面平均温度的算术平均值）。
例4-3常压下,空气在内径为25mm，长3m的圆形直管内流动，温度由5℃加热至15℃。
若空气的流速为12m/s，试求空气与管内壁之间的对流传热系数。
解定性温度为（5+15）/2=10℃，根据定性温度和压力，查取空气的物性为先计算雷诺数由上述计算可知，可以应用式（4-73）计算空气与管壁之间的对流传热系数，并取n=0.4采用的关联式中引入或来修正非均匀温度对对流传热系数的影响。
，Pr=0.7～16700,管长与管内径之比。
热传递与热量的计算
热传递与热量的计算热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。
在热传递过程中，热量会通过传导、传热和传辐射等途径传递。
在实际生活中，我们经常需要计算热量的大小，以便更好地理解和应用热传递的原理。
本文将介绍热传递的基本原理和常见的热量计算方法。
一、传导热传递传导热传递是指固体或液体内部热量的传递过程。
在传导热传递中，热量从高温区域传递到低温区域，其传热速率与传导物质的热导率、温度差以及传热长度有关。
计算传导热传递时，可以使用以下公式：Q = k * A * ΔT / d其中，Q表示传导热量，k表示传导物质的热导率，A表示传热截面积，ΔT表示温度差，d表示传热长度。
例如，我们有一个铝杆，热导率为200 W/(m·K)，传热截面积为0.01 m²，温度差为30 K，传热长度为0.1 m，那么我们可以通过上述公式计算出传导热量为：Q = 200 * 0.01 * 30 / 0.1 = 600 W二、对流热传递对流热传递是指通过液体或气体的流动来传递热量的过程。
在对流热传递中，热量主要通过流体的传送来实现，其传热速率与流体的流速、温度差以及传热面积有关。
对于强迫对流（即通过外力驱动流动）情况下的对流热传递，可以使用以下公式进行计算：Q = h * A * ΔT其中，Q表示对流热量，h表示对流换热系数，A表示传热面积，ΔT表示温度差。
例如，我们有一个水管，对流换热系数为1000 W/(m²·K)，传热面积为0.05 m²，温度差为10 K，那么我们可以通过上述公式计算出对流热量为：Q = 1000 * 0.05 * 10 = 500 W三、辐射热传递辐射热传递是指通过热辐射来传递热量的过程。
在辐射热传递中，物体表面发射的热辐射能量与物体的发射率、绝对温度以及表面积有关。
计算辐射热传递时，可以使用以下公式：Q = ε * σ * A * (T₁⁴ - T₂⁴)其中，Q表示辐射热量，ε表示物体的发射率，σ表示玻尔兹曼常数（约为5.67×10^(-8) W/(m²·K⁴))，A表示物体表面积，T₁和T₂分别表示物体表面和外界的绝对温度。
管强制对流传热计算
4.3.4 管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。
由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Re<2300 时，流体的流动为层流状态，当Re>10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为2300<Re<10000区域得流动为过渡状态，在三个区域内流体的对流传热规律不同。
对于湍流状态的对流传热规律是较容易关联的，过渡状态的对流传热很难关联成一个准确的计算式，而层流状态的强制对流还与自然对流有关，即与Gr数有关。
由于强制对流的流体流动中存在温度差异，必将同时引起附加的自然对流。
当雷诺数较大时，自然对流的影响很小，可以忽略不计。
一般认为时，就可忽略自然对流的影响；当时，则按单纯自然对流处理，介于其间的情况称为混合对流传热。
应当指出，图4-18的对流传热规律是在流动充分发展的情况下的结论。
从第一章可知，当流体由大空间流入一圆管时，流动边界层有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
类似地，当流体与管壁之间有热交换时，管内壁上的热边界层也有一个从零开始增长直到汇合于圆管中心线的过程。
通常将流动边界层及热边界层汇合于圆管中心线后的流体流动或对流传热称为已经充分发展的流动或对流传热，从进口到充分发展段之间的区域则称为入口段。
入口段的热边界层较薄，局部对流传热系数比充分发展段的高，随着入口的深入，对流传热系数逐渐降低。
如果边界层中出现湍流，则因湍流的扰动和混合作用会使局部对流传热系数有所提高，再逐渐趋向一定值，上述规律如图4-19所示。
图中为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。
对于管内强制对流，实验表明，热入口段的长度lt与管内径d之间存在以下关系层流时管壁上温度恒定（4-71a）管壁上热通量恒定（4-71b）湍流时（或40～60）（4-72）通常，工程上的对流传热主要讨论全管长上的平均对流传热系数。
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Nuf 0.023Ref0.8 Prfn
适用条件：
Ref 10 , l / d 10
4
0.7 Prf 160 ,
0.4 tw tf n 0.3 tw tf
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
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tf 1 1 t f t f 50 60 55℃ 2 2
（2）查物性参数：查得水的物性参数为：
=0.6535W / (m ℃， ) Pห้องสมุดไป่ตู้ 3.265, v 0.517 106 m2 / s
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
（5）计算表面换热系数
Nu 300.8 0.6535 h 3931.456W / ( m 2 ℃) d 0.05
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
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2. 实验关联式
(1) 迪图斯－贝尔特公式：对于流体与壁温相差不大的情 况（气体：t<50℃；水: t<30℃；油: t<10℃）
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(2) 齐德－泰特（Sieder-Tate)公式
适用条件：
f Nuf 0.027 Re Pr w
0.8 f 1/3 f
0.14
0.7 Prf 16700 , Ref 104 , l / d 60
(3) 米海耶夫公式
对于流体与管壁温度相差较大的情况，将上式乘以修正 因子ct ： 气体被加热：
Tf ct Tw
0.5
气体被冷却：ct=1 。
对于液体：
f ct w
n
液体被加热：n=0.11 液体被冷却：n=0.25
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
查物性参数
（2）计算雷诺数
ud Re v
（3）选取公式，计算Nu （4）计算对流换热系数
Nu h d
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
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水以0.8m/s的速度流经直径为50mm、长3m的直 圆管，如果管子进口水温为50℃，出口为60℃， 管壁温度为120℃，试求平均对流换热系数？ （不考虑对物性的影响） 解：（1）定性温度为：
传热学 Heat Transfer
马 强
承德石油高专热工系
传热学 Heat Transfer
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（1）算出口温度； （2）算管长
CDPC-pony
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hAt h dl (tW t f ) c p qm t c p qm (t f t f )
qm qv uA u
注意 注意 注意
d
4
2
一定要使用国际通用单位！！！ 一定要使用国际通用单位！！！ 一定要使用国际通用单位！！！
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
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1、计算步骤
（1）定性温度的选取
tf 1 t f t f 2
CDPC-pony
Nuf 0.021Re Pr
0.8 f
0.43 f
适用条件：
4
Prf Prw
0.25
0.6 Prf 700, 10 Ref 1.7510 , l / d 60
6
CDPC-pony
传热学 Heat Transfer
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（3）计算Re数为
Re ud 0.8 0.05 4 7.74 10 v 0.517 106
属于旺盛稳流阶段
（4）计算Nu
Nu 0.023 R e0.8 Pr 0.4 0.023 (7.74 104 )0.8 (3.265)0.4 300.8
(4) 格尼林斯基(Gnilinski)公式（1976）
2/3 f 8 Ref 1000 Prf d Nuf 1 ct 1/2 2/3 1 12.7 f 8 Prf 1 l
适用条件：
0.6 Prf 105 , 2300 Ref 106