如何计算对流传热系数

1
c p
2 lu Re
3 l N u

pr
流体物性对对流传热的影响
流体的流动状态和湍动程度对对流传热 的影响 对流系数的准数
N u f pr , Re
二、无相变化时自然对流下的α 3 2 g tl Nu pr 自然对流对对流传热的影响 Gr 2
α与流动的类型有关
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火
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二、流体的流动型态：层流和湍流
层流：流体在热流方向上基本没有混合流动 湍流：有混合流动，Re↑层流内层厚度δ↓ α↓ α↑
三、流体的性质
对α影响较大的物性主要有 cp 、λ、μ和ρ
5 6 10 f 1
Re
1 .5
（5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧
α↑
d 乘以校正系数 1 1.77 R （6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算 p227式5-70
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mh2=20000kg/h
t1=28℃
2
T
Q' Q
T1=63℃
t2 mh1=30000kg/h
?
1
t3
m’h1=15000kg/h T1=63℃
2
t2
T’2
单独进行计算
mh1=15000kg/h
一、无相变化时强制湍流下的α
f l , , u, , c p , , 0
七个物理量四个基本因次（质量M、长度L、时间θ、温度T ） π定理


3个无因次数群
1 , 2 , 3 0
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③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u 0.8 0.2 d
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【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度 自-5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁 与流体间的对流传热系数。
流体无相变化时 强制对流传热
自然对流传热
蒸汽冷凝传热 液体沸腾传热
流体有相变化时
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§4-16 因次分析在对流传热中的应用
α值
因数多
Baidu Nhomakorabea
实验测定
因次分析方法 无因次数群 再实验 确定关系
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图5-30
α
0.55
或 N u 0.36Re
pr
1
3
w

0.14
3 6 使用范围：Re 2 10 ~ 10
特征尺寸：当量直径de ，根据管子排列形式分别计算；
4 t 2 0.785d 0 正方形： d e d 0
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§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平 均体积膨胀系数； 如果 t1< t2 , 则 ρ1=ρ2 （1+β△t） 单位体积流体所产生的升力为 (ρ1 - ρ2)g= ρ2 g β △ t
乘以1.02~1.07的系数加以修正
（2）壁温与主体温度相差较大
考虑壁温对粘度的影响
在壁温未知的情况下 近似计算 （3）管内层流
N u 0.027Re
0.8
0.14
pr
0.33
当液体被加热时 w 当液体被冷却时 w

w
c p
d 0.015 而 Re Pr l 1848 20 2 276 .8 10
在本题条件下，管径较小，管壁和流体间的温度差也较小， 粘度较大，因此自然对流的影响可以忽略，故α可用式(5-65)计 算，即
d 1.86 Re Pr d l

1
3
W
du 0.023 d
0.8
c p
n
分析式中各项物理参数对对流传热系数α带来的影响： ①其他参数一定， α与u的0.8次方成正比，说明增大流速有 利于α的提高，但随u↑，阻力∑hf ↑，故应适当增大动力。
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
N u f pr , Gr
准数关联式是一种经验公式
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准数的符号与意义
准数名称 努塞尔特准数 Nusselt 符号 Nu 准数式 L/ 意义 表示对流传热 系数的准数
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【例5-16】已知Q’=4×105kJ/h，两个单程换热器： D=270mm，n=48，φ25×2.5mm，l=3m
液体 有机液 水 质量流量 比热 密度 导热系数 kg/h kJ/kg· K kg/m3 W/m· K 入口 出口 63 28 T2 t2 30000 20000 2.261 4.187 950 1000 0.172 0.621
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃ 有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
1230 kg / m 3
0.57W / m o C
3 2 . 5 10 pa s 20℃时，
c p 2.85kJ / kg o C


4 103 pa s
0.8
0.8
n
n
du 0.023 d
c p
使用范围： Re 104
0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50 定性尺寸： L取管内径 di 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值
温度℃
粘度 pa · s 1×10-3 0.742×10-3
问：（1）两个换热器能否满足要求？ （2）是并还是串？ 分析： 满足工艺要求
?
K?
α i? α o ?
Ri? Ro?
Q' Q KAt m
A=nπdl
Δtm? T1
KA ε-NTU NTU msc p
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t1 T2? t2?
则 Re
du


0.015 0.4 1230 1845 2400 （层流） 3 4 10
2.85 103 4 103 pr 20 0.57
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四、传热面的型状、大α小和位置
影响α值的有：传热管、板、管束等不同，传热面的形 状，管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板 的高度等
影响α的因数很多
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化工上常见的对流传热
经验公式的应用应注意以下四点：
1、应用范围
2、定性尺寸（特性尺寸）
各准数Nu、Re及Gr中的特性尺寸l代表哪一个尺寸，应遵照 所选用的关联式中规定尺寸
3、定性温度
确定准数中流体的物性参数cp、μ、ρ等所依据的温度即为 定性温度。 有的用流体进、出口温度的算术平均值 有的用膜温（即流体进、出口温度的算术平均值与壁面温 度平均值，再取两者的算术平均值）
雷诺准数 Reynolds 普兰特准数 Prandtl
格拉斯霍夫准数 Grashof
Re Pr Gr
Lu/ cp / g△tL3 2/2
确定流动状态 的准数 表示物性影响 的准数
表示自然对流 影响的准数
L—传热面的特征尺寸 m
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流体垂直流过单根圆管的流动情况
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2、流体在管束外横向流过的对流传热
N u C1C2 Re pr
n 0.4
式中常数C1C2和指数n见表5-5 错列的α比直列时大 适用范围 平均 α
1
t1 mh2=20000kg/h
Q' Q1 Q2
Q1 KAt m
?
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二、管外强制对流
1、流体绕单根圆管的流动情况
（a）流动情况 （b）对流传热系数变化情况 （图中αp表示局部对流传热系数，α表示平均对流传热系数）

1 A1 2 A2 3 A3
A1 A2 A3
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3、列管式换热器
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第四节 对流与对流传热系数
的获得主要有三种方法：
1．理论分析法：
建立理论方程式，用数学分析的方法求出的精确 解或数值解。这种方法目前只适用于一些几何条件简 单的几个传热过程，如管内层流、平板上层流等。 2．实验方法* ： 用因次分析法、再结合实验，建立经验关系式。 3．类比方法： 把理论上比较成熟的动量传递的研究成果类比 到热量传递过程。
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
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若使用条件不满足上述条件时，需修正： （1）对于短管 当l
30 ~ 40 时 尚未从分发展，滞流内层较薄，热阻小 d

0.14
1.05
0.14
0.95
层流
导热
α↓ p226式5-65和式5-66 自然对流 对流传热→要求强化→避免层流
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（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f

0.14
3 1 0.57 4 10 3 1.86 276.8 3 0.015 2.5 10
0.14
492.0W / m 2 o C
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主要取决于建立关联式时采用什么方法而定
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§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
经验关联式为： 或
N u 0.023Re pr