管强制对流传热计算
对流换热系数经验公式
对流换热系数经验公式流换热系数是热工学中重要的参数之一，用于描述流体与固体之间传热的能力。
在工程实践中，经验公式被广泛应用于估算流换热系数。
这些公式基于大量实验数据和数学模型的结果，可以在不需要复杂计算和精确数据的情况下，快速估算流换热系数。
常见的流换热系数经验公式可以分为两类：表观流换热系数经验公式和基本流换热系数经验公式。
表观流换热系数经验公式是根据表面上特定的物理现象和实验数据建立的。
这种公式主要用于估算被表面积限制而产生强制对流的情况下的流换热系数。
其中最著名的公式是Dittus-Boelter公式。
这个公式适用于流体为与壁面接触时液体或气体的传热，是工程实践中常用的公式之一、Dittus-Boelter公式的形式如下：Nu=0.023*Re^0.8*Pr^0.3其中Nu是表观流换热系数，Re是雷诺数，Pr是普朗特数。
雷诺数是流体动量与粘性之比的无量纲数，普朗特数是冲击与传导传热之比的无量纲数。
这个公式适用于在平直管内被流体完全充满的情况下。
另一个常见的表观流换热系数经验公式是Sieder-Tate公式，用于粗糙管内的对流传热计算。
Sieder-Tate公式的形式如下：Nu=(f/8)*(Re-1000)*Pr/(1+12.7*(f/8)^0.5*(Pr^(2/3)-1))其中f是摩擦系数，由Darcy方程计算，Re是雷诺数，Pr是普朗特数。
这个公式主要用于对流传热比较复杂的状况。
基本流换热系数经验公式是根据流体与固体之间传热机理的基本原理建立的。
这种公式适用于在不同传热条件下的流换热系数估算。
其中最著名的公式是Nu-Prandtl公式和Churchill-Bernstein公式。
Nu-Prandtl公式适用于流体被不同形状物体包围的情况下。
公式的形式如下：Nu=C*Re^m*Pr^n其中Nu是流换热系数，Re是雷诺数，Pr是普朗特数，C、m和n是经验系数。
这个公式的系数可以根据实验数据和数值方法进行拟合获得。
管内强制对流传热膜系数的测定实验报告
管内强制对流传热膜系数的测定实验报告一、实验目的本实验旨在通过实验测定管内强制对流传热膜系数，并掌握传热膜系数的测定方法和技术。
二、实验原理管内强制对流传热是指在管内流体中，由于流体的运动而产生的传热现象。
传热过程中，液体或气体与固体表面接触时，会因为温度差而发生传热。
在强制对流条件下，由于流体的动力作用，会增加固体表面附近的液体或气体的速度，从而增加了固体表面附近的换热系数。
本实验采用垂直放置的管道，在管道内通过水来进行强制对流传热。
通过测量水进出口温度差、水流量以及管道内壁温度差等参数，计算出管内强制对流传热膜系数。
三、实验器材1. 垂直放置的导热试件2. 水泵和水箱3. 流量计和温度计等测试仪器四、实验步骤1. 将导热试件放入垂直放置的试件支架中，并连接好进出水管道。
2. 打开水泵，调整水流量，使其稳定在一定范围内。
3. 测量进口和出口水温，并计算出温度差。
4. 测量导热试件内壁的温度差。
5. 根据测量得到的参数，计算出管内强制对流传热膜系数。
五、实验结果分析通过实验测量和计算，得到了不同条件下的管内强制对流传热膜系数。
根据实验结果可以发现，在相同的流速下，传热系数随着壁温度差的增大而增大。
这是因为在强制对流条件下，液体或气体与固体表面接触时，会因为温度差而发生传热。
当壁温度差增大时，液体或气体与固体表面接触的面积增大，从而增加了换热系数。
六、实验误差分析本实验中可能存在的误差主要来自于以下几个方面：1. 测量仪器误差：如温度计、流量计等仪器精度限制；2. 实验环境误差：如室内温度变化、水泵压力变化等；3. 实验操作误差：如读数不准确、流量控制不稳定等。
七、实验结论本实验通过测量水进出口温度差、水流量以及管道内壁温度差等参数，计算出管内强制对流传热膜系数。
实验结果表明，在相同的流速下，传热系数随着壁温度差的增大而增大。
本实验为管内强制对流传热膜系数的测定提供了一种简单有效的方法和技术。
各种对流换热过程的特征及其计算公式
各种对流换热过程的特征及其计算公式对流换热是指热量通过传导和传导的方式从一个物体转移到另一个物体的过程。
在许多工程和自然现象中，对流换热都起着重要的作用。
下面是各种对流换热过程的特征及其计算公式。
1.强制对流换热：强制对流换热是指通过对流传热介质（如气体或液体）的外力驱动，使热量从一个物体转移到另一个物体的过程。
其特征包括：-较高的传热速率：由于外力使传热介质保持流动状态，因此强制对流传热速率较高。
-计算公式：Q=h*A*(Ts-T∞)其中，Q是传热速率，h是对流换热系数，A是传热面积，Ts是表面温度，T∞是流体温度。
2.自然对流换热：自然对流换热是指在没有外力驱动的情况下，通过自然气流或自然对流传热介质（如气体或液体）进行热量传输的过程。
其特征包括：-由温度差引起的自然循环：由于温度差异造成的密度差异，导致气体或液体在物体表面形成循环，从而传热。
-计算公式：Q=α*A*ΔT其中，Q是传热速率，α是自然对流换热系数，A是传热面积，ΔT 是温度差。
3.相变换热：相变换热是指物体在相变过程中吸收或释放的热量。
其特征包括：-温度保持不变：当物体处于相变过程中时，温度保持不变，热量主要用于相变过程。
-计算公式：Q=m*L其中，Q是传热速率，m是物体的质量，L是单位质量的相变潜热。
4.辐射换热：辐射换热是指通过电磁辐射传播热量的过程。
其特征包括：-不需要传热介质：辐射传热不需要传热介质，可以在真空中传递热量。
-计算公式：Q=ε*σ*A*(Th^4-Tc^4)其中，Q是传热速率，ε是辐射率，σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，A 是物体表面积，Th和Tc分别是辐射物体和周围环境的温度。
总结：不同的对流换热过程具有不同的特征和计算公式。
在实际应用中，根据具体的情况选择适当的计算公式可以帮助我们准确计算和分析热量的传递过程。
要注意，实际的对流换热过程可能是多种换热方式的复合，需要综合考虑不同的换热方式。
制药化工原理：强制对流传热系数的测定
t1，t2 —流体进出口温度 C
◆ 以空气为介质的实验及其传热量Q计算中的质
量流量W为:
W 1.293V0
其中：
V0
V T0 P0
P1 P2 T1 T2
来公 源式
式中： V —空气转子流量计在操作状态
下示值 M 3 h
V0—标准状态下气体流量 M 3 h
★ 外套管由五段法兰联接的钢管制成，这 是为了便于安装铠装热电偶。管外包有聚氨 酯泡沫塑料保温。
四、 操作要点
㈠. 在实验开始前，必须掌握UJ—63电位差计的使 用方法。 ㈡. 实验开始时，先通空气。再通加热蒸汽。并打 开放气咀8，待空气排净后再关小，但在整个实验过 程中，它始终微开（以冒少量蒸汽为宜），以便不 凝性气体能连续排除。
V f —转子体 M 3 ；
S f —转子最大部分截面积 M 2 。
★ 列出流量计标定时和使用时的流量:
V1 CR SR
2gVf (f 1 ) Sf 1
及 V2 CR SR
2gVf (f 2 ) Sf 2
因为转子浮升高度相同，S R，V f ， 相
Sf
同可约去孔流系数，C
也可认为不变。对于
R
气体流量计f ， 上式为：
V2 1
V1
2
★对低压气体服从理想气体状态程 PM ，
RT
代入得:
V2 V1
P1 T2 P2 T1
★有时为了工艺计算需要，将V2 换算为标准
状态下流量：
V0
V1
T0 P0
P1 P2 T1 T2
式中： V0 —标准状态下流量；
⒉以空气为被加热介质的实验中，当流量增
大时，管壁温度将发生什么变化？为什么？
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
自然对流及强制对流及计算实例
自然对流及强制对流及计算实例自然对流和强制对流是流体传热过程中两种常见的方式。
本文将分别介绍自然对流和强制对流的概念及原理，并给出两个计算实例。
一、自然对流自然对流是指在一定温度差的作用下，由于密度差异而产生的流动。
当热源加热后，周围的流体受热膨胀，密度减小，上升；而冷却的流体密度增大，下降。
这种密度差异引起的流动即为自然对流。
自然对流的计算通常基于格拉希霍夫数（Grashof number），其计算公式为：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2其中，g为重力加速度，β为热膨胀系数，Ts为表面温度，T∞为远场流体温度，L为特征长度，ν为流体的运动黏度。
计算实例：假设有一个热源表面温度Ts=100°C，周围流体的温度为T∞=20°C，表面积为A=2m^2，特征长度L=1m，流体的运动黏度为ν=0.01m^2/s，重力加速度g=9.8m/s^2，热膨胀系数β=0.001K^-1、求解此情况下的格拉希霍夫数。
解：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2=9.8×0.001×(100-20)×1^3/0.01^2=7840根据格拉希霍夫数的大小，可以判断自然对流的状况。
当Gr<10^8时，自然对流的影响较小；当10^8<Gr<10^10时，自然对流的影响较大；当Gr>10^10时，自然对流的影响非常显著。
二、强制对流强制对流是通过外部力驱动流体运动，使传热加剧的一种方式。
常见的外部力包括压差、气流、涡流等。
强制对流通常具有较高的传热效率和传热速度。
强制对流的计算通常基于雷诺数（Reynolds number），其计算公式为：Re=ρ×V×L/μ其中，ρ为流体密度，V为流体速度，L为特征长度，μ为流体的黏度。
计算实例：假设有一段液体流经一个直径为0.1m的水管，流速为1m/s，液体密度为1000kg/m^3，液体黏度为0.01kg/ms。
(化工原理)第五节 对流传热系数关联式
Nu=0.26Re0.6Pr0.33
应用范围 Re>3000
特错列征管尺距寸最狭管处外的径距do,离流应速在取(流x1-体do通)和过2每（排t2-管d0 子）中二最者狭之窄中通取小道者处。的速度。 管束排数应为10，若不是10，上述公式的计算结果应乘以下表的系数
流体无相变时的对流传热系数-12
流体有相变时的传热系数-12
二、液体的沸腾
大容积沸腾 管内沸腾
流体有相变时的传热系数-13
1.液体沸腾曲线
气化核心 泡核沸腾 或泡状沸腾 临界点 膜状沸腾
流体有相变时的传热系数-14
2.沸腾传热系数的计算
泡核沸腾传热系数的计算式
α=1.163Z(Δt)2.33 (Eq. Mostinki) 式中 Δt——壁面过热度,℃。
上式应用条件为： pc>3O00KPa, R = 0.01～0.9,q<qc 式中 Z——与操作压强及临界压强有关的参数,W/(m2•℃),其计
算式为：
流体有相变时的传热系数-16
3.影响沸腾传热的因素
（1）液体性质 （2）温度差Δt （3）操作压强 （4）加热壁面
4-5-5 壁温的估算
2.流体在换热器的管间流动
换热器内装有圆缺形挡板时,壳方流体的对流 传热系数的关联式如下：
应用范围 Re =2×1O3～10×105 特征尺寸 当量直径de 定口性温温度度的算除术μ平w均取值壁。温外,均取为液体进、出
流体无相变时的对流传热系数-13
管子为正方形排列 ：
管子为正三角形排列 ：
（2）高粘度的液体
应用范围 Re>10000,0.7<Pr<16700,L/d>60 特征尺寸 取为管内径di 定性温度 除μw取壁温外,均取为液体进、出
对流换热计算实例
计算已定准则 计算公式 计算表面传热系数
Re f
ud
30
102 1.25102 124 106
30.24
Nu f
1.86Re
Pr
1/ f
3
d l
1/
3
f w
0.14
12.585
h Nu f f d
12.585 13.9 102 1.25 102
139.9W/ m2 K
计算出口温度
l
2
散热量
1 hAtw t hdltw t
4.48 3.14 10102 2 50 10 112.5W
水平部分
Grm
gtd 3 2
gtl 3
Tm 2
9.81 50 10 10102 30 273 16 106 2
3
5.059 106
计算公式
Num
0.48Gr
Pr
hdil
tf
5253
41.21103 3.14 28103
1.7
15
67.5℃
从管内壁到管外壁进行的热量传递过程为通过圆筒壁的导 热，所以可以根据圆筒壁导热量计算公式计算管外壁温度
' two twi
1
2l
ln
do di
two
'
1
2l
ln
do di
twi
41.21103 2 3.14181.7
t
" f
44.2℃
• 总加热量为 394.6W
•
定性温度：t f
1 2
t
' f
t
" f
1 10 20 15℃
2
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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。
当热入口段的长度远小于管长时，入口段的传热对全管长的传热影响可以忽略，总的平均对流传热系数与充分发展条件下的局部对流传热系数非常吻合。
当入口段的影响不能忽略时，则应引入管径与管长的比值加以修正。
下面将针对不同情况下流体在管内作强制对流传热时的实验关联式分别进行讨论。
一、流体在圆形直管内作湍流时的对流传热系数
由于流体呈湍流时有利于传热，故工业上一般使对流传热过程在湍流条件下进行。
实用上使用最广的关联式是迪图斯-贝尔特公式，即
或（4-73）式中，当流体被加热时，n=；当流体被冷却时，n=。
上式适用于流体与管壁温差不大的场合，对于气体，其温差不超过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=×104～×105，Pr=～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=
对流传热系数为
显然，当流体在管内作对流传热时，管截面上各点的流体温
度不同，就会引起流体粘性的变化，从而导致速度分布的变化。
这种变化在流体被加热或被冷却时情况不同，图4-20示出速度分
布的这种差别。
当液体被冷却时，由于液体的粘度随温度降低而
增大，因而近壁处液体的粘度较管中心处的大，与等温流动相
比，近壁处流体温度低，粘度大，流速小，而在管中心处流体的
温高，粘度小，流速大，当液体被加热时，情况恰好相反。
至于
气体，由于气体的粘度随温度升高而增大，气体的速度分布变化
正好与液体的情况相反。
总之，流体被加热或被冷却时的速度分
布不同于等温流动，这种变化将引起近壁处流体的温度梯度的变
化和湍流时层流底层厚度的变化，从而导致了对流传热系数的变
化。
因此，当液体被加热或气体被冷却时的对流传热系数比液体
被冷却或气体被加热时大。
对于粘度较大的流体，这种影响更为
明显。
为了补偿管内温度分布不均匀对对流传热的影响，在实用
计算中，通常是在所
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。
当温差超过推荐的温差范围时或对于粘度较高的液体，由于管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主体处粘度相差较大，如果采用迪图斯-贝尔特公式，则计算的误差较大，因此可以采用齐德-泰特公式进行计算
（4-74）
式中的特征长度为管内径d，定性温度为流体的平均温度，mw表示是以管壁温度选取的流体粘度。
上式的实验验证范围为：，Pr=～16700, 管长与管内径之比。
由于管壁温度的引入使计算过程变得烦琐，因而在工程计算中常近似为：
当液体被加热时，取；当液体被冷却时取。
对于短管（管长与管径之比）内的强制对流传热，由于其全部或绝大部分的管段处于热边界层尚未充分发展的入口段。
因此，在计算对流传热系数时应进行入口效应的修正，即
（4-75）
式中a为采用式（4-73）或式（4-74）计算的对流传热系数，a'为流体流经短管的平均对流传热系数。
二、流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热系数
管内流动处于过渡流状态时，即在2300<Re<104的范围内，其传热情况比较复杂。
在此情况下的对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即
（4-76）
式中a为采用湍流时的经验关联式计算的对流传热系数，a'为过渡流状态下的对流传热系数。
还可以采用格尼林斯基公式计算，该式既适用于过渡流状态也适用于湍流状态[1]：
（4-77）
式中
对于液体
对于气体
式中以流体平均温度作为定性温度，下标w表示以壁面温度为定性温度，T的单位为K。
关联式的应用范围为：Re=2300～106，Pr=～105。
注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效应的修正系数，在应用于短管的计算时不需要再乘入口修正系数。
三、流体在圆形直管内作层流时的对流传热系数
流体在圆形直管中作层流强制对流传热的情况比较复杂，因为附加的自然对流往往会影响层流对流传热。
只有在小管径，且流体与管壁的温度差别不大的情况下，即时，自然对流的影响才能忽略。
在工程实际中，可采用下述经验关联式计算
（4-78）式中，除了mw以外，定性温度均取流体的平均温度，特征长度为管内径d。
适用范围为：Re<2300，
Pr=～16700，，且管壁处于均匀壁温。
当时，可按式（4-78）计算出对流传热系数，然后再乘以修正系数得到
（4-79）
流体作层流时的对流传热系数关联式有多种不同的形式，但到目前为止还不成熟，计算误差较大。
例4-4在内径为50mm，长3m的圆形直管内，5℃的水以50kg/h的流量流过，管内壁的温度为90℃，水的出口温度为35℃。
试计算水与管内壁之间的对流传热系数。
解管内水的定性温度为（5+35）/2=20℃，根据定性温度，查取水的物性为
，，
由管内壁的温度可得，
由题设可得，kg/（m2·s）
则
从而可应用式（4-78）计算水与管壁之间的对流传热系数
对流传热系数为
四、流体在圆形弯管内的流动
由于弯管内的流体在流动中连续地改变方向，因此在管内的截面上会因离心力引起
二次环流，从而加剧了扰动，强化了对流传热，如图4-21所示。
对于流体在弯管内
的对流传热计算，可先按圆形直管的经验关联式计算对流传热系数a，然后再乘以大
于1的修正系数，即可得在弯管中的对流传热系数a'，即
，式中R为弯管轴的曲率半径。
五、流体在非圆形管内的流动
对于流体在非圆形管内的对流传热系数计算，上述有关的经验关联式均可以应用，只是需将经验关联式中的特征长度由圆管内径d改为流通截面的当量直径de即可。
但这种计算方法只是一种近似计算流体对流传热系数的方法，计算精度较差。
因此，对于一些常用的非圆形管道，宜采用根据实验得到的关联式。
如套管环隙内的对流传热关联式为
（4-81）
上式的定性温度为流体的平均温度，适用范围为：Re=12000～220000，。
式中d1和d2分别为内管外径和外管内径，de=d2-d1为套管环隙中流通截面的当量直径。