管内强制对流传热
第5章 对流传热理论与计算-5-实验关联式与自然对流
六 计算中需要注意的问题
3 注意的问题
（1）判断问题的性质
这是正确求解对流传热问题的关键。流体有无发生相 变？是自然对流还是强制对流？内部流动还是外部流动？ 流态是层流还是湍流？
（2）选择正确的实验关联式
切忌张冠李戴，特别注意公式的适用范围，切不可随
意外推
40
六 计算中需要注意的问题
f w
0.14
2
33
（2） Hausen公式
若 Ref Prf
L /d
10时
Nuf
3.66
1
0.0668
0.04
Ref dL
Prf d L Ref Prf
2
3
可用于热入口段或混合段的层流对流传热
34
四 过渡区强迫对流传热的计算
过渡区：难以找到既简便又精确的计算公式
气体被加热时
气体被冷却时
c t
T T 0.55 fw
ct 1
对液体
m
c t
f w
m 0.11 液体受热时
m 0.25
液体被冷却时
24
引入修正系数ct来考虑不均匀物性场对换热的影响
Nu f
0.023
Ref0.8
Prfn
c t
气体被加热时
气体被冷却时
5.5 管内强迫对流传热的实验关联式
说明：
（1）管槽的含义：流动截面是圆形、椭圆形、正 方形、矩形、三角形等
（2）本节内容的重要性： ——指导工程计算的基础、给出的关联式是工程计算 的依据，必须掌握 ——考试的必考内容
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。
提高管内强制对流表面传热系数的方法
提高管内强制对流表面传热系数的方法管道传热是工业生产中常见的一种热传递方式，对流传热是其中重要的一种方式。
为了提高对流传热系数，可以从多个方面入手。
本文将从增大管道内流体的速度、改变管道的形状、增加管道内部的摩擦力等方面，介绍一些提高管内强制对流表面传热系数的方法。
1.增大管道内流体的速度增大管道内流体的速度是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
当流体的速度增大时，流体与管道表面的摩擦力增大，流体的动能也增大，这些均会促进传热。
此外，增大流体速度还可以增加管道内流体的湍流程度，从而进一步增加传热系数。
2.改变管道的形状改变管道的形状也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置螺旋形的障碍物，可以增加流体与管道表面的接触面积，从而增加传热系数。
此外，改变管道的截面形状，比如在管道内部设置凸起或凹陷等形状，也可以增加流体与管道表面的接触面积，增加传热系数。
3.增加管道内部的摩擦力增加管道内部的摩擦力也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置细小的凸起或凹陷，可以增加流体与管道表面的接触面积，增加传热系数。
此外，可以在管道内部设置不同形状、大小的障碍物，增加流体与管道表面的摩擦力，从而增加传热系数。
4.改变流体的物性改变流体的物性也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，可以改变流体的密度、粘度、热导率等物性参数，从而影响传热系数。
此外，可以在流体中添加一些传热介质，如金属粉末、碳纤维等，也可以提高传热系数。
5.增加管道内部的传热表面增加管道内部的传热表面也是提高管内强制对流表面传热系数的一种有效方法。
比如，在管道内部设置多层管壁，增加管道内部的传热表面，从而增加传热系数。
此外，可以在管道内壁上涂覆高导热材料，增加管道内部的传热表面，提高传热系数。
提高管内强制对流表面传热系数需要综合考虑多个因素，如流体速度、管道形状、管道内部的摩擦力、流体的物性等。
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
管内强制对流传热膜系数的测定
装订 线实验报告课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。
2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。
3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。
4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。
5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。
二、实验内容1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。
2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。
3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。
4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。
5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。
6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。
三、实验原理流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述：()w Q A t A T t αα=∆=− （1）式中 Q ——总传热速率，W ；α——对流传热膜系数，W/ m 2·K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；t w ——固体壁面温度，K 。
如果能够用实验直接测定流体温度T 和固体壁面温度t w ，,则可以根据式（1）的关系直接计算对流膜系数α ：()w Q Q A t A T t α==∆− （2）对于多数情况而言，直接测定固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。
传热学第六章
流动全部为紊流
局部传热系数关联式 Nuxm 0.0296Rex4m/5Prm1/3
平均传热系数关联式 Num 0.037Rem4/5Prm1/3
Rex=0≥108 0.6 Prm 60
混合边界层
h
1 l
xc
0
hcx
dx
1
l
xc
hcx
2 dx
Rem
u d o
层流 Rem 1.4 105
层流、紊流的转变
特征速度 来流速度 u∞ 特征尺寸 管外径 d0
Rem＞1.4 105
定性温度 热边界层的平均温度 tm=1/2(t∞+tw)
1.流动的特征
圆柱前半部，沿流动方向流体处于加速减压状态，沿流向压 力逐渐减小。圆柱后半部，沿流向压力逐渐增加。最大粘滞 摩擦力处于圆柱表面处，因而圆柱表面附近的流体受到的阻 力最大。
小结：利用关联式获取表面换热系数的关键步骤
1，熟悉对象：如流过平板、圆柱、球或管束； 2，确定特征温度，查表获取特征温度下流体的热物理参数； 3，确定特征长度，计算Re数； 4，确定要获取局部、还是平均表面换热系数； 5，选择合适的关联式计算无量纲表面换热系数，即Nu数； 6，计算换热系数。
2017/10/23
第六章 单相对流换热的实验关联式
Convection Heat Transfer
§6-1 管内强制对流传热
6.1.1管内强制对流流动和换热的特征
入口段 充分发展段
1. 层流和湍流判别
层流： Re 2300 过渡区： 2300 Re 10000 旺盛湍流： Re 10000
Nu f
(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
传热学-学习课件-6-3-3 管槽内层流强制对流换热关联式
传热学 Heat Transfer
主讲老师：王舫 适用专业：能源与动力工程专业
传热学 Heat Transfer
第六章 单相对流传热的实验关联式
传热学 Heat Transfer
6.3.3 管槽内层流强制对流换热关联式 R e f 2300
均匀热流 均匀壁温
传热学 Heat Transfer
补充：
求管长: 求出换热系数后，利用公式
h dl(tw
tf
)
um
d2
4
cP (tf
tf
)
如何从质量流量求速度
um
m
d2
4
传热学 Heat Transfer
Thanks
1、齐德-泰特关联式（入口段）
Nu f
1.86
Re l
f
/
Prf d
1/ 3 f
w
0.14
适用的参数范Βιβλιοθήκη ：管子处于均匀壁温P r f 0 .4 8 ~ 1 6 7 0 0 , f 0.0044 ~ 9.75，
Re f Prf l/d
1/3 f
w
0.14
w
2。
定性温度为流体平均温度tf（ηw 按壁温tw确定） 特征长度为管内径。
传热学 Heat Transfer
2、层流充分发展换热的Nu数
教材表6-2给出了不同截面形状的管槽内层流充分发展 换热的Nu数。
对于圆管：
Nu f 4.36 Nu f 3.66
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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=0.4；当流体被冷却时，n=0.3。
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=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）。
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=0.48～16700，，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。