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1、1-2-4 对流传热系数关联式一、对流传热系数的影响因素实验表明，影响对流传热系数的因素主要有：1、流体的种类和相变化的情况2、流体的特性：1）流体的导热系数；2）粘度3）比热容cp、密度：cp代表单位体积流体所具有的热容量。4）体积膨胀系数：3、流体的流动状态层流和湍流的传热机理有本质区别：层流时，传热只是依靠分子扩散作用的热传导，故h就较湍流时为小；湍流时，湍流主体的传热为涡流作用的热对流，但壁面附近层流内层中为热传导，涡流使得层流内层的厚度减薄，温度梯度增大，故h就增大。湍流时的对流系数较大。4、流体流动的原因自然对流和强制对流的流动原因不同。强制对流：设1和2分别代表温度为t1和t2两
2、点的密度，则流体因密度差而产生的升力为(1-2)g。若流体的体积膨胀系数为，单位为1/，并以t代表温度差(t2-t1)，则可得1=2( t）于是每单位体积的流体所产生的升力为：（1-2）g=2（t）2g= 2gt 强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫使流体的流动。强制对流的对流系数大得多。5、传热面的形状、位置和大小传热管、板、管束等不同的传热面的形状;管子的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高度等，都影响h值。表示传热面的形状、位置和大小的尺寸称为特征尺寸，用l表示所以，h可以用下式表示:h=f（，cp，u，gt，l） （1）二、因次分析对流体无相变化的对流传热进行因次分析，得
3、到的准数关系式为: （2）式（2）中各准数名称、符号和意义列于下表中。准数名称符号准数式意义努塞尔特准数（Nusselt）Nu对流传热系数雷诺准数（Reynolds)Re确定流动状态普兰特准数（Prandtl）Pr物性影响格拉斯霍夫准数（Grashof）Gr自然对流影响 （3）各准数中物理量的意义为:l-传热面的特征尺寸，可以是管内径或外径，或平板高度等, m；t-流体与壁面间的温度差, ； -流体的体积膨胀系数, 1；在某些情况下，式（3）可简化如下:自然对流：Nu=f（Pr，Gr） （4）强制对流：Nu=f（Re，Pr） （5）对于各种不同情况下的对流传热的具体函数关系由实验决定。在使用由
4、实验整理得到的关联式时，应注意以下几点:（1） 定性温度 各准数中流体的物性应按什么温度查定。（2） 特征尺寸 Nu、Pr等准数中包含的传热面尺寸称为特征尺寸，通常是选取对流体流动和传热发生主要影响的尺寸。分圆管：取内径；非圆管，de应用范围 关联式中Re, Pr等准数的数值范围等。三、流体无相变时的对流传热系数（一）、流体在管内作强制对流1流体在圆形直管内作强制湍流对流传热计算中，规定Re10000为湍流，2300Re10000为过渡流。使用关联式应注意其具体条件。（1）低粘度（2倍常温水的粘度）流体 （6）或 （7）式中n值视热流方向而异，当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。
5、应用范围 Re10000，0.7Pr120；管长与管径比60。若60时，可将由式4-70算得的乘以进行校正。特征尺寸 Re、Nu等准数中的l取为管内径di。定性温度 取为流体进、出口温度的算术平均值。（2）高粘度的液体 （8）令 ，则 （9）式中项也是考虑热流方向的校正项。应用范围 Re10000，0.7Pr16700，60。特征尺寸 取为管内径di。定性温度 除取壁温外，均取为液体进、出口温度的算术平均值。2流体在圆形直管内作强制滞流流体在管内作强制滞流时，应考虑自然对流的效应，并且热流的方向对的影响也更加显著，情况比较复杂，关联式的误差比湍流的为大。当管径较小，流体与壁面间的温度差较小，流
6、体的/值较大时，自然对流对强制滞流传热的影响可以忽略，此时对流传热系数可以用下式求算，即: （10）应用范围 Re2300，0.6Pr100。特征尺寸 管内径di。定性温度 除取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。 应指出，通常在换热器的设计中，为了提高总传热系数，流体多呈湍流流动。3.流体在圆形直管中作过渡流 当Re=230010000时，对流传热系数可先用湍流时的公式计算，然后把算得的结果乘以校正系数，即可得到过渡流下的对流传热系数。 (11)4. 流体在弯管内作强制对流流体在弯管内流动时，由于受离心力的作用，增大了流体的湍动程度，使对流传热系数较直管内的大，此时可用下式计算，即:
7、(12) 式中 -弯管中的对流传热系数， W/()； -直管中的对流传热系数， W/()；d-管内径， m； R-弯管轴的弯曲半径， m。5流体在非圆形管内作强制对流此时，仍可采用上述各关联式， 只要将管内径改为当量直径即可。当量直径可用第一章中介绍的公式计算。但有些资料中规定用传热当量直径，其定义为: = 例如，在套管换热器环形截面内传热时的当量直径为: = 式中d1-外管内径， m； d2-内管外径， m。 传热计算中，究竟采用哪个当量直径，由具体的关联式所定。应予指出，将管内计算公式中的d改用de，是近似的算法。对套管环隙，用水和空气进行实验，可得的关联式为: (13)应用范围Re=12
8、000， =1.6517 特征尺寸当量直径de。定性温度流体进、出口温度的算术平均值。 式4-75亦可应用于求算其它流体在套管环隙中作强制湍流时的对流传热系数。二、 流体在管外强制对流 1 流体在管束外强制垂直流动管子的排列分为直列和错列两种。错列中又有正方形和等边三角形两种，如图321所示。流体在错列管束外流过时，平均对流传热系数可用下式计算，即： Nu= (14) 流体在直列管束外流过时，平均对流传热系数可用下式计算，即：Nu= (14a) 应用范围Re3000特征尺寸管外径d0，流速取流体通过每排管子中最狭窄通道处的速度。其中错列管距最狭处的距离应在(x1-d。)和2(t-d。)两者中取
9、最小者。2. 流体在换热器的管间流动列管式换热器，由于壳体是圆筒，管束中各列的管子数目不同，而且一般都有折流挡板，流体在管间流动时，流向和流速均不断地变化，因而在Re100时即可能达到湍流，使对流传热系数加大。折流挡板的形式较多图1换热器的折流挡板 如图1所示，其中以圆缺形(又称弓形)挡板最为常用。换热器内装有圆缺形挡板(缺口面积为25的壳体内截面积)时，壳方流体的对流传热系数的关联式如下: (1)Re=2 10 时 (15)或 (15a) 定性温度除取壁温外，均取流体进、出口温度的算术平均值。当量直径de可根据图2所示的管子排列的情况分别用不同的式子进行计算。图2管间当量直径的推导 (a)管
10、子为正方形排列: （16）(b)管子为正三角形排列: （16a）式中t- 相邻两管的中心距， m； -管外径， m。 式468及式468a中的流速u根据流体流过管间最大截面积A计算，即: （17） 式中h- 两挡板间的距离， m；D- 换热器的外壳内径， m。 (2) Re=3000020000时(多诺呼Donohue法)(18)或 (18a)式中各物理量的意义同前。上述诸式中，值为:对气体，1.0；加热液体时，1.05；冷却液体时，0.95。这些假设值与实际情况相当接近，一般可不再核算。此外，若换热器的管间无挡板，管外流体沿管束平行流动，则仍可用管内强制对流的公式计算，但需将式中的管内径改为管间的当量直径。三、 自然对流传热系数前已述及，自然对流时的对流传热系数仅与反映流体自然对流状况的Gr准数以及Pr准数有关，其准数关系式为: （19）对大空间中的自然对流，例如管道或传热设备的表面与周围大气之间的对流传热就属于 这种情况，通过实验测得的c和n值列于表4-9中。 表2式19中的c和n值加热表面形状特征尺寸(GrPr)范围cn水平圆管外径do0.531/40.131/3垂直管或板高度L0.591/40.101/3 式19中定性温度取膜的平均温度，即壁面温度和流体平均温度的算术平均值。