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1、对流换热公式汇总与分析【摘要】流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，称为对流换热，它已不是基本传热方式。本文尝试对对流换热进行简单分类并对无相变对流换热公式简单汇总与分析。【关键词】对流换热类型公式适用范围对流换热的基本计算形式一一牛顿冷却公式：q=h(twtf)(W/m2)或Am2上热流量：:二h(tw-tf)(W)上式中表面传热系数h最为关键，表面传热系数是众多因素的函数，即h=f(u,tw,tf,Cp,匚，JI)综上所述，由于影响对流换热的因素很多，因此对流换热的分析与计算将分类进行，本文所涉及的典型换热类型如表1所示。表1典型换热类型1.受迫对流换热1.1内部流动对流换热无相变换
2、热受迫对流换热内部流动换热圆管内受迫流动非圆形管内受迫流动外部流动外掠平板外掠单管外掠管束(光管；翅片管)自然对流换热无限空间竖壁；竖管横管水平壁(上表面与下表面)有限空间夹层空间混合对流换热受迫对流与自然对流并存相变换热凝结换热垂直壁凝结换热水平单圆管及管束外凝结换热管内凝结换热沸腾换热大空间沸腾换热管内沸腾换热(横管、竖管等)圆管内受迫对流换热层流换热公式西德和塔特提出的常壁温层流换热关联式为Nuf.1.86Re1f/3Pr；/3()1/3f)0141卩w或写成Nuf=1.86(Pefd)1/3()0.141卩w式中引用了几何参数准则-，以考虑进口段的影响。11适用范围：0.48:：:Pr
3、16700，0.0044:：:()：9.75。二w定性温度取全管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径d。如果管子较长，以致(Re.pr-)1/3f-)0.14H21%则Nuf可作为常数处理，采用下式计算表面传热系数。常物性流体在热充分发展段的Nu是Nuf二4.36(q=const)Nuf=3.66(tw=const)过渡流换热公式对于气体，0.6:Prf:1.5，0.5：匚：:1.5，2300:Ref:104。TwNuf=O.O214(Re0.8-1OO)Pr0.41(?)2/3(上)645lTwPr对于液体，1.5：Prf：500，0.05-20，2300:Ref:104。PrwNuf=O.O
4、12(Re；.87-28O)Pr0.41(-)2/3(-PL)011lPrw式中Prf管子进出口断面温度下的Pr平均值；(d/l)2/3修正管子长度的影响。紊流光滑管公式对于紊流光滑管内紊流，使用最广泛的关联式是迪图斯-贝尔特公式:加热流体NUf=O.O23Re；8Pr0.4鼠t)冷却流体NUf=0.023Ref8Pr3(tw:tf)适用于流体与壁面具有中等以下温度差。适用参数范围：(l/d).10，Ref104，Prf=0.7160。定性温度取全管长流体平均温度，定型尺寸为管内径d。对于液体，当与管壁间的温差比较大，导致黏度有明显的变化时，则可采用关联式：NUf=0.023Ref8Pr；/3
5、(=0.14w式中，f和Jw分别为流体温度tf和壁温tw下的流体动力黏度，Ns/m2。当加热液体时，tw：tf,则Jf/Jw0.14.1；反之，当冷却流体时,t40.14:1。此式修正了物性场不均性的影响，在计算时，若壁温未知，则须采用试算法进行，即先假定tw，最后进行校核。关于物性变化的修正，实际情况是较为复杂的，因为对于液体或气体、大温差或小温差、不同的流态等等，其影响的程度不尽相同。粗糙管公式St汉Pr2/38式中的St二旦和Pr均采用流体平均温度tf作为定性温度。PcpmRePr紊流摩擦系数:对于Re=1032105范围内还可以采用布拉修斯公式：f=0.3164Re1/4对于已有的实际
6、设备，亦可经由实验测定和um后按式.p=f丄乂d2计算f，这样与实际情况更符合。非圆形管内受迫流动对于非圆形管，例如椭圆管、矩形流道等，定型尺寸采用当量直径dede4f式中f流道断面面积，m2；U流体润湿的流道周边，m。求得当量直径后就可应用圆形管的公式计算。对于螺旋形管，如螺旋板式或螺旋管式换热设备，流体通道成螺旋形。在弯曲的通道中流动产生的离心力，将在流场中形成二次环流，增加了对边界层的扰动，有利于换热，而且管的弯曲半径越小，二次环流的影响越大。故求得的结果尚需乘以管道弯曲影响的修正系数；R，它大于1。气体；R=11.77-R液体；r=iio.3(g)3R式中R螺旋管曲率半径，m;d管直径
7、，m。(1) 1.2外部流动外掠平板层流边界层段公式(常壁温)边界层厚度：=5.0X&RexC局部摩擦系数亠二0.332Re：/22式中雷诺准则Rex=u%。V常壁温平板局部表面传热系数：hx=0.332ReX/2Pr1/3x写成无量纲准则关联式：NUx=0.332Rex/2Pr1/3对长度为丨m的常壁温平板，平均表面传热系数：ih=hxdx/2hi0人1/21/3h=0.664RePrl1/21/3Nu二0.664Re1/2Pr在实际计算时，物性参数可按边界层平均温度tm=(tftw)/2确定。(2) 紊流边界层段公式(常壁温)柯尔朋类比律：StxP宀Cf,x/2定性温度tm二勺W，近似适用
8、于Pr二0.550。2常壁温外掠平板紊流局部表面传热系数关联式Nux=0.0296Re：/5Pr1/3常壁温外掠平板紊流平均换热准则关联式0.81/3Nu=(0.037Re-870)Pr适用范围：0.6乞P60，5105乞Re辽108。定型尺寸为板长I，定性温度t(tftw)/2。外掠单管Nuf卩汽匹)0.25PrwC及；值列在下表中。定性温度为主流温度,外流速最大值。当Pr10时，Prf的幕次应改为0.36。二CRe；定型尺寸为管外径，速度取管适用范围0.7:：:Prf:500；1Ref:106；对于空气近似取Prf=0.7，故Pr037=0.88。表2C与；值外掠管束ReCn1400.75
9、0.4401030.510.5仆1032次1050.260.62汇1051汉1060.0760.7Nu=CRe；卩严/严芒广辽PrwS2式中，f为相对管间距；为排数影响的校正系数。定性温度用流体在管束中的平均温度，定型尺寸为管外径；Re中的速度用流通截面最窄处的流速（即管束中的最大流速）。表3管束平均表面传热系数准则关联式排列方式适用范围0.7Ph2S2Pr/厂1f、0.250.40RefPrf()Prw0.35Re；656Ref=2沢102汉10Pr0.022Re0.84Pr0.36()0.25Prw0.019Re；.84上表中所列的关联式是排数大于20时的平均表面传热系数。若排数低于20，
10、采用下表的排列修正系数修正，它适用于Re103的情况。表4排数修正系数表排数1234568121620顺排0.690.800.860.900.930.950.960.980.991.0叉排0.620.760.840.880.920.950.960.980.991.0(3) 般规律：叉排优于顺排，尾部漩涡的影响后排优于前排，20排的极限横排优于纵掠不适用于肋片管管束2. 自然对流换热2.1无限空间自然对流换热准则关联式为Nu二C(GrPr)n二CRan式中，Ra为瑞利准则Ra=GrPr；Grg、=tl32为格拉晓夫准则t+1f由下表给出，各式的定性温度均为边界层平均温度-二一-2在常热流边界条件
11、下q为已知量，而tw为未知，则Gr中的耳为未知量，为方便起见，在准则关联式中采用Gr”代替Gr，即Gr”为:Gr=NuGr二鸣如是，常热流条件下局部表面传热系数准则关联式为:Nux二C(GrPr)n表5C与n值壁面形状、位置及边界条件CCn定型尺寸适用范围流态Cn层GrPrtw=const竖平壁竖直流0.591/4高度h104109紊0.11/3圆筒，平均Nu流1091013q=const竖平壁或竖层Gr：Pr流061/5局部点的高度x1051011直圆筒，局部Nux紊流0.171/42疋101310160.148GrPr层1.020.1810/102tw=const水平圆筒平流0.850.4
12、88外径d102104均Nu0.250104107紊0.121/31071012流5tw=const热面朝上或冷面朝下的水平壁，平均Nu层流紊流0.540.151/41/3矩形取两个边长的平均值；非规则形取面积与周长之比；圆盘去0.9dGrPr462x1048x106c6“118汉1010tw=const热面朝下或冷面朝上的水平壁，平均Nu层流0.581/5同上GrPr5“111010关于自然对流换热的计算，丘吉尔和朱在整理大量文献数据的基础上推荐了竖壁和水平圆筒自然对流换热准则关联式，它们同时适用于常壁温和常热流两种边界条件，定性温度-=(twtf)/2。其中竖壁关联式还可用于偏离垂直线倾角
13、二:：:60的倾斜壁，但当Ra：109时,Ra中的g需乘以cost；当Ra109时，则竖壁：NuH二0.825适用范围：Rad由10水平圆筒：Nud=0.60适用范围：Rad由102.2有限空间不需要任何修正O+1(0.492/Pr)订0.387Ra1/621(0.599/Pr)9/168/270.387RaH/629/16.8/27因此通常把两侧的热流通过有限空间是冷热两壁自然对流换热的综合结果，换热用一个当量表面换热系数he表达，则通过夹层的热流密度q为q-he(tw1-tw2)封闭夹层空间换热准则关联式用下列形式表示dNu，C(Gr、Pr)m()nH式中，Nu、.及Gr的定型尺寸均为夹层厚度、：，m；定性温度为1tm=-(tw1tw2),C；H
