对流换热公式汇总与分析..

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——牛顿冷却公式：

q?h(tw?tf) (W/m2)

或Am2上热流量 ??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,?,?,?,l)

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

内部流动换热 受迫对流换热 外部流动 圆管内受迫流动 非圆形管内受迫流动 外掠平板 外掠单管 外掠管束（光管；翅片管） 无相变换热 自然对流换热 对流换热 混合对流换热 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 受迫对流与自然对流并存 垂直壁凝结换热 凝结换热 相变换热 沸腾换热 水平单圆管及管束外凝结换热 管内凝结换热 大空间沸腾换热 管内沸腾换热（横管、竖管等） 1.1.1 圆管内受迫对流换热 (1)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?1.86Re1/3fd1/3?f0.14Pr()()

l?w1/3fd1/3?f0.14或写成 Nuf?1.86(Pef)()

l?w式中引用了几何参数准则

d，以考虑进口段的影响。 l?f适用范围：0.48?Pr?16700，0.0044?()?9.75。

?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

?fd [(Re?Pr)1/3()0.14]?2

l?w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?4.36(q?const)Nuf?3.66(tw?const)(2)过渡流换热公式

对于气体，0.6?Prf?1.5，0.5?TfTw

?1.5，2300?Ref?104。

TfdNuf?0.0214(Re0f.8?100)Prf0.4[1?()2/3]()0.45

lTw对于液体，1.5?Prf?500，0.05?PrfPrw?20，2300?Ref?104。

Prf0.11dNuf?0.012(Re0f.87?280)Prf0.4[1?()2/3]()

lPrw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。

(3)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?0.023Re0f.8Prf0.4 (tw?tf) 冷却流体 Nuf?0.023Re0f.8Prf0.3 (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，Ref?104，Prf?0.7~160。

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：

?f0.14Nuf?0.023RePr()

?w0.8f1/3f式中，?f和?w分别为流体温度tf和壁温tw下的流体动力黏度，N?s/m2。当加热液体时，tw?tf，则??f/?w?0.14?1；反之，当冷却流体时，??f/?w?0.14?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。 (4)粗糙管公式

fSt?Pr2/3?

8式中的St?hNu?和Pr均采用流体平均温度tf作为定性温度。 ?cpmRe·PrR)?1.74]?2 ks紊流摩擦系数： f?[2?lg(对于Re?103~2?105范围内还可以采用布拉修斯公式：f?0.3164Re?1/4

2对于已有的实际设备，亦可经由实验测定?p和um后按式?p?fl?um

d2计算f，这样与实际情况更符合。 1.1.2 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de。

4fde?

U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 。

d Rd液体 ?R?1?10.3()3

R式中 R——螺旋管曲率半径，m； d——管直径，m。 1.2 外部流动 1.2.1 外掠平板

(1)层流边界层段公式(常壁温)

气体 ?R?1?1.77边界层厚度 ??5.0Cf,x2xRex

局部摩擦系数

1/2?0.332Re? x式中雷诺准则Rex?u?x?。

常壁温平板局部表面传热系数： hx?0.332?x/21/3Re1 xPr/21/3写成无量纲准则关联式： Nux?0.332Re1 xPr对长度为l?m?的常壁温平板，平均表面传热系数：

lh??hxdx/l?2hl0 h?0.664?lNu?0.664Re1/2Pr1/3Re1/2Pr1/3

在实际计算时，物性参数可按边界层平均温度tm?(tf?tw)/2确定。 (2)紊流边界层段公式(常壁温)

柯尔朋类比律：

Stx?Pr2/3?Cf,x/2