如何计算对流传热系数_图文
传热学第五章 对流换热计算
2019/11/12
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华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
③短管 当管子的长径比l/d<60时，属于短管内流动换 热，进口段的影响不能忽视。此时亦应在按 照长管计算出结果的基础上乘以相应的修正
系数Cl。 cl 1 d l 0.7
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第五章 对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算 §5-2 流体外掠物体的对流换热计算 §5-3 自然对流换热计算
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2 管内强制对流换热的准则关系式 ①管内紊流换热准则关系式
迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）公式
Nu 0.023Re0.8 Prn
特征尺寸为d，特征流速
采用的定性温度是t f tf tf
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大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物 性修正项 。
气体 液体
ct
Tf 1
ct
f f
Tw 0.5
0.11 w
0.25 w
第四节对流传热
含义
Nu
Re Pr Gr
L
lu
表示对流传热系数的准数
流体的流动状态和湍动程 度对对流传热的影响
Re
Cp
普兰特数 (Prandtl number)
格拉斯霍夫数 (Grashof number)
Pr
2
表示流体物性对对流传热 的影响
表示自然对流对对流传热 的影响
Gr
l g t
l —特征尺寸
基本因次：长度L，时间 ，质量 M，温度T 变量总数：8个 由定律（8-4）=4，可知有4个无因次数群。
l
lu C p l g t K 2
3 2 a b c
Nu K Re Pr Gr
☺思考：与u、d有何比例关系？
0 . 023
d ( du
)
0 .8
(
cp
u
0 .8 0 .2
) 0 . 023
n
u d
0 .8 0 .2
0 .8
cp
0 .8
n
1 n
di
提高管内对流传热系数的措施： • u,u0.8 • d, 1/d0.2 • 流体物性的影响，选大的流体 •强化措施：增大流速，减小管径
第四节
给热系数
一、对流传热速率方程—牛顿冷却定律
Q At t 1 A
—牛顿冷却定律
热流体：
Q T A T TW
冷流体： Q t A t W t
牛顿冷却定律存在的问题：
Q
表面对流传热系数计算
表面对流传热系数计算
表面对流传热系数是指在单位时间内，通过单位表面积的热量与表面温度梯度之间的比例关系。
计算表面对流传热系数的方法取决于表面的形状、流体的性质以及流动条件。
以下是一些常见的计算表面对流传热系数的方法：
1. 牛顿冷却定律法：牛顿冷却定律是最基本的传热计算方法之一。
它基于实验数据或经验关联式，通过测量表面温度和流体温度来计算传热系数。
这种方法简单易用，但通常适用于简单形状的表面和特定的流动条件。
2. 类比法：类比法是利用相似表面或流动条件下已有的传热系数数据来估算目标表面的传热系数。
这种方法基于经验或相似性原则，适用于相似的几何形状和流动情况。
3. 数值计算方法：随着计算机技术的发展，数值计算方法如有限元法（FEM）和有限差分法（FDM）被广泛应用于复杂表面和非稳态传热问题的求解。
这些方法通过对表面和流体进行离散化，求解能量方程来获得传热系数。
4. 理论分析法：对于一些简单的几何形状和理想流动条件，可以通过理论分析来推导传热系数的表达式。
例如，对于平板表面的强制对
流，可用努塞尔数（Nusselt number）和雷诺数（Reynolds number）之间的关系来计算传热系数。
需要注意的是，以上方法仅提供了一些常见的计算表面对流传热系数的途径，具体的计算方法应根据实际情况选择适当的公式或模型，并结合实验验证来确保准确性。
在实际应用中，还需要考虑表面粗糙度、流体物性、边界条件等因素对传热系数的影响。
如何计算对流传热系数PPT课件
流体被加热时n=0.4；冷却时n=0.3
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若使用条件不满足上述条件时，需修正：
（1）对于短管
当
8
§4-17 流体做强制对流时的 对流传热系数
一、流体在圆形直管内强制对流传热
经验关联式为： Nu 0.023Re0.8 prn
或
0.023
d
du
0.8
cp
n
使用范围： Re 104 0.6 pr 160
从分发展段以后： 管长与管径之比 l d 50
如何计算对流传热系数
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§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
0.14
（3）管内层流
当液体被冷却时
w
0.14
0.95
层流 导热 自然对流 α↓ p226式5-65和式5-66
对流传热→要求强化→避免层流
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对流传热系数详解课件
利用粒子图像测速系统，结合温度 测量技术，获取流体的速度场和温 度场分布，从而计算对流传热系数 。
数值模拟优化
计算流体动力学（CFD）
通过建立流体的数学模型，利用计算机模拟流体的流动和传热过 程，优化对流传热系数的预测。
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习算法，对大量历史数据进行分析和学习， 提高对流传热系数的预测精度。
通过对流传热系数的测量和评估，可 以合理设计建筑外围护结构，提高建 筑物的保温、隔热性能，降低建筑能 耗，同时为建筑环境设备如空调系统 的优化提供依据。
能源利用与节能
在能源利用与节能领域，对流传热系数是评估能源转换和利用效率的关键参数。在燃烧、热力发电等 过程中，对流传热系数的优化有助于提高能源转换效率。
在工业热力过程中，对流传热系数的大小直接影响到换热 器的设计、热能利用率以及工业设备的性能。通过研究和 优化对流传热系数，可以提高工业生产的效率和能源利用 水平。
建筑环境与设备工程
在建筑环境与设备工程中，对流传热 系数是评估建筑外围护结构热工性能 的重要参数。外围护结构的传热性能 直接影响到建筑物的能耗和室内环境 舒适度。
多物理场耦合模拟
考虑流体的多物理场特性，如流动、传热、化学反应等，进行耦合 模拟，以更准确地模拟对流传热过程。
强化传热技术
01
02
03
表面强化技术
通过改变流体接触面的材 料和结构，如采用粗糙表 面、微细沟槽或添加增强 材料，提高传热效率。
插入物强化技术
在流道中插入导热性能良 好的材料或结构，如肋片 、螺旋线圈等，增加传热 面积和传热速率。
经验公式法通过对大量实验数据进行统计分析，得出对流传热系数的计算公式。 这些公式通常基于一些物理参数，如流体的性质、温度、压力等。使用经验公式 法可以快速估算对流传热系数，但精度受到实验数据和经验总结的限制。
传热之对流传热与传热计算讲解
Wh r Wccpc (tc 2 tc1 )
Wh 2210.9 2000 2.5 (70 20)
Wh 113.08kg / h
传热过程计算
总传热速率计算
Q KAtm
与K相对应的 总传热面积 m2
---总传热速率方程
总传热系数 W/（m2•℃）
传热平均温差 ℃
K---总传热系数
管外侧对流 传热热阻
管壁导热 热阻 管内侧对流 传热热阻
热阻：内外表面污垢热阻分别为Rsi和Rso
d0 d0 1 1 bd0 Rs 0 Rsi K 0 0 d m i di di
传热过程计算
总传热速率计算
Q KAtm
---总传热速率方程
传
热
本章章节
第一节
第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
概述（重点）
热传导（重点） 对流传热（重点） 传热过程计算（重点） 对流传热系数经验关联式 辐射传热 换热器
对流传热
对流传热过程分 析
湍流主体传热方式为对流传热 层流底层传热方式为热传导
固体层传热方式为热传导
热量从热流体经过固体层传递到 冷流体过程中，两侧壁面处的层 流底层是传热阻力的主要部分 强化对流传热，就要加大流体湍 流程度，减小层流底层的厚度
对流传热
对流传热速率方程---牛顿公式
推动力 速率 系数 推动力 阻力
t 量均为某一局部参数 dQ dA t 1 局部对流传热系数 dA
工程计算中采用平均值： 管内 dQ i (T Tw )dA i
Q At
平均对流传热系数 总传热面积
α不是物性参数
管外 dQ 0 (tw t )dA 0
实验五-对流传热系数
3．Re与Nu的计算
Re
du
4Vs di
1.274
Vs di
式中 di———管内径 , m；
———定性温度下空气的粘度， Pa·S；
Nu
idi
式中 —定性温度下空气的导热系数，
W(m·℃)。
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三、实验装置及流程
• 1．实验流程 • 本实验有四套套管换热器组成，其中一套是螺
• 6.改变空气流量，稳定后，读取数据。 • 7.实验结束后，先打开空气调节阀后关闭风机，
最后关闭总电源开关。
• 8.读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。
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五、思考题
• 1.实验过程中，蒸汽温度改变对实验结果有什
么影响？如何保持蒸汽温度恒定？
i
WC p (t出 t进 ) Stm
1 1 b 1
K i o
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3
二、基本原理
b
1 0
1
与i
相比很小可以忽略，所以
K
i
，
这样做避免了壁温的测量。
根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系
Q KStm WC p (t出 t进 )
tm
T t出 T t进 ln T t出
• 3.实验过程中，如何判断传热达到稳定？ • 在实验进行一段时间后，如果在温度显示仪上
蒸汽的温度和空气的出口温度都为稳定值，即 表示传热达到稳定。
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五、思考题
• 4.蒸汽冷凝过程中不凝性气体存在对实验结果会有什么影 响？应采取什么措施解决？
(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
努赛尔数与对流传热系数关系式
努赛尔数与对流传热系数关系式
（实用版）
目录
一、努赛尔数与对流传热系数的定义
二、努赛尔数与对流传热系数的关系式
三、如何利用关系式计算对流传热系数
四、实际应用中的例子
五、总结
正文
一、努赛尔数与对流传热系数的定义
努赛尔数（Nu）是一个无量纲数，用于描述流体在对流传热过程中的热传导性能。
它反映了流体与固体壁面之间的热交换强度，是流体动力学与热传导之间的耦合参数。
对流传热系数（h）表示单位时间内，单位传热面积上流体与固体壁面之间因对流而传递的热量。
对流传热系数是评价换热器性能的重要指标，其值越大，表示换热器的传热效果越好。
二、努赛尔数与对流传热系数的关系式
努赛尔数与对流传热系数之间的关系式为：h = α * Nu^2 / ΔT，其中，α为热传导系数，Nu 为努赛尔数，ΔT 为流体与固体壁面之间的温差。
由此可知，对流传热系数与努赛尔数的平方成正比关系。
三、如何利用关系式计算对流传热系数
根据上述关系式，我们可以通过测量流体与固体壁面之间的温差ΔT，以及计算努赛尔数 Nu，来计算对流传热系数 h。
在实际应用中，通常需要根据具体的传热过程和换热器的结构特点，采用实验方法或数值模拟方法来确定这些参数。
四、实际应用中的例子
在实际应用中，努赛尔数与对流传热系数的关系式被广泛应用于优化换热器的性能。
例如，在设计空气冷却器时，可以通过调整冷却器的结构，如增加散热片、改变空气流动方式等，来增加努赛尔数，从而提高对流传热系数，达到提高冷却效果的目的。
五、总结
总之，努赛尔数与对流传热系数之间的关系式为评价换热器性能提供了一个重要的理论依据。
对流换热系数表面传热系数
导热热阻：平壁，圆筒壁
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
r
导热热阻 单位导热热阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
tw1
Q
A
x
tw2
图1-3 导热热阻的图示
§2-4 通过肋片的导热及传热强化
第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：
热导率 [W (m C)]
密度 [kg m3]
比热容 c [J (kg C)] 动力粘度 [N s m2 ]
运动粘度 [m2 s] 体胀系数 [1 K]
1 v 1 v T p T p
h (流体内部和流体与壁面 间导热热阻小 )
对自然对流的微分方程进行相应的分析，可得到一个 新的无量纲数——格拉晓夫数
Gr
gtl 3 2
式中： —— 流体的体积膨胀系数 K-1 Gr —— 表征流体浮生力与粘性力的比值
(2) 量纲分析法：在已知相关物理量的前提下，采用 量纲分析获得无量纲量。
2 常见无量纲(准则数)数的物理意义及表达式(很重要）
、c h (单位体积流体能携带更多能量)
h (有碍流体流动、不利于热对流)
自然对流换热增强
综上所述，表面传热系数是众多因素的函数：
h f (v, tw, t f , , cp , ,,, l,Ω)
4 Biv Fov 物理意义
hl l
Bi ＝
管强制对流传热计算[详解]
![管强制对流传热计算[详解]](https://img.taocdn.com/s3/m/bed1b43f905f804d2b160b4e767f5acfa1c7837a.png)
4.3.4 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。
4.5_对流传热系数
n
流体无相变时，对流传热系数的关联式 (2) 流体在圆形直管内作强制层流
使用准数关联式时,需要注意以下几点:
1 应用范围：Re，Pr等准数的应用范围
2 定性温度： 决定准数中各物性的温度
（1） 取平均温度 t=(t1+t2)/2
（2） 取壁面的平均温度 tw
（3） 取流体和壁面的平均温度(膜温)
a c 2e f b 1 c d 2e f g 3e f 1
从而
=Amc-2e-fl1-ccpcr2e+f(bgDt)eufl3e+f-1
l
r 2 l 3 b gDt e mc p c A( ) ( ) ( ) 2 l m m l
强 > 自
6）传热面的形状，大小和位置 形状：如管、板、管束等；
大小：如管径和管长等；
位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角形 排 列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
二、对流传热过程的量纲分析
量纲分析法：
1）实验和理论结合的方法，目的是减少变量数，从而减 少实验次数；
2）物理方程两边量纲必相等—因次一致性原则；
2 3
1 4
或
* 1.88 Re 1 / 3
适用条件：Re<2100
湍流 或
rr gl 0.068 mlDt
2 3
1 3
0.0077 Re 0.4
适用条件：Re>2100 特性尺寸l：管或板高H 定性温度： 蒸汽冷凝潜热 r 取其饱和温度 t0下的值， 其余物性取液膜平均温度（膜温 ）。
tm=(tw+t)/2
实验指导-对流传热系数的测定
对流传热系数的测定实验一． 实验目的1． 掌握对流传热系数的测定方法；2． 学习确定对流传热关联式中系数A 和指数的方法； 3． 了解套管换热器的结构； 4． 学习测温热电偶的使用方法。
二． 实验内容1． 测定空气在套管换热器内管中作强制对流时的对流传热系数； 2． 利用图解法确定准数关联式中的常数A 和。
三． 实验原理对流传热系数是研究传热过程和换热器性能的重要参数。
本实验以空气为冷流体流过套管换热器的内管，饱和水蒸汽作为热流体流过环隙，故以下仅就空气在圆形直管内作强制湍流流动时的对流传热系数的测定进行讨论。
空气在管内被加热，据牛顿冷却定律有： 式中, 传热量Q ，W ；A: 空气在管的内表面积，m 2 T: 传热管内表面的平均温度, ℃ t: 空气的平均温度, ℃t 1: 空气进口温度，℃ t 2: 空气出口温度，℃。
因传热管为紫铜管，导热系数很大，且管壁很薄，故可认为近似于传热管外壁表面的平均温度。
对于强制对流，准数Gr 可忽略，故 式中系数A 和指数可用图解法和多元线性回归法确定。
本实验采用图解法。
用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量和分别回归。
为便于掌握此关联方法，可取你＝0.4（因实验中空气被加热），这样就把多变量方程简化为单变量方程了。
即或对上式两边取对数，得一直线方程在双对数坐标系中以为 纵坐标， 为横坐标，对实验数据进行标绘时，所得直线的斜率即为方程式中的指数。
系数A 可由截距求出。
()Q T t Aα=⋅-⋅ t 12t +t ＝2Re m nNu A Pr =⋅⋅0.4Re m Nu A Pr =⋅⋅0.4RemNu A Pr =⋅0.4ln ln ln ReNu A m Pr=+⋅0.4ln NuPrln Re四. 设备主要技术数据2.空气流量计(1) 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。
空气流量由公式[1]计算。
（第1套）6203.00)(113.18P V t ∆⨯= (1)其中，0t V - 20℃ 下的体积流量，m 3/h ；P∆-孔板两端压差，Kpa1tρ-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m 3。
化工原理：5_4对流传热系数关联式
3.流动形态 层流、湍流
湍 > 层
4. 传热面的形状，大小和位置 •形状：如管、板、管束等； •大小：如管径和管长等； •位置：如管子的排列方式（管束有正四方形和三角 形排列）；管或板是垂直放置还是水平放置。
5. 是否发生相变 蒸汽冷凝、液体沸腾
3
相变 > 无相变
返回
5-14 对流传热系数经验关联式的建立
(2.585
)0.8 (6.04)0.3
1320w /
m2
?C
或
0.02
(d2 de d1
)0.5 Re0.8
Pr1/ 3
0.02
0.128 0.013
( 0.051)(2.585 )0.8(6.04)1/3 0.038
1410w / m2 ºC
19
返回
P198 (5-21) 解：
tm
27
50 2
38.5ºC时,查得苯的物性为:
CP 1.77kJ / kg?ºC, .5 Pa • s, Wm•?C
ms1c p1 (T1
T2 )
ms2cp2 (t2
t1)⇒
ms2
2730
4195kg
/
h
Re = d2u
d2G
0.033
4195 / 0.785
3600
9
104
返回无相变有相变一强制对流时的对流传热系数管内管外二自然对流时的对流传热系数管束外换热器管间湍流层流reprnuprnugr三蒸汽冷凝时的对流传热系数四液体沸腾时的对流传热系数返回三实验安排及结果整理以强制湍流为例
第四节 对流传热系数关联式
5-13 对流传热系数的影响因素 5-14 对流传热系数经验关联式的建立
如何计算对流传热系数
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1
§4-15 影响对流传热系数的因素
一、引起流动的原因
1 强制对流：通过外力对流体作功迫使流体流动 2 自然对流：由于流体内部存在温度差而引起的流动 设ρ1、 ρ2 分别代表温度为t1、t2两点流体的密度，β为其平均 体积膨胀系数；
②其它参数一定，u一定， α与d的0.2次方成反比，改变管 径对α的影响不大。
③其它参数一定，V一定， α与d的1.8次方成反比，改变管 径，缩小管径将使 α ↑。
u0.8
d 0.2
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10
（4）过渡流(Re=2000~10000) 因湍流不充分，滞流内层较厚，故热阻大而值减小，此时 算得的值须乘以小于1的校正系数f
f 1 6105 Re1.5 （5）圆形弯管 离心力作用 扰动加剧 α↑
乘以校正系数 1 1.77 d
R
（6）非圆形管道
两个途径： ⅰ、当量直径 ⅱ、直接根据有关经验公式计算
12
【补例】列管换热器的列管内径为15mm，长度为2.0m。管 内有冷冻盐水（25%CaCl2）流过，其流速为0.4m/s，温度自 -5℃升至15℃。假定管壁的平均温度为20℃，试计算管壁与 流体间的对流传热系数。
解：定性温度=(-5+15)/2=5 ℃
有关手册查得5℃时25% CaCl2的物性为
18
3、列管式换热器
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