工程传热学第五章-对流换热计算
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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
5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
1.管(槽)内流动换热的特点
流体在管内流动属于内部流动过程，其主 要特征是，流动存在着两个明显的流动区段， 即流动进口（或发展）区段和流动充分发展 区段
弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由 于离心力的作用会形成垂直于流动方向 的二次流动，从而加强流体的扰动，带 来换热的增强。
弯曲管道流动情况示意图
在平直管计算结果的基础上乘以一个大 于1的修正系数 CR。 流体为气体时 ： CR＝1+1.77(d/R) 流体为液体时 ： CR＝1+10.3(d/R)3 R为弯曲管的曲率半径
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re umd 2200 —— 层流区
Re（220， 0104） —— 过渡区
适用范围 ：Re<2200，Pr>0.6 RePr d/L>10,用于平直管。特征尺寸、特 征流速和定性温度与管内紊流换热准则关 系式相同。
③管内过渡流区换热准则关系式
当 雷 诺 数 处 于 2200<Re<104 的 范 围 内 时 ， 管内流动属于层流到紊流的过渡流动状 态，流动十分不稳定。工程上常常避免 采用管内过渡流动区段。
当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上 流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影 响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化 导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进 而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。
液体被加热或气体被冷却
液体被冷却或气体被加热
恒定温度的情况
管内流动温度对速度分布的影响示意图
气体: N u 0.02R 10.8e 4 10P0 0.4 r 1 d l 23 T T w f 0.45
R 2 e2 1 00 0 ， P 0 r 0 0 .6 0 6 .5 ， T f 0 .5 1 .5 T w
(d 2 /4 )c p u m t'f t" f hd l tm
可得出计算表面传热系数的平均温差表达式
tm
t"f
tw t'f tw lnt"f tw
t'f tw
tm
t"f
tw t'f tw lnt"f tw
t'f tw
其中，tf’, tf”分别为进口、出口截面上的 平均温度。 当出口与进口截面上的温差比(tw - tf'')/(tw - tf')在0.5 ~ 2之间时，可按如下算术平均 温差计算，结果的差别在4%以内。
d
d
热进口段长度：层L 流 T tw0 .0 ： 5 RP 5erL q t;w0 .0R 7Per
d
d
紊流: L 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。
对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
tf(x ) t'f 4 q w x cp u m d t
tm tf tw tf (t'f t"f )/2
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
当管内流动的雷诺数Re≥104时，管内流体处于 旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用迪图 斯-贝尔特（Dittus-Boelter）准则关系式
N u0.02 R3 0.8 ePnr
特 采用征的尺定寸性为温d，度特是征t流f 速tf为tufm2 ，
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。
对于液体乘以 f w n
液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25(物性量的下标表示取值的定性温 度)
对于气体则乘以: Tf Tw n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
Re104
—— 紊流区
当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口 区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管 内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从 而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界 层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流 和紊流热边界层之分。
流动进口段： 层流 L0.： 0R 6 e 紊 ; :流 L50
流体物性量 为流体的平
均温度；流体被加热n=0.4,流体被冷却 n=0.3。
N u0.02 R3 0.8 ePnr
使用范围： 平直管，Ref = 104 1.2×105, Prf = 0.7 120, l/d 60；温差tw-tf较小，所 谓小温差是指对于气体≤50℃；对于 水≤20~30℃ ，对于油类流体≤10℃。
进口区：流动和热边界层从零开始增长， 直到汇合至管子中心线。管子进口到边 界层汇合处的这段管长内的流动称为管 内流动进口区。
充分发展区：边界层汇合于管子中心线 以后的区域，即进入定型流动的区域。
入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。
如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
tw
管内流体截面上的
t=C
平均温度
tf
tf AccputdA AccpudA
入口段 充分发展段 x
流体进口平均温度 恒热流时
当管壁温度为常数时，流 t
tw = C
体的温度随流动方向按如
tf
下指数规律变化
tf tw(t'f tw)ex p4Sd tx
恒壁温时
xFra Baidu bibliotek
利用在整个管长内的流动换热平衡关系式
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。
②管内层流换热准则关系式
当 雷 诺 数 Re<2200 时 管 内 流 动 处 于 层 流 状态，Sieder-Tate的准则关系式：
Nu1.86 RePrdl 13w f 0.14
§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
5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
1.管(槽)内流动换热的特点
流体在管内流动属于内部流动过程，其主 要特征是，流动存在着两个明显的流动区段， 即流动进口（或发展）区段和流动充分发展 区段
弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由 于离心力的作用会形成垂直于流动方向 的二次流动，从而加强流体的扰动，带 来换热的增强。
弯曲管道流动情况示意图
在平直管计算结果的基础上乘以一个大 于1的修正系数 CR。 流体为气体时 ： CR＝1+1.77(d/R) 流体为液体时 ： CR＝1+10.3(d/R)3 R为弯曲管的曲率半径
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re umd 2200 —— 层流区
Re（220， 0104） —— 过渡区
适用范围 ：Re<2200，Pr>0.6 RePr d/L>10,用于平直管。特征尺寸、特 征流速和定性温度与管内紊流换热准则关 系式相同。
③管内过渡流区换热准则关系式
当 雷 诺 数 处 于 2200<Re<104 的 范 围 内 时 ， 管内流动属于层流到紊流的过渡流动状 态，流动十分不稳定。工程上常常避免 采用管内过渡流动区段。
当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上 流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影 响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化 导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进 而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。
液体被加热或气体被冷却
液体被冷却或气体被加热
恒定温度的情况
管内流动温度对速度分布的影响示意图
气体: N u 0.02R 10.8e 4 10P0 0.4 r 1 d l 23 T T w f 0.45
R 2 e2 1 00 0 ， P 0 r 0 0 .6 0 6 .5 ， T f 0 .5 1 .5 T w
(d 2 /4 )c p u m t'f t" f hd l tm
可得出计算表面传热系数的平均温差表达式
tm
t"f
tw t'f tw lnt"f tw
t'f tw
tm
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t'f tw
其中，tf’, tf”分别为进口、出口截面上的 平均温度。 当出口与进口截面上的温差比(tw - tf'')/(tw - tf')在0.5 ~ 2之间时，可按如下算术平均 温差计算，结果的差别在4%以内。
d
d
热进口段长度：层L 流 T tw0 .0 ： 5 RP 5erL q t;w0 .0R 7Per
d
d
紊流: L 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。
对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
tf(x ) t'f 4 q w x cp u m d t
tm tf tw tf (t'f t"f )/2
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
当管内流动的雷诺数Re≥104时，管内流体处于 旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用迪图 斯-贝尔特（Dittus-Boelter）准则关系式
N u0.02 R3 0.8 ePnr
特 采用征的尺定寸性为温d，度特是征t流f 速tf为tufm2 ，
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。
对于液体乘以 f w n
液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25(物性量的下标表示取值的定性温 度)
对于气体则乘以: Tf Tw n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
Re104
—— 紊流区
当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口 区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管 内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从 而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界 层汇合之前也就必然存在热进口区段。
随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流 和紊流热边界层之分。
流动进口段： 层流 L0.： 0R 6 e 紊 ; :流 L50
流体物性量 为流体的平
均温度；流体被加热n=0.4,流体被冷却 n=0.3。
N u0.02 R3 0.8 ePnr
使用范围： 平直管，Ref = 104 1.2×105, Prf = 0.7 120, l/d 60；温差tw-tf较小，所 谓小温差是指对于气体≤50℃；对于 水≤20~30℃ ，对于油类流体≤10℃。
进口区：流动和热边界层从零开始增长， 直到汇合至管子中心线。管子进口到边 界层汇合处的这段管长内的流动称为管 内流动进口区。
充分发展区：边界层汇合于管子中心线 以后的区域，即进入定型流动的区域。
入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。
如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
tw
管内流体截面上的
t=C
平均温度
tf
tf AccputdA AccpudA
入口段 充分发展段 x
流体进口平均温度 恒热流时
当管壁温度为常数时，流 t
tw = C
体的温度随流动方向按如
tf
下指数规律变化
tf tw(t'f tw)ex p4Sd tx
恒壁温时
xFra Baidu bibliotek
利用在整个管长内的流动换热平衡关系式
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。
②管内层流换热准则关系式
当 雷 诺 数 Re<2200 时 管 内 流 动 处 于 层 流 状态，Sieder-Tate的准则关系式：
Nu1.86 RePrdl 13w f 0.14