对流传热系数关联式对流传热 系数的影响因素
作者: 日期:
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） 粘度卩
3） 比热容pcp密度p： pep代表单位体积流体所 具有
的热容量。
V2 Vi V t
4） 体积膨胀系数B： 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P和p分别代表温度为tl和t2两点的密度， 则流体因密度差而产生的升力为(p- p)g。若流体的体 积膨胀系数为 卩，单位为1/C,并以At代表温度差 (t2-tl)，则可得
p= p( 1+ 1
于是每单位体积的流体所产生的升力为：
(pi- p) g=[ p (1 +
流动。
强制对流的对流系数大得多。
p]g= pg pAt
强制对流是由于外力的作用，如泵、搅拌器等迫 使流体的
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 的排列方式，水平或垂直放置；管径、管长或板的高
；管子
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
I表示
所以，h可以用下式表示:
h=f （小 g」u, p g B A） （1） 】、因次分析
对流体无相变化的对流传热进行因次分析，得到的准
数关系式为:
3
2
1 K(LU)a (乩)b (-广
式（2）中各准数名称、符号和意义列于下表中。
对流 努塞尔特准 数(Nusselt) Nu 传热 系数 确定 Re (Reynolds) 雷诺准数 流动 状态 普兰特准数 物性 (Prandtl) Pr 影响
格拉斯霍夫
准数
自然
Gr
对流 影响
(Grashof)
Nu K Re PrGr
a
b
c
(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「C；
3----流体的体积膨胀系数，1/C；
在某些情况下，式(3)可简化如下： 自然对流：Nu=f (Pr, Gr) 强制对流：Nu=f (Re, Pr)
(4) (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。在使用由实验整理得到的a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 Re> 10000为湍流，2300 v
Rev 10000为过渡流。使用关联式应注意其具体条 件。
（1）低粘度（V 2倍常温水的粘度）流体
(6)
或
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
（7）
。应用范围> v v ;管长
Re10000, 0.7Pr 120与管径比
若
4-70
算得的a乘以>
60v 60
时，
。
可将由式
进行校正。
特征尺寸 Re、Nu等准数中的I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)
，则
(9)
式中
热流方向的校正项。
应用范围 Re> 10000, 0.7v 特征尺寸
取为管内径di。
项也是考虑< 16700,
> 60。
Pr
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a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，流体 的卩/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
应用范围 Re<2300 特征尺寸管内径di。
>100(10)
0.6,。
定性温度除
外，均取流体进、出口温度的算术平均值。
取壁温 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=2300〜10000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①, 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a可用下式计算，即：
式中 a----弯管中的对流传热系数，
W/(
•C);
a---直管中的对流传热系数,
W/(
d---管内径，m ;
•C);
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
a的关联式为:
应用范围 Re=12000〜220000 ,
=1.65 〜17
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流时的对流传热系数。
二、流体在管外强制对流
作强制湍 55 / 35
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
方形和等边二角形两种，如图3— 21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= 流体在直列管束外流过时，即：
Nu= (14)
平均对流传热系数可 用下式计算，
（14a）
应用范围 特征尺寸
Re>3000
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
Re>100
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:
X
X
(1)Re=2
10
(15)
(15a)
定性温度除
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不同的式子进行计算。
图2 管间当量直 径的推导
(a)管子为正方形排列
取壁温分别用
(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4 — 68及式4— 68a中的流速u根据流体流过 A计算，即:
(17)
h----两挡板间的距离，m；
D----换热器的外壳内径， m。
管
间最大截面积式中
〜20000 (多诺呼法)
(2) Re=30000时 Do nohue (18)
或
式中各物理量的意义同前
(18a)
上述诸式中，对气体，
值为:
=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
65 / 35
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 执 八、、 表
特 征 尺 寸 (GrPr)范围 c n 面
0.53 1/4 水 外 平 径 圆 do 管 0.13 1/3 垂 直 高 管 度 或 板 0.59 1/4 L
0.10 1/3
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。
