混合工质水平管内强制对流蒸发换热计算

管强制对流传热计算

管强制对流传热计算公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

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

翅片管束外强制对流换热系数及阻力的测定实验

翅片管束外强制对流换热系数及阻力的测定实验 一、实验目的 1．了解对流换热的实验研究方法； 2．学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法 3．学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二、实验原理 根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述： Nu = f (Re，Pr) （12.2—1）实验研究表明，空气横掠管束表面时，由于空气普郎特数(Pr=0.7)为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式， Nu m = C Re m n （12.2—2）式中Nu m——努谢尔特准则，Nu m=α d / λm ； Re m——雷诺准则Re m = ω d / νm； C、n——均为常数，由实验确定。 上述各准则中α——壁面平均对流换热系数，W／m2·℃； d——实验管外径，作为定性尺寸，m； λ——空气导热系数，W／m·℃； ω——空气流过实验管外最窄截面处流速，m／s； ν——空气运动粘度，m2／s。 角下标“m”表示以空气边界层平均温度t m = 0.5(t w+t f)作为定性温度。式中t w为实验管壁面平均温度，[℃]，t f为空气平均温度，[℃]。 本实验的任务在于确定C与n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压V 、管壁温度t w 、空气温度t f 、微压计动压头h、测试段静压差H（阻力）。至于α、ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组Re、Nu值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组Nu、Re值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 三、实验设备 本对流实验在实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。实验风洞如图12.2-1所示(温度计、微压计、电位差计、调压变压器等在图中未示出)。

流体在管内受迫对流换热

§4-3 流体在管内受迫对流换热
学习对流换热的目的：学会解决实际问题；会计算表面传热系数 h 工程上、日常生活 中有大量应用： 暖气管道、各类热 水及蒸汽管道、换 热器

1 管槽内强迫对流换热的特点及几个重要的物理量 （1）流动状态
层流、紊流；临界雷诺数 Rec=2300
Re =
um d
ν
=< 2300 — — 层流区
Re ∈ （2300， 10 4） — — 过渡区 Re > 10 4 — — 紊流区

（2）入口段和充分发展段
图5-17 管内流动局部表面传热系数hx的变化 (1)层流;(2)湍流
l 层流： ≈ 0.05 Re Pr； d
Lt 湍流 : > 60 d
研究方法：首先给出充分发展段的关联式，然后再引入入 口效应的修正

（3）热边界条件——均匀壁温和均匀热流两种 湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。

（4）特征速度——取截面的平均流速，并通过流量获得 （5）截面平均温度——测量获得温度分布，然后采用公式计算
tf
∫A c p ρ tudA = ∫A c p ρudA
c c
也可以用实验直接 测量平均温度
（6）对数平均温差——计算总的传热量时，牛顿冷却定律为
Q = hm AΔt m Δt m 是流体与壁面的温差。 hm:整个管子的平均对流换热系数，
对于等热流密度条件，充分发展段的 Δt m是一个定值，但对于恒 壁温条件，则需要采用对数平均温差 t ′f′ ? t ′f Δt m = ? t w ? t ′f ? ? ln? ? t w ? t ′f′ ? ? ?

对流换热计算式

关系式 返回到上一层以下汇总了工程中最常见的几类对流换热问题的对流换热计算关系式，适用边界条件，已定准则的适用范围，特征尺寸与定性温度的选取方法。 一、掠过平板的强迫对流换热 应注意区分层流和湍流两种流态 ( 一般忽略过渡流段 ) ，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部 Nu 数和平均 Nu 数。 沿平板强迫对流换热准则数关联式汇总 注意：定性温度为边界层的平均温度，即。 二、管内强迫对流换热 (1) 流动状况不同于外部流动的情形，无论层流或者湍流都存在流动入口段和充分发展段，两者的长度差别很大。计算管内流动和换热时，速度必须取为截面平均速度。 (2) 换热状况管内热边界层也同样存在入口段和充分发展段，只有在流体的 Pr 数大致等于 1 的时候，两个边界层的入口段才重合。理解并准确把握两种典型边界条件 ( 恒壁温与恒热流 ) 下流体截面平均温

度的沿程变化规律，对管内对流换热计算有着特殊重要的意义。 (3) 准则数方程式要注意区分不同关联式所针对的边界条件，因为层流对边界条件的敏感程度明显高于湍流时。还需要特别指出，绝大多数管内对流换热计算式 5f 对工程上的光滑管，如果遇到粗糙管，使用类比率关系式效果可能更好。下表汇总了不同流态和边界条件下管内强迫对流换热计算最常用的一些准则数关联式。 (4) 非圆截面管道仅湍流可以用当量直径的概念处理非圆截面管道的对流换热问题。层流时即使用当量直径的概念也无法将不同截面形状管道换热的计算式全部统一。 常热流 层流，充分发展段， 常壁温 层流，充分发展段， 充 - 充分发展段，气体， - 充分发展段，液体， ； 紊流，充分发展段，

实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验

实验8 空气横掠单管强迫对流换热系数测定实验 一、实验目的 1. 测算空气横掠单管时的平均换热系数h 。 2. 测算空气横掠单管时的实验准则方程式13 Re Pr n Nu C =??。 3. 学习对流换热实验的测量方法。 二、实验原理 1对流换热的定义 对流换热是指在温差存在时，流动的流体与固体壁面之间的热量传递过程。 2、牛顿冷却公式 根据牛顿冷却公式可以测算出平均换热系数h 。 即：h= )(f W t t A Q -Q A t =?? w/m 2·K （8-1） 式中： Q — 空气横掠单管时总的换热量， W ； A — 空气横掠单管时单管的表面积，m 2 ; w t — 空气横掠单管时单管壁温 ℃； f t — 空气横掠单管时来流空气温度 ℃； t ?— 壁面温度与来流空气温度平均温差，℃； 3、影响h 的因素 1）.对流的方式： 对流的方式有两种； （1）自然对流 （2）强迫对流 2）.流动的情况： 流动方式有两种；一种为雷诺数Re<2200的层流，另一种为Re>10000的紊流。

Re — 雷诺数， Re v ud = ， 雷诺数Re 的物理定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数。 上述公式中，d —外管径（m ），u —流体在实验测试段中的流速（m/s ），v —流体的运动粘度（㎡/s ）。 3）.物体的物理性质： Pr — 普朗特数，Pr= α ν = cpμ/k 其中α为热扩散率, v 为运动粘度, μ为动力粘度；cp 为等压比热容；k 为热导率； 普朗特数的定义是：运动粘度与导温系数之比 4).换面的形状和位置 5).流体集体的改变 相变换热 ：凝结与沸腾 4、对流换热方程的一般表达方式 强制对流：由外力（如：泵、风机、水压头）作用所产生的流动 强迫对流公式为(Re,Pr)Nu f = 自然对流：流体因各部分温度不同而引起的密度差异所产生的流动。 自然对流公式为Nu=f （Gr ，Pr ） 1）.Re=v ul = 雷诺数Re 的定义是在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数Re=UL/ν 。其中U 为速度特征尺度，L 为长度特征尺度，ν为运动学黏性系数。 2).Pr= α ν 定义：流体运动学黏性系数γ与导温系数κ比值的无量纲数 3).Nu=λ hd （努谢尔数） 4).Gr= 2 3 ν t gad ? 式中a 为流体膨胀系数，v 为流体可运动系数。 格拉晓夫数 ，自然对流浮力和粘性力之比 ，控制长度和自然对流边界层厚度之比 。 5、对流换热的机理 热边界层 热边界层的定义是：黏性流体流动在壁面附近形成的以热焓(或温度)剧变为 特征的流体薄层 热边界层内存在较大的温度梯度，主流区温度梯度为零。

管内对流换热影响因素及其强化分析

管内对流换热影响因素及其强化分析 摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。 关键词：管内；对流；换热；强化换热 Influencing Factors and Enhancing Methods of Convective Heat Transfer in Tubes Lei Changkui Safety Engineering Class 1002 1003070210 Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems. Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing 0 引言 管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。近年来，随着市场经济的发展，热交换设备迫切需要符合节约能源、节省材料和降低成本的要求，这对强化设备的换热提出了更高的要求。众所周知，热量传递方式有热传导、热对流以及热辐射三种，因此强化传热的方法也势必从这三个方面来进行。作为热交换器中管内热流体的主要传热方式，管内对流换热的强化在热交换器强化换热研究中占有极其重要的地位。本文从理论及已有实验的角度对管内对流换热的影响因素及其强化换热的方法进行分析，以期对太阳能中高温热利用中大温差管内对流强化换热的研究提供指导和借鉴。 1 管内对流换热的理论分析 1．1 边界层理论 边界层是由于流体的黏滞性，在紧靠其边界壁面附近，流速较势流流速急剧减小，形成的流速梯度很大的薄层流体，又称为流动边界层[1]。1940年德国普朗特提出著名的边界层概念后，经过发展，流体力学的研究已经证明，黏性流体存在着两种不同的流态: 层流(Re＜2

对流换热与准则数

单相流体对流换热及准则关联式部分 一、基本概念 主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。 1、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性 答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。 2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大为什么有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗 答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。 3、简述边界层理论的基本论点。 答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大； 边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层； 流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）； 对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。 4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

空气横掠管束时的强迫对流传热

空气横掠管束时的强迫对流传热 一、实验目的： 1、熟悉实验原理及装置，掌握测定流速、热流量、温度的方法。 2、通过对实验数据的综合整理，进一步了解相似理论的应用。 二、实验原理： 流体横掠管束时的对流传热与横掠单管时不同，除管径影响传热系数外，管距、管排数和排列方式也影响对流传热系数。由于相邻管子的影响，流体在管间的流动截面交叉地减少，流体在管间交替地加速和减速。管距的大小影响流体流动截面的变化程度和流体加速与减速的程度。 从第二排起，后排管子都处于前排管子的尾流中。在尾流涡旋的作用下，后排管子的对流传热系数h比前排高，也就是说，第二排管子受第一排尾部涡流的影响，h2＞h1；第三排管子受第二排尾部涡流影响，而且由于这种涡流经第一排和第二排管束的共同作用，扰动更强烈，所以h3＞h2。同样h4＞h3…，但经过几排管子以后扰动基本稳定，h z几乎不再变化。 图 1 流体横掠管束时的流动情况 管束排列方式对h的影响比较明显。由图1可见顺排时后排管子直接位于前排管子的尾流中，部分管面没有受到来流的直接冲刷，而叉排时后排管子受到前排管子间来流的直接冲刷，因而管子前半部分的传热情况要比顺排好，整个叉排管束的平均对流传热系数比顺排高。工程上大多数管束处于R e不大的情况下，符合上述情况。在R e较高时，由于顺排管束的尾部涡流增强，使后排管子受到尾流影响的面积增加，而且由于涡流增强，扰动更强烈，以致顺排管束的对流传热系数可超过叉排管束。 三、实验装置及测量系统：

1、电源开关 2、仪表开关 3、交流供电开关 4、交流调压旋钮 5、直流大功率电源 6、差压表 7、交流功率表 8、电流表 9、电压表10、十六路温度巡检仪11、四路温度巡检仪12、毕托管13、风道14、热电偶（测来流温）15、热电偶（测管壁温）16、管束试件（顺、叉排）17、交流0~220V（连续可调）供电电极18、变频器 图3 本实验台采用的排列方式和尺寸 四、实验步骤： 1、连接并检查所有线路和设备，在仪表正常工作后，关闭直流供电电源！将交流供电源 开关打开，调节旋纽先转至零位。 2、然后点击变频器的RUN/STOP键，调节变频器使表头显示为10.0Hz左右。将交流电调 节旋纽转至适当位置，注意观察控制箱面板上的功率表，并逐步提高输出功率，对管束缓 慢加热。为避免损坏配件，又能达到足够的测温准确度，加热功率大小的调整以使壁面温 度控制在80℃以下为原则。待设备参数稳定后，可读取第一组试验数据。 3、保持加热功率不变，巡检仪上各温度显示基本稳定后，再将风机频率由0—50Hz定值 递增，每改变一次待稳定后可测到一组数据。试验时对每一种排列的管子，空气流速可调 整5个工况以上，都须保持加热功率不变。温度的高低应根据管子排列不同及风速大小适 当调整，保持管壁与空气来流有适当的温差即可。 4、同时观察毕托管测速风压显示。调压、调频应配合调整直到系统稳定并便于读取温度、风压、直流电流、直流电压值。 五、实验数据的计算与整理： 流体横掠管束时的平均对流传热系数可按下式计算

对流换热与准则数

单相流体对流换热及准则关联式部分 返回一、基本概念 主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。 1、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? 答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。 2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗? 答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。3、简述边界层理论的基本论点。 答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值； 边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大； 边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层； 流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）； 对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。 4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

实验四---强制对流下传热膜系数的测定Word版

实验四强制对流下传热膜系数的测定 一、实验目的 1．掌握圆形光滑直管（或波纹管）外蒸汽、管内空气在强制对流条件下的对流传热膜系数的测定； 2．根据实验数据整理成特征数关联式。 二、实验原理 1.特征数关联 影响对流传热的因素很多，根据量纲分析得到的对流传热的特征数关联式的一般形式为： （4-1）式中C、m、n、l为待定参数。参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。目前，只能通过实验来确定特定范围的参数、本实验是测定空气在圆管内做强制对流时的对流传热系数。因此，可以忽略自然对流对对流传热系数的影响，则G r为常数。在温度变化不太大的情况下，空气的P r可视为常数、所以，准数关联式（4-1）可写成 （4-2） 或 待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，根据原理计算、分析求得。 2.传热量计算 努赛尔数N u和雷诺数R e都无法直接用试验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排除管外，传递的热量由下式计算。 （4-3）根据传热速率方程： （4-4）所以 （4-5）式中：Q——换热器的热负荷（或传热速率），kJ/s； q m——冷流体（空气）的质量流量，kg/s； t1——空气的进口温度，℃； t2——空气的出口温度，℃； q V1——冷流体（空气）的体积流量，m3/s；

ρ1——冷流体（空气）的密度， kg/m 3； K ——换热器总传热系数， W/(m 2. ℃)； c pc ——冷流体（空气）的平均定压比热容， kJ/(kg.K)； A ——传热面积， m 2； Δt m ——蒸汽与空气的对数平均温度差，℃。 T ——蒸汽温度，K 。 空气的体积流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得，由式（4-5）即可算出传热系数K 。 3.对流传热系数的计算 当传热面为平壁，或者当管壁很薄时，总传热系数和与各对流传热系数的关系可表示为： （4 -6） 式中： α1——管内壁对空气的对流传热系数，W/(m 2 . ℃)； α2——蒸汽冷凝时对管外壁的对流传热系数，W/(m 2 . ℃)； 当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管，黄铜导热系数λ比较大，而且壁厚b 较小）时： （4-7） 由于蒸汽冷凝时的对流传热系数远大于管内壁对空气的对流传热系数，即α 2 ﹥﹥α1，所以K ≈α1。因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热量衡算求出套管换热器的总传热系数K 值，由此求得管内壁对空气的对流传热系数α1。 4.努塞尔数和雷诺数的计算 （4 -8） （4-9） 式中：λ——空气导热系数；W/(m. ℃)；

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： )(f w t t h q -= )/(2m W 或2Am 上热流量 )(f w t t h -=Φ )(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 ),,,,,,,,(l c t t u f h p f w μαρλ= 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）

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 14 .03/13/13/1)()(Pr Re 86.1w f f f f l d Nu μμ= 或写成 14 .03/1)()(86.1w f f f l d Pe Nu μμ= 式中引用了几何参数准则 l d ，以考虑进口段的影响。 适用范围：16700Pr 48.0<<，75.9)(0044.0<

管内强制对流传热膜系数的测定

装 订 线 实验报告 课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的 1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。 2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。 3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。 4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。 5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。 二、实验内容 1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。 2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。 3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。 4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。 5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。 6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。 三、实验原理 流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述： ()w Q A t A T t αα=?=? （1） 式中 Q ——总传热速率，W ； α——对流传热膜系数，W/ m 2?K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；

第十章 对流换热

第二编热量传输 第十章对流换热 对流换热指相对于固体表面流动的流体与固体表面间的热量传输；对流换热时，除了有随同流体一起流动的热量传输外，还存在传导方式的热交换，因此对流换热是流体流动与传导热量联合作用的结果。 对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式，即热流密度为 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（10-1） 式中α——表面传热系数（W/（m2·℃）； T W 及T f ——分别为固体表面温度及流体温度。 对于面积为A的接触面，对流换热的热流量为 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（10-2） 约定Φ与q总取正值，因此当T W ＞T f 时，。则 牛顿冷却公式只是表面传热系数α的定义式，它没有揭示出表面传热系数与影响它的物理量之间的内在联系。本章的任务就是要求出表面传热系数α的表达式。 求解表面传热系数α的表达式有两个基本途径：一是分析解法；二是应用相似原理，将为数众多的影响因素归结成为数不多的几个无量纲准则，再通过实验确定α的准则关系式。本书将采用相似原理导出对流换热的准则方程式。 第一节对流换热的机理及影响因素 一、对流换热机理

在动量传输中已经知道，当流体流过固体表面时，靠近表面附近存在速度边界层，边界层可以是层流边界层或紊流边界层，但是在紧靠固体表面上总是存在着层流底层。 与速度边界层类似，当粘性流体在固体表面上流动时，如果流体与固体壁面之间存在温差而进行对流换热，则在靠近固体壁面附近会形成一层具有温度梯度的温度边界层，也称为热边界层，如图5-1所示。贴壁处这一极薄的流体层相对于壁面是不流动的，壁面与流体间的热量传递必须穿过这个流体层，而穿过不流动流体的热量传递方式只能是导热。因此，对流换热的热量就等于穿过边界层的导热量。 将傅里叶定律应用于边界层可得 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（10-3） 式中——贴壁处流体的法向温度变化率； A——换热面积。 将牛顿冷却公式（10-1）与上式（10-3）联解，即得到以下换热微分方程 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。（10-4） 由上式可见，表面传热系数α与流体的温度场有联系，是对流换热微分方程组一个组成部分。式（10-4）也表明，表面传热系数α的求解有赖于流体温度场的求解。 二、影响对流换热的主要因素 对流换热是流动着的流体与固体表面间的热量交换。因此，影响流体流动及流体导热的因素都是影响对流换热的因素。即 流动的动力；被流体冲刷的换热面的几何形状和布置；流体的流动状态及流体的物理性质，即粘度η、比热容c、密度ρ及热导率λ等。 1）由于流动的起因不同，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热。

自然对流与强制对流及计算实例

自然对流与强制对流及计算实例 热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。 下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。 首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。 热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (2) 很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。 自然对流传热系数 h=2 .51C（⊿T/L）0.25（W/m2K） (3) 2.51是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，2.51需要换成水的特性值。 公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C 就负责吸收这一差异。 代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1中选择相似的形状。

需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 ⊿T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。 公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。 但是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算的难度也会增加。这种情况下，就要根据原始的理论公式，通过实验求出系数。也就是说，在公式（3）中，理论计算得出的数值0.25可以直接套用，C的值则要通过实验求出。 自然对流传热系数无法大幅改变

管内强制对流体传热膜系数的测定

取点对数分割： ΔX=(Xmax/Xmin)1/(n-1) = (80/25)1/ (5-1) X i+1=X i×ΔX X1=25 X2=33.4 X3=44.7 X4=59.8 X5=80 V1(mv) V2(mv) V W1(mv) V W2 (mv) V0(mv) V(mv) 压强 （MPa） T1(℃) T2(℃) t w1 t w2 T0ρ0W 3.75 2.3 1.15 0.95 1.55 4 0 87.33 55.09 28.03 23.13 37.52 1.138 0.0168 3.65 2.2 1.1 0.95 1.75 3 0 85.18 52.78 26.81 23.13 42.27 1.121 0.0139 3.55 2.15 1.1 0.95 1.85 2.2 0.003 83.02 51.63 26.81 23.13 4 4.62 1.112 0.0111 3.5 2.05 1.05 0.95 1.95 1.6 0.004 81.93 49.30 2 5.59 23.13 4 6.97 1.104 0.0085 3.45 1.95 1.05 0.95 2.15 1.3 0.005 80.85 46.97 25.59 23.13 51.63 1.088 0.0069 下面举例计算均以第一组为例子： T1=-0.5436×3.752+25.522×3.75-0.7334=87.33 T2=-0.5436×2.32+25.522×2.3-0.7334=87.18 t w1=-0.9247×1.152+26.434×1.15-1.1502=28.03 t w2=-0.9247×0.952+25.522×0.95-1.1502=23.13 T0=-0.5436×1.552+25.522×1.55-0.7334=37.52 W=C√[ρ0(a×V-b)] [㎏/s] 已知C——孔板流量计的校正系数，这里的C=2.303×10-3 a=14.202 b=10.262 ρ0为孔板处的空气密度;[㎏/m3] ρ0=PM/RT0=101.33×103×29×10-3/[8.314×(37.52+273.15) ]=9.420 故W=2.303×10-3[1.138 (14.202×4-10.262)]^1/2=0.048 空气的质量流量W [㎏/s]比热容 C p J/(kg.C) T1(K) T2(K)Q Δt1Δt2Δt mα1 空气的 导热系 数λ w/(m. ℃) 换热 管内 径 d[m] Nu Re 0.0168 1009360.48328.24546.5159.331.9644.23195.040.02966 0.029 92.9336274.29 0.0139 1009358.33325.93454.4158.3729.6542.40282.440.02966 0.029 80.6030012.66 0.0111 1009356.17324.78351.5656.2128.540.79866.290.02966 0.029 64.8123966.94 0.0085 1009355.08322.45279.8556.3426.1739.34754.710.02966 0.029 53.4918353.06 0.0069 1009354320.12235.8855.2623.8437.37448.550.02966 0.029 47.4714898.37 Q= W.C p. (T1- T2) [W] 所以：Q=0.0168×1009(360.48-328.24)= 546.51 因为根据牛顿冷却定律：Q=α 1.A1.Δt m 即：α1= Q /A1.Δt m Δt m=(Δt1-Δt2)/㏑(Δt1/Δt2) ;Δt1= T1-t w1=87.33-28.03=59.3 ; Δt2=55.09-23.13=31.96 Δt m=(59.3-31.96)/㏑(59.3/31.96)= 44.231 A1=π×d×L=(33-2×2) ×10-3×1.43=0.130㎡ α1= 546.51 /(0.130.*44.231)= 95.04

强迫对流管蔟管外换热系数的测定

强迫对流管蔟管外换热系数的测定 一.实验目的 1.了解对流换热的实验研究方法； 2.测定空气横向流过管蔟表面时的平均放热系数，并将实验数据整理成准则方程式； 3.学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二.实验原理 根据相似理论，流体受迫外掠物体时的换热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对位置以及流体物性等的关系可用下列准则方程式描述： Nu=f(Re，Pr) 实验研究表明，空气横掠管蔟表面时，由于空气普朗特数（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式， Nu m=CRe m n 式中：C，n均为常数，由实验确定， Nu m—努谢尔特准则Nu m=αD/λm Re m—雷诺准则Re m=Wd/γm 上式各准则中：α—壁面平均对流换热系数[w/(m2.℃)]； d—实验管外径，作为定性尺寸，[m]； λ—空气的导热系数，w/(m.℃)； W—空气流过实验管外最窄截面出流速，[m/s]； γ—空气运动粘度，[m2/s]。 角下标“m”表示以空气边界层平均温度t m=(t w+t f)/2作为定性温度。 式中：t w—实验管壁面平均温度[℃]； t f—空气平均温度[℃]。 本实验的任务在于确定C与n的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关数据；电流I、电压V、管壁温度t w、空气温度t f、微压计动压头h。至于α、W在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组Re、Nu值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组Re、Nu值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 三．实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、毕托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。 实验风洞如图1所示（温度计、微压计、电位差计、调压变压器等在图中未示出）。 由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。 实验段为一叉排或顺排管蔟段，实验管置于管蔟第三排，管内装有电加热器作为热源，管壁嵌有四对热电偶对测壁温。

空气横掠圆柱强制对流换热--传热学

北京科技大学
机械工程学院

空气横掠圆柱的对流换热实验
（一）实验目的 1. 了解空气横掠圆柱体的对流换热系数的实验测定方法 2. 测定圆柱体的对流换热系数 h 3. 根据对强制对流换热现象的相似分析，整理出准则方程式 （二）实验原理 在实验中，利用直流稳压电源对圆柱体进行加热，并通过风机对其冷却。待 圆柱体达到热平衡后，根据牛顿冷却公式有
Q conv = hA(Ts ? T∞ )
i
上式中 Q conv 为对流换热量，考虑到圆柱体对外界的散热由对流换热和辐射换 热两种形式，因此
Q conv = Q ? Q rad
i i
i
上 式 中 Q 为 电 加 热 功 率 ， Q rad 为 辐 射 换 热 量 。 辐 射 换 热 量 可 由
Q rad = εσ A(TS 4 ? T∞ 4 ) 确定，因此，对流换热系数可由下式计算得到
h = [Q / A ? εσ (TS4 ? T∞4 )] /(TS ? T∞ )
i
i
h-对流换热系数， W / m 2 ? °C ；Q-电加热功率， W ；A-对流换热面积， m 2 ；
ε -圆柱体表面黑度； σ -黑体辐射系数， 5.67 × 10?8W / m 2 ? K 4 ；
TS -圆柱体表面温度， K ；T∞ -室内空气温度， K ； 在忽略辐射换热的前提下（本实验中辐射换热量较小，可忽略） ，上式可简化为
h= Q A(TS ? T∞ )
根据相似理论，对于空气横掠物体的对流换热，努塞尔数 Nu 是雷诺数 Re 和普朗特数 Pr 的函数，并可表达为
Nu = C Re n Pr m
对于空气，普朗特数 Pr 在一定温度下为常数，故上式可简化为
Nu = C Re n
其中 c 、n 是通过实验确定的常数。 努塞尔数 Nu 和雷诺数 Re 的表达式分别为
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