管内强迫对流换热计算

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<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。

空气横掠单管强迫对流的换热实验热交换器中广泛使用各种管子作为传热元件，其外侧通常为流 体横向掠过管子的强制对流换热方式，因此测定流体横向掠过管子时 的平均换热系数是传热中的基本实验。

本实验是测定空气横向掠过单 圆管时代平均换热系数。

一、 实验目的及要求1、 了解实验装置，熟悉空气流速及管壁的测量方法，掌握测试仪器、 仪表的使用方法。

2、 通过对实验数据的综合、整理，掌握强制对流换热实验数据整理 的方法。

3、 实验测定空气横掠单管时的平均换热系数；了解空气横掠管子时 的换热规律。

、 二、 实验原理1. 根据牛顿冷却公式:h —对流换热系数，［W/m2C ］；F —与流体接触的物体表面面积，［m2］; tf —流体平均温度，［C ］;t w —物体表面温度，［C ］。

Q = hF (t w -t f )(W) (6-2-1)式中 Q F(t w 7 )2(W/m-C) (6-2-2)Q—对流换热的热流，［W ］；本实验采用电加热的放热圆管，空气外掠圆管表面，当换热稳定 时，测出加热电功率，即可得出对流换热热流 Q ，即：Q= IU (W) (6-2-3)2. 根据对流换热的分析，强制对流稳定时的换热规律可用下列准则 关系式来表示：对于空气，因温度变化范围不大，上式中的普朗特数 Pr 变化很小,可作为常数看待，故式(6-2-4)化简为：Nu= f (Re )(6-2-4a)Re=VD雷诺数h—空气横掠单管时的平均换热系数，［W/m2-C ］；v —空气来流速度，［m/s ］;D —定型尺寸，取管子外径，［m ］;'—空气的导热系数，［W/m C ］;空气的运动粘度，［m2/s ］。

要通过实验确定空气横掠单圆管时的 Nu 与Re 的关系，就需要测定不同流速v 及不同管子直径D 时换热系数h 的变化。

因此，本实 验中要测量的基本量为管子所处的空气流速 v 、空气温度tf 、管子表 面温度t w 及管子表面散出的热量Q 。

空气横掠单圆管时强迫对流换热实验空气横掠单圆管时强迫对流换热实验空气横掠单圆管时强迫对流换热实验精04 张为昭 2021010591一、实验原理根据相似理论，空气横掠单圆管强迫对流的换热规律可用下列准则关系式来表示：Nu =CRe n （1）式中,努谢尔特准则数Nu 为: Nu =hD /λl （2）雷诺准则数Re 为: Re =uD /v （3）这里，λ为空气的导热系数，v 为空气的运动粘度，是平均温度tm =(tf +tw )/2的函数,其中tw 为管外壁温,tf 为空气温度；D 为实验管的外径,u 为空气的流速。

关键的是对流换热平均表面传热系数h 的确定。

由对流换热平均表面传热系数h 的定义:h =Q a /F (t w −t f )式中,Qa 为管外表面与周围空气之间的对流换热量,管的外表面积F =πDL , L 为横管的有效长度。

考虑到管外表面在与周围空气对流换热同时,与周围环境间存在辐射换热。

即管的实际传出热量为:Q =Q a +Q f =hF (t w −t f ) +εC 0F (T w 4−T f 4) ×10−8 （5）其中,ε为实验管外表面的黑度,黑体辐射系数C 0=5.67Wm −2K −4。

这里, 假定环境温度即空气温度。

因此,横管外表面对流换热平均表面传热系数就可以由下式确定:h =[Q /F −εC 0(T w −T f 4) ×10−8]/(t w −t f ) （6）因此，对给定实验管，通过测量管的实际传出热量Q 、管外壁温tw 、来流空气的温度tf ，就可通过实验确定管外表面与周围空气之间对流换热平均表面传热系数h 。

由式(2)和(3)，通过改变气流速度或实验管直径,就可得到一系列Nu -Re 对应数据。

在数据足够多、Re 变化范围足够大的条件下，就可确定式(1)中的C 和n 的值。

二、实验数据列表u/m/s 3.07Q/w 54.73 54.18 54.55 186.84 201.37 186.22Tf/℃ 18 18 18 16 18 16Tw/℃ 64 69 74 101 118 118h/w /(m 2K )40.72 36.36 33.33 37.00 33.90 30.73Re 3543.73 2988.87 2252.59 8364.28 6543.15 5316.64Nu 29.86 26.47 24.09 52.07 46.70 42.342.63 2.013.973.26 2.63三、实验数据整理做出的Nu-­‐Re曲线如下：Nu-­‐Re曲线求得：C=0.1617，n=0.6389四、实验结果分析由三可见所求准则方程式与Re=4000~40000时的情况较为接近，但仍有所偏差，产生偏差的原因可能是：有部分Re 值小于4000造成了误差，从曲线图上也可以看出前后间隔较远的两组数据线性度较差；管内存在阻力损失使压力测量有偏差，导致速度测量不准确；速度测量时由于温度偏差带来偏差使雷诺数与理论值不同；加热功率计算未考虑电路损失，计算h 时产生了误差；插值求气体物性时产生了计算误差；实验环境只能近似视为无限大，同时管壁也不是严格的等壁温条件，在tf ，tw 的计算上会产生误差。

精心整理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，流动边界为远离入口段得局部对流传热系数渐进值。

层流时湍流时-贝尔特公式，即或50℃；对于水，其温差不大于20℃～30℃；对于粘度随温度变化较大的油类其值不超过10℃。

上式适用的条件为：Re=1.0×104～1.2×105，Pr=0.7～120,管长与管内径之比。

所采用的特征长度为管内径d，定性温度则为流体的平均温度（即管道进、出口截面平均温度的算术平均值）。

例4-3常压下,空气在内径为25mm，长3m的圆形直管内流动，温度由5℃加热至15℃。

若空气的流速为12m/s，试求空气与管内壁之间的对流传热系数。

解定性温度为（5+15）/2=10℃，根据定性温度和压力，查取空气的物性为先计算雷诺数由上述计算可知，可以应用式（4-73）计算空气与管壁之间的对流传热系数，并取n=0.4采用的关联式中引入或来修正非均匀温度对对流传热系数的影响。

，Pr=0.7～16700,管长与管内径之比。

热传递与热量的计算热传递是指热量从一个物体传递到另一个物体的过程。

在热传递过程中，热量会通过传导、传热和传辐射等途径传递。

在实际生活中，我们经常需要计算热量的大小，以便更好地理解和应用热传递的原理。

本文将介绍热传递的基本原理和常见的热量计算方法。

一、传导热传递传导热传递是指固体或液体内部热量的传递过程。

在传导热传递中，热量从高温区域传递到低温区域，其传热速率与传导物质的热导率、温度差以及传热长度有关。

计算传导热传递时，可以使用以下公式：Q = k * A * ΔT / d其中，Q表示传导热量，k表示传导物质的热导率，A表示传热截面积，ΔT表示温度差，d表示传热长度。

例如，我们有一个铝杆，热导率为200 W/(m·K)，传热截面积为0.01 m²，温度差为30 K，传热长度为0.1 m，那么我们可以通过上述公式计算出传导热量为：Q = 200 * 0.01 * 30 / 0.1 = 600 W二、对流热传递对流热传递是指通过液体或气体的流动来传递热量的过程。

在对流热传递中，热量主要通过流体的传送来实现，其传热速率与流体的流速、温度差以及传热面积有关。

对于强迫对流（即通过外力驱动流动）情况下的对流热传递，可以使用以下公式进行计算：Q = h * A * ΔT其中，Q表示对流热量，h表示对流换热系数，A表示传热面积，ΔT表示温度差。

例如，我们有一个水管，对流换热系数为1000 W/(m²·K)，传热面积为0.05 m²，温度差为10 K，那么我们可以通过上述公式计算出对流热量为：Q = 1000 * 0.05 * 10 = 500 W三、辐射热传递辐射热传递是指通过热辐射来传递热量的过程。

在辐射热传递中，物体表面发射的热辐射能量与物体的发射率、绝对温度以及表面积有关。

计算辐射热传递时，可以使用以下公式：Q = ε * σ * A * (T₁⁴ - T₂⁴)其中，Q表示辐射热量，ε表示物体的发射率，σ表示玻尔兹曼常数（约为5.67×10^(-8) W/(m²·K⁴))，A表示物体表面积，T₁和T₂分别表示物体表面和外界的绝对温度。

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。

对流换热系数计算公式对流换热是指物体通过与流体介质接触，通过传导和对流传热方式将热量传递到流体介质中的过程。

在工程领域中，计算对流换热系数是非常重要的，因为它可以用来确定热传递的速率和效率。

对于不同的情况和应用，有多种不同的计算公式可以用来计算对流换热系数。

一般来说，对流换热系数可以通过下面的公式进行计算：h = α * λ / L其中，h是对流换热系数，α是换热系数，λ是热导率，L是特征长度。

这个公式可以应用于一维对流换热的情况，例如平板上的自然对流换热。

在实际应用中，常用的对流换热系数计算公式有很多种，下面将介绍其中几种常用的公式。

1. 冷却水冷却塔中的对流换热系数计算公式：在冷却水冷却塔中，通常使用的计算对流换热系数的公式是Lockhart-Martinelli方法。

这个方法适用于传统冷却塔中的冷却效果。

对于水和空气的组合，Lockhart-Martinelli公式可以表示为：h = (C * ((ρ^2 * μ^2 * g * ΔP) / (λ * (ρ^2 + μ^2)^0.5)))^(1/3)其中，h是对流换热系数，C是常数，ρ是密度，μ是动力粘度，g 是重力加速度，ΔP是压力降，λ是热导率。

这个公式可以通过测量流体的物理性质和实验数据来计算对流换热系数。

2. 管内对流换热系数计算公式：在管内对流换热中，常用的计算公式是Dittus-Boelter公式。

对于液体在光滑管道中的对流换热系数，Dittus-Boelter公式可以表示为：Nu = 0.023 * Re^0.8 * Pr^0.33h = (Nu * λ) / D其中，Nu是Nusselt数，Re是雷诺数，Pr是普朗特数，h是对流换热系数，λ是热导率，D是管道直径。

在这个公式中，Re计算了流体的惯性力与黏性力的比例，Pr计算了流体的动量和热量的比例。

3. 计算炉内对流换热系数的公式：在工业炉内的对流换热中，常用的计算公式是Gnielinski公式。

管内强制对流换热仿真实验管内强制对流换热仿真实验是一种用于研究流体在管道内的传热过程的实验方法。

通过对流体在管道内的温度分布、传热系数等参数进行测量和分析，可以得到流体在管道内的传热性能，进而优化管道设计和改进传热设备。

一、实验目的管内强制对流换热仿真实验的主要目的是探究流体在管道内的传热特性，包括温度分布、传热系数等参数。

通过这些参数的测量和分析，可以了解不同条件下流体在管道内的传热情况，并进一步优化传热设备和提高能源利用效率。

二、实验原理1. 对流换热原理：对流换热是指通过流体与固体表面接触，通过对流传递能量而实现的换热过程。

其换热机理主要包括对流传导和对流辐射两种方式。

2. 管内强制对流换热：在管道内部加入了强制循环装置，通过外部力使得液体或气体在管道中产生强制循环，从而增加了对流传递能量的效率。

三、实验装置1. 管道：选择合适的管道材料，如金属或塑料，根据实验需求确定管道的直径和长度。

2. 流体介质：选择合适的流体介质，如水或空气，并控制其流量和温度。

3. 强制循环装置：通过泵或风机等外部力源，使得流体在管道内产生强制循环，增加对流传热效果。

4. 传感器：安装在管道内不同位置的温度传感器，用于测量温度分布。

5. 数据采集系统：用于实时采集和记录传感器测量到的温度数据。

四、实验步骤1. 准备工作：确定实验所需材料和设备，并进行检查和准备。

确保所有设备安全可靠，并进行必要的校准和调试。

2. 实验参数设定：根据实验需求，设置流体介质的流量、温度等参数，并确保其稳定性。

同时设置强制循环装置的运行状态。

3. 实验数据采集：启动数据采集系统，并确保传感器能够准确测量到不同位置处的温度数据。

进行实验期间的数据记录和存储。

4. 实验数据分析：根据采集到的温度数据，计算并分析流体在管道内的温度分布、传热系数等参数。

可以借助计算机软件进行数据处理和分析。

5. 结果评估与优化：根据实验结果，评估流体在管道内的传热性能，并针对不同情况进行优化和改进。

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1Re Pr n Nu C =⋅⋅。

3. 学习对流换热实验的测量方法。

二、实验测算公式1．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 -QA 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，m2;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，℃；2．空气横掠单管换热时，实验关联式的确定根据传热学理论，换热系数与流速、管径、温度、流体物性等有关，并可用下列准则方程式关联：(Re,Pr)Nu f = (8-2 ) 空气横掠单管换热时，实验关联式为：1Re Pr n Nu C =⋅⋅ （8-3）在定常性温度下(m t )，普朗特数r P 可视为常数，故（3）简化为：Re n Nu C '= （8-4）式中Nu — 努谢尔数，Nu λhd=，Re — 雷诺数， Re vud =， Pr — 普朗特数，1313Pr Pr C C C '=⋅=⋅ (8-5)C ,n — 由实验确定的常数，m t —定性温度由下式确定：()2+=w f mt t t ℃ （8-6） 上述公式中，d —外管径（m ），λ—流体的导热系数（w/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．实验关联式计算设y=lgNu ，x=lgRe ，在双对数坐标系下，公式（8-4）可写为： lg y n x C '=⋅+ （8-7） 根据最小二乘法原理，常数lg C 及n 可按下式计算：211112211lg ======-'=⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑∑N N N Ni iiiii i i i NNi ii i x y x y xC x N x （8-8）n =1112211N N Niiiii i i NNi ii i x y N x yx N x =====-⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ (8-9)式中： N 为实际工况测试点数(N=11或N ＝10)。

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。

本连载从热设计的根底——传热着手，介绍根本的热设计方法。

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，那么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×物体外表积×〔外表温度-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展计算，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一样。

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〔外表温度-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，紧邻物体那局部空气的升温越大。

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，理论上的温度边界限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。