强制对流传热系数的计算
强制对流传热系数的计算
Calculation of Forced Convection Heat Transfer Coefficients
背景
强制对流传热发生在固体表面和流过其的流体之间。通常用于强制对流换热计算的方程式是牛顿冷却定律：Q = h AΔT，其中
Q是表面和流体之间的热传递速率，单位为Btu / hr（SI为W）
A是与流体接触的表面的面积（ft 2）（SI的m 2）
ΔT是固体表面和流体之间的温度差ø F（ø C或K中SI），
h是Btu / hr-ft 2 - o F的对流传热系数（SI的W / m 2 -K）
强制对流传热计算的最大部分是确定感兴趣的传热结构的对流传热系数h。经验相关可用于常见的强制对流配置，例如通过圆形管的流动，围绕圆柱体或一组圆柱体的外部流动并且流过环空。这些经验相关性通常在下一节中讨论的无量纲数字。本文的其余部分致力于演示和讨论几种强制对流传热配置的相关性，并为每种强制对流传热配置提供可下载的Excel电子表格。
无尺寸的努塞尔，雷诺兹和普兰特数字
右边框中显示的无量纲数字是Nusselt数，Nu，雷诺数，Re 和Prandtl数，Pr。
这三个无量纲数字用于强制对流传热的经验相关。Nusselt数通常是因变量，因为对流传热系数h是需要值的参数。从而需要以下参数的值（单位为美制工程系统，SI单位为括号）：
D，特征长度参数（例如通过管道或圆柱体周围流动的直径），ft（m）
k，流体的热导率，Btu / hr-ft- o F（SI的kJ / hr-mK）
V，特征速度（例如通过管或管的流速的平均速度），ft / sec（SI的m / s）
ρ，流体密度，slugs / ft 3（SI的Kg / m 3）
μ，流体的粘度，lb-sec / ft 2（SI的Ns / m 2）
C p，流体的热容量，Btu / lb- o F（SI的kJ / kg-K）
普通强制对流热传递配置
本文将介绍和讨论的对流传热系数相关性的强制对流传热结构如下：
圆管内的紊流
圆管内的层流
在圆环内流动
流过非圆形管道
流过单个圆柱体或管体
一些配置具有恒定壁温和恒定壁热通量的相关性。
液体温度变化校正
对于流体有明显的温度变化的任何情况，以下因素之一应该乘以使用来自接下来几个部分的适当相关性计算的努塞尔数（Nu o）。
液体在层流或紊流： 女女= Ö（μ b /μ 瓦特）0.14，其中：
μ b =粘度散装流体平均温度（T b =（T 在 + T 出）/ 2）
μ 瓦特 =在壁温粘度
湍流中的气体： Nu = Nu o（T b / T w）0.36，其中：
T b =体积平均流体温度（T b =（T in + T out）/ 2）
T w =壁温
层流中的气体：不需要校正因子（Nu = Nu o）
用于圆管内湍流的相关/ Excel电子表格
所述迪图斯贝尔特方程式（1930，参考文献＃1）是用于在管湍流最简单的强制对流的相关性，
但具有用于重新和Pr可接受值的最窄范围内。Dittus Boelter方程是：
Nu o = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4，“加热”（壁温>流体温度），和
Nu o = 0.026 Re 0.8 Pr 0.3，用于“冷却”（壁温度（流体温度））。
取决于：0.7 <Pr <120; 10,000 <Re <160,000; L / D> 10（根据一些作者的L / D> 50）。
第二个相关（ref＃2）显示在右边的上方框，以及它的应用范围。
Petukhov（ref＃3）描述了第二个相关性，它是第二个相关性，它是第二个相关性。它覆盖Re和Pr的更广泛的值，如右下方的框所示。注意，在某些地方，f以log 10（Re）而不是以ln（Re）的方式定义如下：f =（1.82log 10（Re）-1.64）-2。对于给定的Re值，两个表达式给出几乎相同的f值。
Excel电子表格适用于使用这些相关性的计算。左侧显示的电子表格模板（2页）具有Excel公式，用于基于一组输入值来计算Nusselt数（然后是强制对流传热系数h），所有这些相关性都是基于允许计算Re和Pr，并允许从Nu计算h。
要下载其中一个Excel电子表格（美国单位或SI单位），请点击以下链接：
用于圆管内层流的相关/ Excel电子表格
本节中的Excel电子表格全部用于圆管内的层流（Re <2300）。本节中的等式全部来自
Incropera等（参考文献4）。最简单的情况是完全发达的层流。在这种情况下，Nu o的方程如下：
恒定壁温：Nu o = 3.66
恒定热通量：Nu o - 4.36
对于层流，入口区域Le的长度可以从以下估计：Le / D = 0.06 * Re。如果Le与总管道长度相比相当小，那么流量可以被视为完全开发的流量。有关完全发展的层流的背景信息，请参阅文章“ 管道流量计算1：完全发展的流动的入口长度 ”。如果长度Le是总流量的重要部分，则应使用下面给出的用于开发流量的方程式。
对于热入口区域或具有Pr > 5和恒定壁温的组合的热和水动力入口区域，可以使用右侧上方框中的方程。
对于具有恒定壁温的组合的热和流体动力入口区域，低级镨如图所示，和μ b /μ 瓦特所示条件，可以使用在合适的在下部框方程。
左上方显示的电子表格模板（2页）具有Excel公式，用于根据允许计算的一组输入值计算所有三个相关性的努塞尔数（然后强制对流传热系数h）的Re和Pr，并允许从Nu计算h。
要下载其中一个Excel电子表格（美国单位或SI单位），请点击以下链接：
编者注：我们已被告知电子表格与美国单位包含错误。我们已更正错误，并且可以点击此链接更新的电子表格。
点击此处以美式单位下载此Excel电子表格。（可能包含错误）。
非循环管道内湍流的相关/ Excel电子表格
在非圆形管道中的湍流的一般方法是使用水力直径D h代替直径D，
用于在圆管中的湍流的任何相关性。水力直径定义如下：
D h = 4 A / P，其中A是流动的横截面积，P是润湿周长。
特定的非圆形横截面，环形，对于诸如双管式热交换器的应用是有意义的。为了流过内径= Di和外径= D o的环形管道，液压直径为：
D h = 4 A / P = 4 [（π/ 4（D o 2 -D i 2））/（π（D o + D i）），其简化为：D h = D o -D i
设置右图所示的两个图像中的电子表格模板，以计算通过环空的湍流的Nu o，h o和h。该电子表格中的Excel公式使用上面用于圆形管道内的湍流的三个相关性。唯一的区别是使用D h（= D o - D i）代替Re，Nu和相关性中的D。
要下载其中一个Excel电子表格（美国单位或SI单位），请点击以下链接：
相关/ Excel电子表格流过圆柱体或管子
对于穿过圆柱体或跨越一排管的流动，以下定义适用于雷诺数和努塞尔数：
重新λ =λVρ/μ，女λ =Hλ/ K，和λ=πD/ 2，其中：
D =气缸直径; V =自由流体流速; 并且所有流体性质均为体积平均流体温度[（T in + T out）/ 2]。
以下是流过单个圆柱体的相关性（Gnielinski，Ref＃5）：
NU λ0 = 0.3 +（（NU λ林）2 +（NU λTURB）2）1/2，其中
NU λLAM = 0.664（重λ）1/2（PR）1/3，和NU λ TURB =（0.037重λ 0.8 PR）/ [1 + 2.44重λ -0.1（镨2/3 - 1）]
该相关性对于10 < Reλ <10 7和0.6 <Pr <1000有效
经过一排管的流量近似于具有挡板的壳管式换热器的壳侧的流动模式。对于经过一排管的流程，上述相关性将进行一些修改，但需要如下附加定义：
横向间距比：a = S Q / D
纵坐标比：b = S L / D（S Q和S L如右图所示）
空隙率：ψ= 1 - π/（4a），对于b > 1; ψ= 1 - π/（4ab），b <1
用于管组的努塞尔数则是：女O组 = F 甲女λ0与Nu λO与方程计算流过上面给出，以Re单缸λ替换重新ψλ =λVρ/ψμ（Gnielinski，参考号5）。
在线和交错管组的f A方程式包含在右图中。
设置左上方两个图像中显示的电子表格模板，以计算流过单个气缸的流量的Nuλo，h o和h，并流过一排管。该电子表格中的Excel公式使用本节中给出的相关性和等式。
要下载其中一个Excel电子表格（美国单位或SI单位），请点击以下链接：
参考
Dittus，PW和Boelter，LM，Univ。加利福尼亚州 Eng。， Vol。1，第13期，第443-461页（转载于国际通信，热质传递，第12卷，第3-22页（1985））。
2. egr.msu.edu
3. Petukhov，BS，“Heat transfer and friction in turbulent pipe flow with variable physical properties”，Adv。传热6，503-565（1970）。
4. Incropera，FP，DeWitt，DP，Bergman，TL，＆Lavine，AS，Fundamentals of Heat and Mass Transfer，第6版，Hoboken，NJ，John Wiley＆Sons，（2007）。
Gnielinski，V.，“Berechnung mittlerer Warme- und Stoffubergshoeffizienten an laminar and turbulent uberstromten Einzellkorpern mit Hilfe einer einheitlichen Gleichung”，Forschung im Ingenierwesen， Vol。41，pp 145-153，（1975）。
样品内容
换热基础
了解传导，对流和辐射三种传热机制，包括实例计算。传导热传递主要在固体中。对流传热是由于移动的流体。热也可以通过电磁辐射传递。