7.5 對流換熱
無相變對流換熱主要有兩種形式：其一是強迫運動引起的對流換熱，所謂強迫運動是指流體受外力作用下引起的運動，如水泵輸送水，即為強迫運動。在對流換熱計算中，大多數屬于此類；其二是自由運動的對流換熱，是由流體溫差引起密度不同而產生的換熱過程，真空工程熱計算中應用較少。
對流換熱基本公式如下：
（7-21）
式中 Q——對流換熱量，W；
α——傳熱系數，W/（m2·K）；
F——換熱面積，m2；
t1——固體溫度，K；
t2——流體溫度，K。
在對流換熱中，α值與很多因素有關，如流體物性參數，流動類型、流體流經的管路壁溫及幾何形狀等因素。在換熱計算中主要是求解α值，而傳熱系數α是努塞爾數Nu、普朗特數Pr、格拉曉夫數Gr的函數。
7.5.1 計算傳熱系數所用特征數
計算傳熱系數α值所用特征數見表7-22。
表7-22 計算換熱系數α值所用特征數
①各種截面管道當量直徑d見表7-24。
換熱器中介質的常用流速見表7-23。
表7-23 換熱器中介質的常用流速
計算傳熱系數α時，各種形狀管道的當量直徑de由表7-24給出。
表7-24 各種形狀管道的當量直徑de
當量直徑de計算公式：
（7-22）
式中 r'——水力半徑；
F——通道自由截面積，當有翅片時應扣去翅片所占面積；
U——浸潤周邊，計算傳熱時，U為與傳熱面有關的一部分；計算阻力時，U為全部浸潤周邊（特殊注明者除外）。
7.5.2 傳熱系數計算基本公式
（1）通過平壁傳熱
平壁換熱包括3個過程：
①高溫流體對壁面以對流方式傳遞熱量；
②壁高溫表面以傳導方式向低溫表面傳遞熱量；
③低溫表面以對流方式向低溫流體傳遞熱量。
通過平壁傳熱系數應為三者疊加構成，即
（7-23）
式中 α——傳熱系數，W/（m2·K）；
α1——熱流體的傳熱系數，W/（m2·K）；
α2——冷流體的傳熱系數，W/（m2·K）；
δi——i層壁的厚度，m；
λi——i層壁的熱導率，W/（m·K）；
n——平壁層數。
（2）通過管子傳熱
流體通過光管的換熱過程與平壁換熱過程相似，包括管內（管外）流體對管壁的熱量傳遞；管壁本身熱量傳遞；管壁外表面（內表面）對流體的換熱。
通過光管的傳熱系數應由下述3部分構成。
①以管子內表面為基準時：
（7-24）
②以管子外表面為基準時：
（7-25）
③以管子平均表面為基準時：
（7-26）
式中 α——傳熱系數，W/（m2·K）；
α1——管內流體的傳熱系數，W/（m2·K）；
α2——管外流體的傳熱系數，W/（m2·K）；
d1——管子內徑，m；
d2——管子外徑，m；
dm——管子平均直徑，m；
δ——管壁的厚度，m；
λ——管壁的熱導率，W/（m·K）。
傳熱系數可以任何傳熱表面為基準進行計算。當管內外的傳熱系數α1與α2相差較大時，通常以傳熱系數較小的一側的傳熱表面為基準；當α1與α2相差不大時，則以平均表面為基準。
（3）通過翅片管傳熱（以翅片管內表面為基準）
（7-27）
（7-28）
式中 α——傳熱系數，W/（m2·K）；
α1——翅片管內流體的傳熱系數，W/（m2·K）；
α2——翅片側的傳熱系數，W/（m2·K）；
Fn——翅片根部表面積，m2；
FP——翅片表面積，m2；
Fi——翅片管內表面積，m2；
Ω——翅片效率，Ω由圖7-8查取。
（7-29）
式中 ra——翅片根部的半徑，m；
rb——翅片頂部的半徑，m；
λ——翅片材料的熱導率，W/（m·K）；
yb——翅片厚度的
值，m。
圖7-8 翅片效率Ω值
7.5.3 管內受迫流動換熱關聯式
（1）湍流換熱
對于光滑管內湍流，通常采用迪圖斯和貝爾特（Dittus-Boelter）提出的公式：
加熱流體
（7-30）
冷卻流體
（7-31）
式中，tw為管壁溫度；tf為流體的定性溫度。
適用條件：流體與壁面具有中等以下溫差，0.7≤Prf≤160，Ref≥104，l/d≥60，定性溫度取沿管長流體的平均溫度，定性尺寸為管內徑d。
對于流體與管壁溫度相差較大，流體物性場不均勻性影響較大時，可采用席德-塔特提出的公式：
（7-32）
式中 ηf——定性溫度下流體的動力黏度；
ηw——管壁溫度下流體的動力黏度。
適用條件：0.7≤Prf≤16700，Ref≥104，l/d≥60。
對于非圓形截面管道，采用當量直徑de作為特征長度，即
（7-33）
式中 Ac——管道流通截面面積；
U——管道流通截面的潤濕周邊的長度。
（2）層流換熱
席德和塔特（Sieder and Tate）提出常壁溫層流換熱關聯式為：
（7-34）
適用條件為：0.8<Prf<16700，
，管子較短，
，定性溫度為流體的平均溫度tf。
7.5.4 外掠單管換熱準則關聯式
由流體外掠圓管對流換熱關聯式可計算平均表面傳熱系數：
（7-35）
適用范圍0.7<Prf<500，1<Ref<106。式中除Prw的定性溫度為tw外，其他物性的定性溫度為主流溫度tf，特征尺寸為圓管外徑d。對于Prf≤10的流體，m=0.37；對于Prf>10的流體，m=0.36。式中常數C和n的值見表7-25。
表7-25 常數C和n的值
7.5.5 外掠管束
多數換熱設備內的換熱面由管束構成。當流體外掠管束時，除與流態相關外，還與管束的排列方式、管間距以及管排數等有關。
管束的排列方式有順排與叉排，如圖7-9所示。叉排管束的流道交叉擴縮；順排管束的流道相對平直，流速低或管間距S2較小時，易在管尾部形成滯留區。因此，一般叉排時流體擾動好，換熱比順排好。
圖7-9 管束的排列方式
除第一排管保持外掠單管特征外，從第二排管起流動與換熱由于受到前排管尾部渦旋干擾，后排管的平均表面傳熱系數逐漸增大，直到20排左右，換熱趨于穩定。
對于流體外掠管束的對流換熱，其關聯式除反映一般影響因素外，還應反映管束的排列方式、管間距以及管排數影響。因此，計算管束平均表面傳熱系數關聯式為：
（7-36）
式中 
——相對間距；
εz——排數修正系數。
式（7-36）僅適用于流體流動方向與管束垂直，即稱為沖擊角ψ=90°的情況。如果ψ<90°，對流換熱將減弱。
表7-26列出了管排數大于20時平均表面傳熱系數的具體關聯式，當管排數低于20，應采用表7-27中的排數修正系數εz修正。
表7-26 管束平均表面傳熱系數關聯式
表7-27 排數修正系數εz
7.5.6 熱計算用的氣體及液體物理性質
表7-28給出了用于熱計算的氣體物理特性。
表7-28 用于熱計算的氣體物理特性
表7-29給出了用于熱計算的液體物理特性。
表7-29 用于熱計算的液體物理特性
表7-30給出了1atm下，干空氣的熱物理特性。
表7-30 干空氣的熱物理特性（p≈1.01×105Pa）
7.5.7 流體沿平板及圓板自然對流與強迫對流時傳熱系數計算
自然對流是流體自由運動而產生的換熱現象，而強迫對流是流體受強迫運動而產生的。在這兩種情況下，傳熱系數計算公式是不同的。表7-31給出了自然對流換熱時計算傳熱系數α相關公式。表7-32給出了強迫對流換熱時計算傳熱系數α相關公式。
表7-31 自然對流換熱時計算傳熱系數α相關公式
注：傳熱系數α與努塞爾數關系：Nu=
。
表7-32 強迫對流換熱時計算傳熱系數α相關公式
注：層流Re<2200；湍流Re>10000；過渡流Re在兩者之間。
7.5.8 空氣中自然對流傳熱系數
空氣中自然對流時傳熱系數計算公式見表7-33及表7-34。
表7-33 空氣中自然對流時傳熱系數計算公式
注：t—溫度差，K；l及d—長度與直徑，m。
表7-34 空氣中自然對流時傳熱系數簡易計算公式
