7.5 对流换热
无相变对流换热主要有两种形式：其一是强迫运动引起的对流换热，所谓强迫运动是指流体受外力作用下引起的运动，如水泵输送水，即为强迫运动。在对流换热计算中，大多数属于此类；其二是自由运动的对流换热，是由流体温差引起密度不同而产生的换热过程，真空工程热计算中应用较少。
对流换热基本公式如下：
（7-21）
式中 Q——对流换热量，W；
α——传热系数，W/（m2·K）；
F——换热面积，m2；
t1——固体温度，K；
t2——流体温度，K。
在对流换热中，α值与很多因素有关，如流体物性参数，流动类型、流体流经的管路壁温及几何形状等因素。在换热计算中主要是求解α值，而传热系数α是努塞尔数Nu、普朗特数Pr、格拉晓夫数Gr的函数。
7.5.1 计算传热系数所用特征数
计算传热系数α值所用特征数见表7-22。
表7-22 计算换热系数α值所用特征数
①各种截面管道当量直径d见表7-24。
换热器中介质的常用流速见表7-23。
表7-23 换热器中介质的常用流速
计算传热系数α时，各种形状管道的当量直径de由表7-24给出。
表7-24 各种形状管道的当量直径de
当量直径de计算公式：
（7-22）
式中 r'——水力半径；
F——通道自由截面积，当有翅片时应扣去翅片所占面积；
U——浸润周边，计算传热时，U为与传热面有关的一部分；计算阻力时，U为全部浸润周边（特殊注明者除外）。
7.5.2 传热系数计算基本公式
（1）通过平壁传热
平壁换热包括3个过程：
①高温流体对壁面以对流方式传递热量；
②壁高温表面以传导方式向低温表面传递热量；
③低温表面以对流方式向低温流体传递热量。
通过平壁传热系数应为三者叠加构成，即
（7-23）
式中 α——传热系数，W/（m2·K）；
α1——热流体的传热系数，W/（m2·K）；
α2——冷流体的传热系数，W/（m2·K）；
δi——i层壁的厚度，m；
λi——i层壁的热导率，W/（m·K）；
n——平壁层数。
（2）通过管子传热
流体通过光管的换热过程与平壁换热过程相似，包括管内（管外）流体对管壁的热量传递；管壁本身热量传递；管壁外表面（内表面）对流体的换热。
通过光管的传热系数应由下述3部分构成。
①以管子内表面为基准时：
（7-24）
②以管子外表面为基准时：
（7-25）
③以管子平均表面为基准时：
（7-26）
式中 α——传热系数，W/（m2·K）；
α1——管内流体的传热系数，W/（m2·K）；
α2——管外流体的传热系数，W/（m2·K）；
d1——管子内径，m；
d2——管子外径，m；
dm——管子平均直径，m；
δ——管壁的厚度，m；
λ——管壁的热导率，W/（m·K）。
传热系数可以任何传热表面为基准进行计算。当管内外的传热系数α1与α2相差较大时，通常以传热系数较小的一侧的传热表面为基准；当α1与α2相差不大时，则以平均表面为基准。
（3）通过翅片管传热（以翅片管内表面为基准）
（7-27）
（7-28）
式中 α——传热系数，W/（m2·K）；
α1——翅片管内流体的传热系数，W/（m2·K）；
α2——翅片侧的传热系数，W/（m2·K）；
Fn——翅片根部表面积，m2；
FP——翅片表面积，m2；
Fi——翅片管内表面积，m2；
Ω——翅片效率，Ω由图7-8查取。
（7-29）
式中 ra——翅片根部的半径，m；
rb——翅片顶部的半径，m；
λ——翅片材料的热导率，W/（m·K）；
yb——翅片厚度的
值，m。
图7-8 翅片效率Ω值
7.5.3 管内受迫流动换热关联式
（1）湍流换热
对于光滑管内湍流，通常采用迪图斯和贝尔特（Dittus-Boelter）提出的公式：
加热流体
（7-30）
冷却流体
（7-31）
式中，tw为管壁温度；tf为流体的定性温度。
适用条件：流体与壁面具有中等以下温差，0.7≤Prf≤160，Ref≥104，l/d≥60，定性温度取沿管长流体的平均温度，定性尺寸为管内径d。
对于流体与管壁温度相差较大，流体物性场不均匀性影响较大时，可采用席德-塔特提出的公式：
（7-32）
式中 ηf——定性温度下流体的动力黏度；
ηw——管壁温度下流体的动力黏度。
适用条件：0.7≤Prf≤16700，Ref≥104，l/d≥60。
对于非圆形截面管道，采用当量直径de作为特征长度，即
（7-33）
式中 Ac——管道流通截面面积；
U——管道流通截面的润湿周边的长度。
（2）层流换热
席德和塔特（Sieder and Tate）提出常壁温层流换热关联式为：
（7-34）
适用条件为：0.8<Prf<16700，
，管子较短，
，定性温度为流体的平均温度tf。
7.5.4 外掠单管换热准则关联式
由流体外掠圆管对流换热关联式可计算平均表面传热系数：
（7-35）
适用范围0.7<Prf<500，1<Ref<106。式中除Prw的定性温度为tw外，其他物性的定性温度为主流温度tf，特征尺寸为圆管外径d。对于Prf≤10的流体，m=0.37；对于Prf>10的流体，m=0.36。式中常数C和n的值见表7-25。
表7-25 常数C和n的值
7.5.5 外掠管束
多数换热设备内的换热面由管束构成。当流体外掠管束时，除与流态相关外，还与管束的排列方式、管间距以及管排数等有关。
管束的排列方式有顺排与叉排，如图7-9所示。叉排管束的流道交叉扩缩；顺排管束的流道相对平直，流速低或管间距S2较小时，易在管尾部形成滞留区。因此，一般叉排时流体扰动好，换热比顺排好。
图7-9 管束的排列方式
除第一排管保持外掠单管特征外，从第二排管起流动与换热由于受到前排管尾部涡旋干扰，后排管的平均表面传热系数逐渐增大，直到20排左右，换热趋于稳定。
对于流体外掠管束的对流换热，其关联式除反映一般影响因素外，还应反映管束的排列方式、管间距以及管排数影响。因此，计算管束平均表面传热系数关联式为：
（7-36）
式中 
——相对间距；
εz——排数修正系数。
式（7-36）仅适用于流体流动方向与管束垂直，即称为冲击角ψ=90°的情况。如果ψ<90°，对流换热将减弱。
表7-26列出了管排数大于20时平均表面传热系数的具体关联式，当管排数低于20，应采用表7-27中的排数修正系数εz修正。
表7-26 管束平均表面传热系数关联式
表7-27 排数修正系数εz
7.5.6 热计算用的气体及液体物理性质
表7-28给出了用于热计算的气体物理特性。
表7-28 用于热计算的气体物理特性
表7-29给出了用于热计算的液体物理特性。
表7-29 用于热计算的液体物理特性
表7-30给出了1atm下，干空气的热物理特性。
表7-30 干空气的热物理特性（p≈1.01×105Pa）
7.5.7 流体沿平板及圆板自然对流与强迫对流时传热系数计算
自然对流是流体自由运动而产生的换热现象，而强迫对流是流体受强迫运动而产生的。在这两种情况下，传热系数计算公式是不同的。表7-31给出了自然对流换热时计算传热系数α相关公式。表7-32给出了强迫对流换热时计算传热系数α相关公式。
表7-31 自然对流换热时计算传热系数α相关公式
注：传热系数α与努塞尔数关系：Nu=
。
表7-32 强迫对流换热时计算传热系数α相关公式
注：层流Re<2200；湍流Re>10000；过渡流Re在两者之间。
7.5.8 空气中自然对流传热系数
空气中自然对流时传热系数计算公式见表7-33及表7-34。
表7-33 空气中自然对流时传热系数计算公式
注：t—温度差，K；l及d—长度与直径，m。
表7-34 空气中自然对流时传热系数简易计算公式
