换热器准则方程式与性能测试（专家讲稿摘录１）

换热器准则方程式与性能测试

国家石油钻采炼化设备质量监督检验中心

李  苏   高工

一、影响对流换热的几个因素

1.1层流与紊流

1.1.1 换热不同

层流时：由于各层流体间互不掺混，沿半径方向的热量传递依靠导热，同一截面上流体温度沿半径方向变化较大。

紊流时：流体微团间的剧烈混合使热量传递大大强化。在层流底层外不同位置上温度趋于一致。

所以，对同一流体紊流时的对流传热系数比层流时的高，像空气、水、油类等一般流体，截面上温度急剧变化的区域集中在层流底层内，在这薄流层内的热量传递基本上只能靠导热。所传递的热量在穿过这一底层时要克服很大的热阻，大部分温度降都发生在这里。下式说明了对流传热系数与层流底层的关系：

                   (1-1)

式中：λ— 流体导热系数；  δ—层流底层厚度。

层流底层厚度又取决于雷诺数Re，由(1-1)式可见紊流时的对流传热系数必与Re有关。例如，流体在圆管内流动时，当Re＞2300时，我们可以认为是紊流。2300为临界雷诺数。又例如，流体在板式换热器中流动，在很低雷诺数下形成紊流，这与它的流道结构有关，对于大多数板型，当波深为3～4mm，角度为90°～135°，法截为10～14mm，一般临界Re为400，大约在Re为800时可达到旺盛紊流。

1.1.2 阻力不同

试验发现：层流时阻力与流速一次方成正比；而紊流时的阻力则与流速的1.2～2次方成正比。

1.2 几何因素

流体所触及的固体表面几何形状、大小以及流体与固体表面的相对位置都对换热与阻力有不同影响，其规律也必定相异，见图1-1。

我们不能指望仅用一个公式就能表达各种各样的对流换热的基本规律，必须分门别类的进行研究。

 1.3 流体物性影响

所谓物性是指：密度ρ、动力粘度μ、导热系数λ、定压比热Cp、体膨胀系数β及汽化潜热γ等。以下着重介绍前4种物性参数。

1.3.1密度ρ和动力粘度μ

当其它条件如流速v与直径d相同时，由于，ρ越小，μ越大，Re越小，对流换热程度越弱，即对流传热系数α越小。比方机油与水相比就属此种情况。

1.3.2导热系数λ

无论层流还是紊流，导热系数λ增加，必然使换热过程增强，即对流传热系数α增大。

1.3.3定压比热Cp

流体的定压比热Cp越大，对流换热程度越强，即对流传热系数α越大。

所以在密度ρ、动力粘度μ、导热系数λ、比热Cp四个物性参数中,动力粘度μ增加，放热减小；提高密度ρ、导热系数λ、比热Cp，放热增加。

以油和水为例说明如下：

如变压器油，常温下：

密度ρ约是水的0.8～0.9倍；

比热Cp约是水的0.5倍；

导热系数λ约是水的0.2倍；

动力粘度μ约是水的36倍。

则在相同条件下(流速、几何尺寸)，油的对流传热系数比水小很多。例如，流速v=0.1m/s时，Re_水=1300；Re_油=130；同等条件下，Re_油为Re_水的十分之一。

上面是定性的分析，如何定量呢？如果Re增加一倍,α是否增加一倍呢？在相同条件下，α_水比α_油大多少呢？

要回答以上问题，必须掌握α与各影响因素间的数量关系式。由于对流换热的复杂性，目前主要是通过实验的途径来获得这些关系式。

例如，有上面的分析可以知道，管内强制对流换热系数α与平均流速v、管子内径d及流体物性ρ、μ、λ、Cp有关。用数学函数关系可表达为：

α=f(v,d,ρ,μ,λ,Cp)

我们实验的任务在于找出α与v、d、ρ、μ、λ、Cp这六个变量间的函数形式，为得出一定通用性的公式，应使6个变量在相当宽的范围内变化。如果每一个量取十个不同值，实验时，保持其余5个量为定值，使另一个量作逐一变化，总共需10⁶次(一百万次)测定。显然，这样孤立起来研究每个变量的方法是不可行的。