传热学第六章课件.ppt

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1、6-3 内部流动强制对流换热实验关联式,管槽内强制对流流动和换热的特征 1. 流动特点,层流：,过渡区：,旺盛湍流：,由于流体有粘性，流体流过管内会形成速度边界层，从入口开始，边界层厚度逐渐增加，直到边界层的厚度 时，管内才是充分发展的层流（充分发展的紊流）。,层流,湍流,无论层流还是紊流，流体在管内流动都可分为两段：流动入口段和流动充分发展段,起始段：,2. 对流换热特点,当流体与管壁发生对流换热时，有热边界层形成，热边界层厚度不断增加，直至等于管半径处。,热起始段特点：,湍流热边界层起始段长度:,1）层流时，hx随t增加而下降（导热厚度大，下降）在层流向紊流过渡时， hx上升，故从加强换热

2、的角度看，应使流动处于紊流。,2）层流热边界层起始段长度:,此后的平均换热系数不受入口起始段的影响。,热充分发展段：,当 以后的管长，温度分布已定型， 故在经验公式中讨论充分发展段。,3. 管壁与流体换热量的计算：,由牛顿冷却公式：,A流体与管壁的换热面积2r L,对不同的加热方式，温差的计算不一样。有恒热源加热和恒壁温加热。如图,热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。,对恒热流的情况，如果充分发展段足够长，则可取充分发展段的温差 tw-tf 作为计算温差。,对恒壁温的情况，截面上局部温差在整个换热面上是变化的，应取平均对数温差,特征速度及定性温度的确定 特征速度一般多取截面平均流速。 定性温度

3、多为截面上流体的平均温度（或进出口截面平均温度）。 牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件，可取 作为 。 对于恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，应用对数平均温差计算 ：,二. 管内湍流换热实验关联式,1、紊流换热关联式：,管内强制对流时，不同的流态，换热规律不同，所得的换热系数的计算式也不同。对于紊流强制对流换热，最常用的公式是迪图斯贝尔特公式：,加热流体时,冷却流体时,式中: 定性温度采用流体平均温度 ， 特征长度为管内径。,实验验证范围： 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。,气体：,水：,油：,大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1）迪贝斯贝尔特修正公式对气体被加热时，当气

4、体被冷却时，对液体,液体受热时液体被冷却时,（2）采用齐德泰特公式： 定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确定），管内径为特征长度。 实验验证范围为：,（3）采用米海耶夫公式： 定性温度为流体平均温度 ，管内径为特征长度。 实验验证范围为：,（4）采用格尼斯基公式,对液体：,对气体：,式中f为紊流流动时达西阻力系数：,实验验证范围为：,非圆形截面槽道 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。式中： 为槽道的流动截面积；P 为湿周长。 注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的方法会导致较大的误差。,（1）短管修正 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效应修

5、正系数：,2、紊流换热关联式的修正,当：,（2）弯管修正 螺线管强化了换热。对此有螺线 管修正系数： 对于气体对于液体,d管直径R曲率半径,（3）温差修正,液体：由于温度变化引起粘度变化,气体：由于温度变化引起、物性变化,液体受热,液体冷却,液体被冷却,气体被加热,修正后的迪图斯贝尔特公式为,以上所有方程仅适用于 的气体或液体。对 数很小的液态金属，换热规律完全不同。推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：均匀热流边界实验验证范围：均匀壁温边界实验验证范围：特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。,3、影响管内强制对流换热的几个主要因素,1）入口段的影响：对紊流，当L/d 60，平均h不再随管

6、长变化。由实验得出h的经验公式，一般是对L/d60的长管，若对短管，需乘上修正系数CL。进口的断面形状对换热系数也有影响，也必须修正。,2）流体物性变化的影响：当流体沿管道流动被壁面加热或冷却时，沿流动分析任一截面流体的温度会发生变化，温度变化引起物性参数的变化，特别是粘性变化使速度场改变。如图,第五章 对流换热,19,实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度分发生畸变。一般在关联式中引进乘数 来考虑不均匀物性场对换热的影响。,换热时管内速度分布：,1等温流,2冷却液体或加热气体,3加热液体或冷却气体,3）弯管的影响：当流体沿弯管流动时由于离心力的作用，管外侧的压力大于内侧，使外测流体流向内

7、侧，形成二次回流。增强了边界层的扰动，加强了换热。其h值在直管的基础上进行修正，乘上修正系数cr。,4）管壁粗糙度的影响：粗糙度越大，换热越强。工程上常采用内壁做成沙砾状的螺旋管加强换热。,4、强化换热措施,由,提高流速对强化换热效果显著,三. 管内层流换热关联式充分发展的层流对流换热的结果很多，可查表选用。,续表,由上两表得出：,1）均匀热流条件下的Nu数比均匀壁温下的Nu数大.,2）层流充分发展段的换热与Re无关，但紊流却于Re数有关。,3）使用当量直径作为特征长度，不同截面的管道层流充分发展段的Nu数不相等。,定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确定）管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。

8、 实验验证范围为：,实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式。,对流换热问题的解题步骤：,1）首先判别所求问题使哪一类？（自然对流、强制对流、外部流、内流、相变）,2）判别流态。 为层流,3）取定性温度、特征尺寸，查物性参数。,4）选择适当公式计算,5）校核，Re、t 是否在所选用公式的范围内,例：p195 5-36,解：1）水被加热时，定性温度,查表得：,可用（554）式,2）水被冷却时，定性温度与上相同,例：p194 5-33,定性温度,查物性参数,当量直径：,判流态：,紊流,采用（556）式计算：,由 查得,恒壁温加热，取对数平均温差：,解得：,采用（

9、554）式计算：,由热平衡式：,出口处的热流密度：,同理，用热平衡式算出,5-8 外部流动强制对流换热实验关联式,外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。 一. 横掠单管换热实验关联式,横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。,1、流动特点：,在绕流过程中会出现边界层分离。分离点的位置取决于Re.,当 时，附面层不分离,当 时，分离点发生在 处。,当 时，分离点发生在 处。,边界层的成长和脱体决定了外掠圆管的换热特性。,2、换热特点：,分析图：无论是层流还是紊流边界层，在 之间换热系数 h 随着边界层厚

10、度增厚而下降。,层流：边界层分离后，由于漩涡的扰动 h 增大。,紊流：曲线有两个拐点，第一个拐点是层流边界层转变为紊流边界层；第二个拐点是边界层分离点,虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。,可采用以下分段幂次关联式：式中：C 及 n 的值见下表；定性温度为特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度实验验证范围： ， 。,3、单管横掠的Nu数,对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式。 注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 是计算 数及 数时用的特征长度。,上述公式对于实验数据一般需要分段整理。 邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了

11、以下在整个实验范围内都能适用的准则式。 式中：定性温度为 适用于 的情形。,二. 横掠管束换热实验关联式,外掠管束在换热器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。,影响管束换热的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。,叉,顺,后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。,顺排特点：第一排管的流动与单管相同，第二排管前驻点的冲击力减弱，约在50度左右，冲击力最大，此时h上升。第三排管的冲击力更小，但紊流度增加，使得h上升。易于冲洗

12、且阻力小。,叉排特点：横向各排受到的冲击力与单管相似，由于流体不断收缩扩大，紊流度增大，故换热效果好。但流动阻力大，不易清洗。,气体横掠10排以上管束的实验关联式为 式中：定性温度为 特征长度为管外径d， 实验验证范围： C和m的值见下表。,数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速,对顺排：,对叉排：,对于排数少于10排的管束，平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数 的值引列在下表。,茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很宽的 数变化范围内更便于使用的公式。 式中：定性温度为进出口流体平均流速； 按管束的平均壁温确定； 数中的流速取管束中最小截面的平均流速；特征长度为管子外径。 实验验证范围：,例：空气预热器由n=5排、d=38mm的圆管顺排组成，管间距s1=s2=3d，每排管子数为N=8根，如果空气进入预热器tf1=20，流出预热器温度tf2=80，管壁温度tw=150试问空气流速u=6m/s空气管束之间换热量=125KW时，管束管子的长度应取多少？,解：流体的平均速度：,定性温度：,查物性参数,用572式计算再修正,C、n查表57,由表57,修正：查表58，5排，n=0.92,热流密度为,所需面积为：,必要的管长为：,