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1、7.6 自然对流换热计算7.7 强制对流换热计算,2,7.6 自然对流换热,主要内容自然对流换热概念自然对流换热边界层自然对流换热分类大空间自然对流换热计算的实验准数方程,3,1 自然对流换热概念,流体中，由密度差引起的对流流动叫自然对流。自然对流的流体掠过固体壁面时，与固体壁面间的换热现象称为自然对流换热。工程中常见这种流动，如：炉壁的散热；热力管道的散热；钢包和铸模内的钢液与壁面间的传热等。,4,热的竖壁如图：在壁的下部，自然对流刚开始形成，流动是有规则的层流，在壁的上部，流动转变为紊流。,对于竖壁而言，只要壁面足够高，流体的流动都将转变为湍流。现已查明，当流动进入旺盛紊流时，局部换热系数
2、是一常数。,2 自然对流换热边界层,A处的条纹整齐，为层流。,B处条纹已部分紊乱，说明流动开始向湍流转变。,5,自然对流可分为大空间自然对流换热和有限空间的自然对流换热两类。表面的热边界层不受影响的空间叫大空间自然对流换热。,3 自然对流换热分类,大空间时时，图中,6,自然对流换热的工程现象,浇注后的铸型和铸件热力设备管路外壁在大气中的换热建筑墙壁建筑玻璃,7,工程中常用的准数方程为：Num=C(Gr Pr)mn式中下标m表示以平均温度作为定性温度。C、n 为实验常数（p132 表7.1）。C、n 值的影响因素包括：换热面的形状和位置；边界条件；流态。,4 大空间自然对流换热计算的实验准数方程
3、,请注意：关于特征温度和定型尺寸的问题。,8,实验确定的几种情况下的C及n值,空气,Num=C(Gr Pr)nm,9,大空间自然对流换热例题,试求悬挂在大厂房中的3m高的热竖直钢板的自然对流换热系数。已知钢板表面壁温为170，厂房内温度为10。,10,对流换热系数W/(m2K)的大致量级：,空气自然对流：310空气强制对流：20100水自然对流：2001000水强制对流：100015000水沸腾：250025000高压水蒸气强制对流：5003500液态金属强制对流：3000110000,11,7.7 强制对流换热计算,主要内容强制对流换热概念外掠平板外掠圆柱或圆管绕流球体管内湍流时的对流换热管
4、内层流时的对流换热管内过渡区时的对流换热计算,12,1 强制对流换热概念,当参与换热的流体受动力或压头的驱动时，其与固体壁面之间的换热称为强制对流换热。强制对流换热现象在工程中较为多见：管式换热器热力输送管路,13,2 外掠平板,平板临界雷诺数,平板局部雷诺数,层流区 Re5105，准则方程为,湍流区 5105 Re 107，准则方程为,特征尺寸取板长；Re中的速度取主流速度。,以此计算处的h为壁面平均换热系数。,14,2 外掠平板,例题：24的空气以60m/s的速度外掠一块平板，平壁保持216 的温度，板长0.4m。试求平均换热系数。（不计辐射换热）,15,3 外掠圆柱或圆管,如图示，可以清
5、楚地看见边界层、边界层分离、和后半部分的湍流形态。,16,绕流脱体现象,前半部分压强递降后半部分压强回升边界层内的动量因克服这种压力回升而消耗，从而出现边界层分离情形分离后出现回流、或涡流。（形成压差阻力）脱体起点位置取决于Re的大小。,17,3 外掠圆柱或圆管,空气（亦适合于烟气和其他双原子气体）横掠圆管时的准数方程为,式中：c、n 随Re的大小而确定。边界层平均温度为Tm；特征尺寸取圆柱外径d；Re中的流速取流体的主流速度。,液体横掠圆管时的准数方程为,18,3 外掠圆柱或圆管,当冲击角不为90时，换热强度就会降低，此时应当对换热系数进行修正。引入一个小于1的实验系数，即,冲击角修正系数曲
6、线,19,4 绕流球体,绕流球体时，边界层的发展和分离与绕流圆柱相似。流体与球面间的换热系数计算可按下列准数方程确定：,适用范围为：17 Re 70000,适用范围为：1 Re 7000，0.6 Pr 4000,以上两式的定性温度均为流体边界层的平均温度Tm；特征尺寸为球的直径。,20,计算准数方程式：,5 管内湍流时的对流换热,使用范围：直管；Re 104;Pr 0.7120 L/d 50 温差限制：气体：t 50 水：t 30 油类：t 10,下标f：表示以流体的平均温度为定性温度。特征尺寸：管的直径或当量直径。m：液体被加热或气体被冷却时取0.4；液体被冷却或气体被加热时取0.3。,温差
7、不同时管内流速的畸变,(Tw-Tf)3=0(Tw-Tf)2(Tw-Tf)1 0,21,5 管内湍流时的对流换热,关于修正：大温差的修正入口段修正（当 L/d 60 时）弯曲管道的修正层流时的计算,22,5 管内湍流时的对流换热,温差较大时，流体的物性将有较大的改变，可从其粘性力的变化来考虑，即对于气体被加热或液体被冷却其粘度增加，边界层厚度增加。反之则反。此时的准数方程为：,大温差的修正,特征尺寸为管路内径。,23,5 管内湍流时的对流换热,入口段修正 当 L/d 60 时，由于入口效应须加以修正，即将 h 乘以修正系数L，其值大于1：,24,5 管内湍流时的对流换热,湍流时的入口效应,层流入
8、口效应,25,5 管内湍流时的对流换热,流体流经弯管时，易产生二次环流，使得对流作用加强，因此须加以修正，即乘以修正系数R 对于气体：R=1+1.77（d/R)对于液体：R=1+10.77(d/R)3 式中：d 管的内径 R 曲率半径,弯曲管道的修正,26,6 管内层流时的对流换热,当Re 2320时即为层流，但在流体与管壁进行对流换热时，只有在小温差和小直径的情况下才能得到严格的层流。层流可参考使用以下公式：,下标 w：定性温度为壁温。f：是按流体的平均温度计算。使用范围：Re2300，Pr=1894530，Prf/Prw=1.1418.2,27,7 管内过渡区时的对流换热计算,当Re=2320104时即为过渡区，温差较大时亦会有自然对流的影响，在选用公式时应注意其使用条件，及定性温度、定型尺寸等。,28,29,传热过程计算,三个串联传热步骤的热流量分别为,30,作业,P139 第5题：求单位面积上单位时间内的对流换热量。第13题：流体的温度取流体在入口处和出口处的平均温度。,
