C7管内换热.ppt
传热学 Heat Transfer,6-1 单相流体强制对流换热实验关联式,管内强制对流换热流动和换热的特征 管槽内湍流换热实验关联式 管槽内层流换热关联式 本节小结,传热学 Heat Transfer,一、管内强制对流换热流动和换热的特征,1.管内的流动状态,层流,过渡区,湍流,采用雷诺数判断,传热学 Heat Transfer,2.流动和换热的入口段及充分发展段,传热学 Heat Transfer,流动入口段,流动充分发展段,换热入口段,换热充分发展段,流动入口段长度 l 的确定,层流：,湍流：,传热学 Heat Transfer,3.局部表面传热系数 hx 的变化,请同学解释这么画的依据,传热学 Heat Transfer,4.常见的两种换热条件,管子表面的换热条件有均匀热流和均匀壁温两种典型的情况。(1)均匀热流（恒热流）,壁面和流体温度随管长的变化,对流传热温差为：,传热学 Heat Transfer,(2)均匀壁温（恒壁温）,对流传热温差为：,壁面和流体温度随管长的变化,传热学 Heat Transfer,二、管槽内湍流换热实验关联式,1.迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）关联式：,适用的参数范围：,式中取流体平均温度作为定性温度；取管子内径d为特征尺度；取截面的平均流速作特征速度。,气体：,水：,油：,传热学 Heat Transfer,2.迪图斯-贝尔特关联式应用范围的扩展,（1）温差超过推荐的幅度值,对于液体：主要是粘性随温度而变化。,对于气体：除了粘性，还有密度和导热系数等。,当温差超过推荐的幅度值后，流体热物性将发生变化，从而对换热产生影响。,修正方法：,传热学 Heat Transfer,（2）非圆形截面通道,对于方形、椭圆形、环形等形状的截面情况，可以用当量直径作为特征尺度从而应用以上的准则方程。,式中：Ac 对为槽道的流动截面积，P为润湿周长。,传热学 Heat Transfer,（3）对于短管（考虑入口效应）,对于较短的管子及常见的尖角入口，推荐以下的修正系数：,考虑温度和短管修正后的迪图斯-贝尔特关联式:,传热学 Heat Transfer,（4）对于弯管的修正,由于管道弯曲改变了流体的流动方向，离心力的作用会在流体内产生如图所示的二次环流，结果增加了扰动，使对流换热得到强化。,对于气体：,对于液体：,传热学 Heat Transfer,3.其它的实验关联式,（1）齐德-泰特（Sieder-Tate）关联式：,评价：误差大；近似适用于液体被加热的情况。,（2）格尼林斯基（Gnielinski）关联式：,评价：准确，与实验数据的均方根偏差为。,该式也适用于过渡区,传热学 Heat Transfer,三、管槽内层流换热关联式,适用的参数范围：,1.赛德尔塔特（Sieder-Tate）关联式,管子处于均匀壁温,传热学 Heat Transfer,2.层流充分发展换热的 Nu 数,对于圆管：,传热学 Heat Transfer,四、本节小结,在本节我们首先分析了管内流动和换热的特征；然后给出了湍流情况下的实验关联式，重点是其中的迪图斯-贝尔特关联式；对层流情况分别给出了处于入口段和充分发展段的关联式。,（1）实际问题的主要特征；,（2）实验关联式的适用条件；,（3）特征尺度、特征速度和定性温度的确定。,1.注意：,传热学 Heat Transfer,（1）利用雷诺数判断流动的状态;（2）选用合适的实验关联式;（3）计算出努塞尔数，进一步得到表面传热系数;（4）根据牛顿冷却公式计算出对流换热量。,2.管槽内对流换热的一般步骤,传热学 Heat Transfer,例题：在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内径为10mm、长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温度分别为15和65，试计算管内的表面传热系数。,从附录中水的物性表中可查得,解：由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为,传热学 Heat Transfer,W/(m2K),以上计算没考虑流体物性场不均匀的影响。如果考虑物性场不均匀的影响，必须求出壁面温度，以确定修正项。可以首先根据冷却水的温升确定换热量，再用上面计算的表面传热系数h。,管内强迫对流换热如何强化？书上P138,思考作业,传热学 Heat Transfer,按照概述中的分类外部流动的强制对流换热主要有横掠平板、外掠单管和外掠管束等情况。,6-2 外部流动强制对流换热实验关联式（略）,传热学 Heat Transfer,一、横掠单管换热实验关联式,1.流动的特征,流体横向绕流单管时的流动除了具有边界层的特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、漩涡和涡束。,传热学 Heat Transfer,边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。,低雷诺数时，回升点反映了绕流脱体的起点。,高雷诺数时，第一次回升是层流转变成湍流的原因，第二次回升约在则是由于脱体的缘故。,2.换热的特征,传热学 Heat Transfer,3.平均表面传热系数 h 计算的关联式,对于高温气流冲刷的管子，若壁温过高，可能发生爆管现象，在管子的那一点易发生？,式中C、n 之值见教材表5-5,定性温度取 特征长度取管外径d特征流速取来流速度,传热学 Heat Transfer,二、外掠管束换热实验关联式,1.流动和换热的特征,顺排,叉排,管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排中的流动扰动比顺排时要剧烈，因此换热也较强。此外，管束的间距s1和s2及管排数也影响换热强度。,传热学 Heat Transfer,2.平均表面传热系数 h 计算的关联式,式中C、m 之值见教材表5-7,上式主要用于气体，因此Pr数的影响归到了系数 C 中。,定性温度取 特征长度取管外径d特征流速取管束中最窄截面处的流速,对于排数少于10排的管束，需要利用管排修正系数修正。,该问题也可以采用表5-9和5-10给出的关联式计算。,传热学 Heat Transfer,6-3 自然对流换热及其实验关联式(略),自然对流换热：其产生原因是由于固体壁面与流体间存在温差，使流体内部温度场不均匀，导致密度场的不均匀，于是在重力场作用之下产生浮升力而促使流体发生流动，引起热量交换。,
