对流传热的理论基础与工程计算.ppt

5-5 管内强迫对流传热的实验关联式,一、综述,管内单相流体强迫对流传热的热流量,1、流态及判断,用雷诺数Re判别层 流：Re104,5-5 管内强迫对流传热的实验关联式,一、综述,由牛顿冷却公式，管内单相流体强迫对流传热的热流量,2、流动边界层的形成与发展,流体进入管口后，开始形成边界层，并随流向逐渐增厚。在稳态下，管中心流速将随边界层的增厚而增加，经过一段距离，管壁两侧的边界层将在管中心汇合，厚度等于管半径，同时管断面流速分布和流动状态达到定型，这一段距离通称流动进口段。之后，流态定型，流动达到充分发展，称为流动充分发展段。,3、换热特征 热边界层同样存在进口段与充分发展段，流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr：当Pr1时，流动进口段比热进口段短当Prl时，流动进口段比热进口段长热进口段长度L（L/d10-45）常壁温条件下：L/d0.05RePr常热流条件下：L/d0.07RePr,3、换热特征 在Pr1情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热充分发展段，无因次温度分布达到定型，表面传热系数保持不变。在进口处，边界层最薄，hx具有最高值，随后降低。在层流情况下，hx趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，hx将有一些回升，并迅速趋于不变值。,入口段的热边界层薄，表面传热系数高。层流入口段长度:湍流时:,二、管内湍流强迫对流传热 定性温度采用流体平均温度tf；特征长度为管内径di；特征流速f。流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3,适用条件：,温差范围：油10，水20，气体50长、直管,否则，需要修正：ct温度修正系数 cl短管管长修正系数 cR弯管修正系数。,（1）温度的影响ct,液体：主要是粘性随温度而变化,气体：除了粘性，还有密度和热导率等,1、影响对流换热的几个因素,当流体温度tf和壁面温度tw相差较大时，温度场影响速度场，从而影响对流传热系数。主要影响流体的粘度，同时管道的安放位置及热流密度的方向不同，速度分布也不同。,下列温差范围需要修正气体：tw-tf 50 水：tw-tf 20油类：tw-tf 10,液体被加热液体被冷却气体被加热气体被冷却,（2）入口效应影响cl,流体进入管道后，从入口处开始，沿流动方向边界层逐渐增厚，并由层流边界层转变为湍流边界层，最后边界层在管道中心处汇合，边界层厚度等于管半径，而进入充分发展段。hx的变化：入口段的hx比充分发展段的hx大,对于L/d 50短管，应进行修正：修正系数见图6-3采用公式,（3）弯管效应,离心力,二次环流,换热增强,修正系数：,气体：,液体：,2、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。,3、其它形式的关联式,希德泰勒公式：稠油、高含蜡原油格尼林斯基公式：计算确定度最高,4、强化传热措施,d，h，h，但要考虑经济性 弯管（螺旋管）、短管选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）加强扰动,三、管内层流强迫对流传热,从入口开始，边界层沿程不断加厚，边界层的流速较小。为了保证流量不变，边界层外流速增加，边界层急需增厚，最后在管中心线汇合，整个管子被层流边界层占据。入口段：充分发展段：,hx的变化：入口段的hx比充分发展段的hx大,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：,适用条件：,四、管内过渡区强迫对流传热,五、计算步骤,确定特征温度(有时需假设)，查物性参数计算Re，判别流动形态（若不能求得Re数，先假设流态计算，再校核）根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修正，未知的先假设为1，再校核）求Nu和h利用能量守恒定律，求其它物性参数校核,说明：,求管长:求出换热系数后，由能量守恒公式,如何从质量流量求速度,例题5-1：在流体的物性和流道截面的周长相同的条件下,圆管和椭圆管内单相流体的受迫紊流换热,何者换热系数大?为什么?答：椭圆管的换热系数大。因为hd-0.2，椭圆管的de圆管的d。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而 de=4f/U，则de(椭圆)d(圆)。,例题5-2 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。,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,从附录7中水的物性表中可查得,f=0.635W/m.K，vf=0.65910-6m2/s，Pr=4.31,管内雷诺数为,管内流动为旺盛紊流。,计算壁面温度,核对温差,不在范围内，需要修正温差，重新计算Nu，h,计算壁面温度,5-6 外部流动强制对流传热的计算关联式,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。,纵掠平壁横掠单管（柱）横掠管束,（自学）,5-7 自然对流传热,自然对流传热流体在浮升力作用下的对流换热大空间的自然对流传热：边界层的形成和发展不受周围物体的干扰（主要介绍）有限空间自然对流传热：受干扰,一、大空间的自然对流传热,1、形成的主要原因,静止流体与壁面间温度差是流体产生对流和换热的根本原因。温度差密度差浮升力(沉降力)流体沿壁面向上(下)流动 例如：暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热,2、边界层的形成与发展,设板温高于流体的温度。板附近的流体被加热因而密度降低(与远处未受影响的流体相比)，向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层。如果竖板足够高，到一定位置也会从层流发展成为湍流边界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。（1）温度：与纵掠平板类似（2）速度：中间大，两边小,（3）局部对流换热系数：传热系数开始时因边界层增厚逐渐减小，后又由于层流边界层向湍流边界层过渡，边界层内流体的掺混作用使边界层热阻减小，hx，转变为湍流边界层后，边界层充分发展，hx基本不变。,竖壁、竖圆柱：GrPr109 横圆柱：GrPr1.5108 水平板热面朝上：GrPr5106,（4）判别层流与湍流（不同形状的换热面标准不同）：,Gr称为格拉晓夫数，在物理上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种量度。Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。自然对流换热准则方程式为,工程中广泛使用的是下面的关联式：对于符合理想气体性质的气体，。,二、大空间自然对流换热的实验关联式,式中：定性温度采用膜平均温度,1、恒壁温,特征长度的选择：竖壁和竖圆柱取高度，横圆柱取外径。常数C和n的值见下表。,注：竖圆柱按下表与竖壁用同一个关联式只限于以下情况：,2、恒热流密度(电子、电气元件自然对流),壁面热流密度给定，但壁面温度未知，并且沿壁面分布不均匀，往往需要确定局部壁面温度。对于垂直壁面，引进一个修正的局部格拉晓夫数,层流：,湍流：,小 结,（1）对流换热的影响因素；,（2）对流换热的数学模型；,（3）边界层概念及其特征，对求解对流换热问题的意义；,（4）对流换热问题解的形式特征数关联式；,（5）Nu、Re、Pr、Gr表达式及其物理意义；,（6）相似原理主要内容及其对解决对流换热问题的指导意义；,（7）单相流体管内强迫对流、外掠壁面、自然对流换热的特点及其影响因素；,（8）会利用特征数关联式计算上述对流换热问题。,本章作业,5-1，5-5，5-8，5-10，5-16，5-21，5-22,