第6章单相流体对流换热

1、传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer第六章第六章 单相流体对流换热单相流体对流换热传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer本章教学内容本章教学内容6-1 6-1 管内受迫对流换热管内受迫对流换热6-2 6-2 外掠圆管对流换热外掠圆管对流换热6-3 6-3 自然对流换热自然对流换热传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer6-1 6-1 管内流体受迫对流换热管内流体受迫对流换热一、一般分析一、一般分析传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer流体在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，流体

2、在管内流动属于内部流动过程，其主要特征是，流动存在着两个明显的流动区段，即流动存在着两个明显的流动区段，即和和 管子进口到边界层汇合处的这段管长。管子进口到边界层汇合处的这段管长。 流动进入定型流动的区域。流动进入定型流动的区域。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer紊流区紊流区过渡区过渡区），（层流区层流区 10Re 10 2300Re 2300Re44 dum0; 0 vxu传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随

3、着流体向管内深入，热边界层最后也会热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入在管中心汇合，从而进入热充分发展段热充分发展段，在热边界层汇合之，在热边界层汇合之前也就必然存在前也就必然存在热进口段热进口段。consthttrt-ttttxfwRrfww 0传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer管内局部表面传热系数及平均管内局部表面传热系数及平均h h的变化的变化（a a）层流；）层流； （b b）紊流）紊流传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer Pr1时，流动进口段短； Pr10; Re104；Pr=0.71

4、60；流体与壁面；流体与壁面具有中等以下温度差，加热流体具有中等以下温度差，加热流体n=0.4；冷却流体；冷却流体n=0.3定性温度：全管长流体平均温度定性温度：全管长流体平均温度定型尺寸：管内径定型尺寸：管内径dnNuPrRe023. 08 . 0 先计算先计算ReRe判断流态，再选择公式判断流态，再选择公式传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer1 1）温差修正）温差修正 当流体与管壁之间的温差较大时，流体的物性受温当流体与管壁之间的温差较大时，流体的物性受温度的影响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变度的影响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化，进而影响流体与

5、管壁之间的热量传递和交换。化，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer2 2）非圆管修正）非圆管修正 流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径当量直径作作为特征尺度：为特征尺度：当量直径当量直径(de) (de) ：过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直径径Ufde4 f f 过流断面面积，过流断面面积，m m2 2U U 湿周，湿周，m m传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer3 3）入口修正）入口修正 当管子的

6、长径比当管子的长径比l/d60l/d10l/d10；n定性温度定性温度查物性，下标查物性，下标f f由由t tf f确定，下标确定，下标w w由由t tw w确定；确定；n由由ReRe判断流态；判断流态；n据据ReRe选择准则关联式计算选择准则关联式计算NuNuf f；n计算计算h h。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer例例6-16-1mfwu =0.85m st =90t =1151.5md=17mm一台壳管式蒸汽热水器，水在管内流速，全管水的平均温度，管壁温度，管长，管内径，试计算它的表面传热系数。fw62ff42f42l d10-ttt =900.326

7、10;0.680(m3.15 10;Pr1.95t =1152.48 10fwwmsWKN s mN s m解：本题符合式（6 5）的管长条件。解题的思路是先用定性温度确定物性，再可确定计算式中的准则数。物性由附录3查取，水在 及下的物性数据：）：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer4f60.81 30.14f40.81 30.140.017 0.85Re4.43 100.326 106-50.023RePr()0.023(4.43 10 ) 1.95 (3.15 2.48)155mffffwu dNu则为紊流，由式（）20.6801556200(m0.017ff

8、hNuWKd ）传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer当雷诺数当雷诺数Re2300Re2300时管内流动处于层流状态，由于时管内流动处于层流状态，由于层流时流体的进口段比较长，因而管长的影响通常层流时流体的进口段比较长，因而管长的影响通常直接从计算公式中体现出来。直接从计算公式中体现出来。14. 031PrRe86. 1 wfldNu 适用范围：适用范围：0.48Pr16700;0.0044 9.750.48Pr16700;0.0044 9.75 wf 如果管子较长，在热充分发展段如果管子较长，在热充分发展段NuNuf f=4.36(q=const);Nu=4.36

9、(q=const);Nuf f=3.66(tw=const)=3.66(tw=const)传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer解：解： 由于管子细长，由于管子细长，l/d l/d 较大，可以忽略进口段的较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为影响。冷却水的平均温度为 Ct 4021C65C15f从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得 传热学传热学 Heat TransferHeat Transferf f=0.635W/m.k,v=0.635W/m.k,vf f=0.659x10=0.659x10-6-6m m2 2/s,Pr=4.31/s,P

10、r=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 41052. 1Re /sm100.6590.01m1m/s26ff ud管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 4 .91PrRe023. 04 . 08 . 0 fffNuKmWNudh 2/58044 .910.01mK)0.635W/(mff 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer外部流动：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层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。能自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。 横掠单管：横掠单管：流体沿着流体沿着 垂直于管子轴线的方垂直于管子轴线的方

11、向流过管子表面。流向流过管子表面。流 动具有边界层特征，动具有边界层特征， 还会发生绕流脱体。还会发生绕流脱体。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 流体的压强大约在管的前半部递降，即流体的压强大约在管的前半部递降，即dp/dx0,dp/dx0dp/dx0 边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应；边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应； 脱体绕流产生脱体绕流产生 衡量脱体绕流的程度：速度衡量脱体绕流的程度：速度 衡量脱体绕流的准则数：衡量脱体绕流的准则数：ReRe传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer传热学传热学 Heat Tran

12、sferHeat Transfern脱体现象脱体现象：从壁面的某一位置开始速度梯度达到：从壁面的某一位置开始速度梯度达到0 0（脱体点脱体点），壁面流体停止向前流动，并随即向），壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。边界层中出现涡流，从而正常相反的方向流动。边界层中出现涡流，从而正常的边界层被破坏。的边界层被破坏。n 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。n层流、紊流脱体点不同。层流、紊流脱体点不同。n紊流曲线出现两次低谷：紊流曲线出现两次低谷： 层流向紊流转变；层流向紊流转变； 紊流边界层与壁脱体绕流。紊流边界层与壁脱体绕流。 传热学

13、传热学 Heat TransferHeat Transfern局部表面传热系数最低的地方，换热最差。局部表面传热系数最低的地方，换热最差。n分析局部表面传热系数的变化规律，对高分析局部表面传热系数的变化规律，对高温换热设备的设计、研究和运行均有指导温换热设备的设计、研究和运行均有指导意义。意义。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 3 3、外掠单管准则关联式、外掠单管准则关联式可采用以下分段幂次关联式：可采用以下分段幂次关联式：式中：式中： C C及及n n的值见表；的值见表； 定性温度为主流温度；定性温度为主流温度； 特征长度为管外径；特征长度为管外径； 特征速

14、度为管外流速最大值特征速度为管外流速最大值nf.wf.ffCNuRePrPrPr250370 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer当当PrPrf f1010时，时，PrPrf f的幂次应该为的幂次应该为0.360.36。上述关联式的适用范围：上述关联式的适用范围：0.7Pr0.7Prf f 500;1Re500;1Ref f10106 6; ;对于空气近似取对于空气近似取PrPrf f=0.7=0.7，故，故PrPrf f0.370.37=0.88=0.88传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 外掠管束对流换热时，应考虑排列方式、外掠

15、管束对流换热时，应考虑排列方式、管间距及管排数等特殊因素。管间距及管排数等特殊因素。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer图图 流体横掠管束的流动可视化图象流体横掠管束的流动可视化图象传热学传热学 Heat TransferHeat Transfern顺排：顺排： 优点：阻力较小，清洗较方便；优点：阻力较小，清洗较方便； 缺点：流体与管子之间的扰动较弱缺点：流体与管子之间的扰动较弱n叉排：叉排： 优点：扰动较强优点：扰动较强 缺点：阻力大，不好清洗缺点：阻力大，不好清洗传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 1 1）顺排换热弱于叉排；）

16、顺排换热弱于叉排； 2 2）后排强于前排；）后排强于前排； 层流：层流： Re10Re2Re210105 5 。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer),dS,dS,f(Nuz.wf21250PrPrPrRe zp.wfmnSSCNu 21250PrPrPrRe式中：定性温度为流体在管束中的平均温度；式中：定性温度为流体在管束中的平均温度； 特征长度为管外径特征长度为管外径d d， 流速采用整个管束中最窄截面处的流速。流速采用整个管束中最窄截面处的流速。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 传热学传热学 Heat TransferH

17、eat Transfern正确选择管子排列方式及参数是换热设备设正确选择管子排列方式及参数是换热设备设计中的重要问题。计中的重要问题。n对于供热通风工程，空气加热器和冷却器等对于供热通风工程，空气加热器和冷却器等都大量采用带肋片的管束。都大量采用带肋片的管束。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 自然对流：自然对流：不依靠泵或风机等外力推动，由不依靠泵或风机等外力推动，由流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般流体自身温度场的不均匀所引起的流动。一般地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄地，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。层之内。温差温差 密度差密度

18、差 浮升力浮升力动力：浮升力动力：浮升力传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer n无限空间的自然对流换热：无限空间的自然对流换热： 流动、换热、边界层可以充分发展流动、换热、边界层可以充分发展 如：冬天玻璃窗户内表面的换热、建筑外墙的室内壁面如：冬天玻璃窗户内表面的换热、建筑外墙的室内壁面散热等散热等n有限空间的自然对流换热：有限空间的自然对流换热： 流动、换热、边界层的充分发展受壁与壁间相互影响流动、换热、边界层的充分发展受壁与壁间相互影响 如：双层玻璃窗中的空气层换热、建筑维护结构中的封如：双层玻璃窗中的空气层换热、建筑维护结构中的封 闭空气间层换热、平板式太阳

19、能集热器的空气间层闭空气间层换热、平板式太阳能集热器的空气间层传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer传热学传热学 Heat TransferHeat Transfernh h先减小后增大，与外掠平板类似；先减小后增大，与外掠平板类似；n自然对流边界层内速度剖面呈单峰形状；自然对流边界层内速度剖面呈单峰形状； n温度分布曲线与强迫流动时相似，呈单调变化。温度分布曲线与强迫流动时相似，呈单调变化。 n自然对流强度主要取决于换热温差自然对流强度主要取决于换热温差t t 、板高、板高l 、容积膨、容积膨胀系数胀系数 和运动粘度和运动粘度 。n流态由流态由GrPrGrPr来判

20、断：来判断： 层流：层流：GrPr 10GrPr 10GrPr 10 10 10 ；传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer n在层流边界层随着厚度的增加，局部换热在层流边界层随着厚度的增加，局部换热系数将逐渐降低，系数将逐渐降低，n当边界层内层流向紊流转变局部换热系数当边界层内层流向紊流转变局部换热系数 h hx x 趋于增大。趋于增大。n在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时，紊流时， h hx x将保持不变而与壁的高度无关。将保持不变而与壁的高度无关。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfern从

21、对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换从对流换热微分方程组出发，可得到自然对流换热的准则方程式热的准则方程式(,Pr)Nuf Gr传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer自然对流准则关联式自然对流准则关联式nxxGrCNuPr)(*传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer n对于自然对流紊流，展开关联式对于自然对流紊流，展开关联式 （ 指数为指数为 n n =1/3 =1/3 ） 后，两边的定型尺寸可以消去；后，两边的定型尺寸可以消去；n表明自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无表明自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称关，该现

22、象称。n利用这一特征，紊流换热实验研究就可以采用较利用这一特征，紊流换热实验研究就可以采用较小尺寸的物体进行，只要求实验现象的小尺寸的物体进行，只要求实验现象的 Gr Gr Pr Pr 值处于紊流范围。值处于紊流范围。 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 流动及换热特征流动及换热特征 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer n当当 /h/h0.30.3，体现为无限空间自然对流换热规律；当，体现为无限空间自然对流换热规律；当/h/h0.30.3，将体现出有限空间自然对流换

23、热特征。，将体现出有限空间自然对流换热特征。 n在垂直夹层中流体在垂直夹层中流体 ( ( 多数是气体多数是气体 ) ) 沿热表面上升，沿冷沿热表面上升，沿冷表面下沉。表面下沉。n如果夹层的相对厚度比较小，两边的边界层会互相交织在如果夹层的相对厚度比较小，两边的边界层会互相交织在一起，形成若干个小的环流，热量主要就靠这种方式从热一起，形成若干个小的环流，热量主要就靠这种方式从热表面传向冷表面。表面传向冷表面。n如果相对厚度较大，两个边界层互不干扰，等于处在大空如果相对厚度较大，两个边界层互不干扰，等于处在大空间中一样，可以用大空间的相应公式进行计算。若两壁温间中一样，可以用大空间的相应公式进行计算。若两壁温差非常小，则主要以导热方式传递热量。差非常小，则主要以导热方