第五章对流换热原理7

1、5-7 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动强制对流换热实验关联式 1、横掠单管换热实验关联式横掠单管换热实验关联式 按照势流理论，流体在圆柱体的前部流速会逐步增大而压力会逐步减小；流体在圆柱体的后部流速会逐步减小而压力会逐步增大。 但是，因流体黏性力的作用，在圆柱体的前部会形成流动边界层，速度会从势流流速逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变以消耗流体动量为代价的，这一过程特征会保持到势流流速达到最大值。 分离流动分离流动速度分布速度分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体在其后的增压减速过程，流场中由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但

2、会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离。 分离流动分离流动速度分布速度分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体实际上，由于边界层的发展，势流区的外形已经不实际上，由于边界层的发展，势流区的外形已经不是圆形，因而使流动的增压减速过程提前，也就使是圆形，因而使流动的增压减速过程提前，也就使流动分离位置提前。流动分离位置提前。 如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，从而

3、使边界层流动的分离向后推移。从而使边界层流动的分离向后推移。 绕流圆柱的流动绕流圆柱的流动: :当当re10re10re105 5时流动分离点在时流动分离点在=140=140处。处。 re10时，可忽略分离的影响，摩擦阻力对流动起时，可忽略分离的影响，摩擦阻力对流动起决定作用。决定作用。雷诺数为雷诺数为 ，式中，式中，u u为来流速度，为来流速度，d d为圆柱体外直径为圆柱体外直径。 dure在 圆 柱 体 的 前 端在 圆 柱 体 的 前 端=0=0处换热系数处换热系数最大，而在分离点最大，而在分离点=82=82处换热系数处换热系数最小；如果在边最小；如果在边界层从层流变为紊界层从层流变为紊

4、流 ， 那 么 转 变 点流 ， 那 么 转 变 点=140=140处有一个换处有一个换热系数热系数的最低点，的最低点，紊流边界层的分离紊流边界层的分离点是另一个换热系点是另一个换热系数数的最低点的最低点 流体外掠（横向掠过）流体外掠（横向掠过）单根圆管单根圆管换热的经验关系式换热的经验关系式 : :3/1pr*re*ndcdhnurecn0.440.9890.334400.9110.3854040000.6830.4664000400000.1930.618400004000000.0270.805c c、n n的值见下表所示的值见下表所示流体绕流圆柱体的平均换热系数也可采用以下流体绕流圆柱

5、体的平均换热系数也可采用以下朱考朱考斯卡斯斯卡斯经验公式计算经验公式计算 : : 其中，特征流速为流体最小截面处的最大流速其中，特征流速为流体最小截面处的最大流速u umaxmax；特征尺寸为圆柱体外直径特征尺寸为圆柱体外直径d d；定性温度除；定性温度除prprw w按壁面按壁面温温t tw w取值之外，其余皆用流体的平均温度取值之外，其余皆用流体的平均温度t tf f ；是考虑在选用是考虑在选用t tf f为定性温度时，热流方向不为定性温度时，热流方向不同会对换热性能产生影响的一个修正系数。同会对换热性能产生影响的一个修正系数。0.25prprfw25. 037. 0)prpr(*pr*r

6、e*wffmfcdhnuc c、m m的值见下表所示的值见下表所示recm1400.750.44010000.510.510002000000.260.62105 1060.0760.7适用范围：适用范围：0.7 pr 5000.7 pr 500； 1 re1 red d 100.2,0.2,则流体外掠单管的对流换热关联式还可写为则流体外掠单管的对流换热关联式还可写为: :5/48/54/13/23/12/1)282000re(1 pr)/4 . 0(1 prre62. 03 . 0*dhnud上式中，定性温度为（上式中，定性温度为（t tw+t+tf）/2./2.注意注意：如右图所示，如右图

7、所示，如果如果流体流动方向与圆柱体轴流体流动方向与圆柱体轴线的夹角（亦称冲击角）线的夹角（亦称冲击角）在在30300 0- 90- 900 0的范围内时，的范围内时，则平均表面传热系数可按则平均表面传热系数可按下式计算下式计算 气流方向管子方向）（290cos54. 01hh 2、横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式 管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按照一定的的排列规则组合而成的。照一定的的排列规则组合而成的。管束的排列方式管束的排列方式很多，最常见的有顺排和叉排两种很多，最常见的有顺排和叉排两种 。dds1s1s2s2umaxuu

8、tt(1)(1)叉排管束叉排管束 (2)(2)顺排管束顺排管束一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，扰动更剧烈，因而叉排换热比顺排更强。中流动，扰动更剧烈，因而叉排换热比顺排更强。但顺排则流动阻力小，易于清洗。所以顺排和叉排但顺排则流动阻力小，易于清洗。所以顺排和叉排的选择要全面权衡。的选择要全面权衡。另外，一般说来，后排管的换热要好于第一排管，另外，一般说来，后排管的换热要好于第一排管，但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了。实验结果表明，当管排排数超过有多少差异了。实验结

9、果表明，当管排排数超过1010排之后，换热性能就基本稳定不变了。排之后，换热性能就基本稳定不变了。 影响管束换热的因素除了影响管束换热的因素除了re、pr数外，还有排列数外，还有排列方式、管间距、管束排数等方式、管间距、管束排数等 。气体外掠管束对流换热的平均表面传热系数气体外掠管束对流换热的平均表面传热系数 按下式按下式计算计算mcnure该式适用于气体横掠该式适用于气体横掠1010排以上管束。式中，排以上管束。式中，定性温定性温度采用度采用tm=(tw+tf)/2,其中，其中，tf为为流体平均温度流体平均温度，特征，特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的尺寸为管外直径，特征流速为

10、管排流道中最窄处的流速流速。c和m数值见p176页表5-7。适用范围为适用范围为ref = 2000 40000.对于排数少于对于排数少于10排的管束，平均表面换热系数应在上排的管束，平均表面换热系数应在上式计算结果的基础上乘以一个小于式计算结果的基础上乘以一个小于1的管排修正系数。的管排修正系数。hhn n n的值见表的值见表5-85-8。（1）*其它有关外掠管束对流换热的平均表面传热系数计其它有关外掠管束对流换热的平均表面传热系数计算式（朱考夫卡斯公式）算式（朱考夫卡斯公式）此式适用于计算沿流体流动方向排数大于此式适用于计算沿流体流动方向排数大于1616的管束的的管束的换热。式中，特征尺寸

11、为管外直径，特征流速为管排换热。式中，特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为管束进出口流体平流道中最窄处的流速，定性温度为管束进出口流体平均温度（均温度（有书上认为是来流温度有书上认为是来流温度）。）。 prw为按管束的为按管束的平均壁温确定平均壁温确定. .适用范围：适用范围：pr = 0.6 pr = 0.6 500. 500. 其中，其中，c c和和m m值由下表选取。值由下表选取。4/136. 0)prpr(*pr*re*wfmcnu （2）结构red,maxcm顺排103 21050.270.63叉排（st/sl 2 )103 21050.400.60顺排2

12、105 21060.0210.84叉排2105 21060.0220.84*例例1：空气水换热器的传热问题。空气横向流过管空气水换热器的传热问题。空气横向流过管子，在流动方向上布置有子，在流动方向上布置有7排。考虑叉排管束，管子排。考虑叉排管束，管子纵向和横向的间距分别是纵向和横向的间距分别是sl=34.3mm和和st=31.3mm，管子外径管子外径d=16.4mm。在典型运行条件下，上游空气。在典型运行条件下，上游空气的温度和速度分别是的温度和速度分别是15和和6m/s，管子的表面温度是，管子的表面温度是70。试分析。试分析空气侧的对流换热系数是多少？空气侧的对流换热系数是多少？如取来流温度

13、为定性温度，即如取来流温度为定性温度，即tm=tf=15，查物性，查物性表得表得: =0.0253w/m k, =14.82 10- 6m2/s, =1.217kg/m3, pr=0.710. 查查tw=70时时prw=0.701;分析分析：采用公式（：采用公式（2）计算计算4/136.0)prpr(*pr*re*wfmcnu 由于：由于：mmssstld7 .37)2/(2/122(st+d)/2因此，最大速度由下式计算因此，最大速度由下式计算udssudt)(2max代入有关数据，得代入有关数据，得smu/6 .12max于是得：于是得：943,131082.140164. 06 .12r

14、e6maxmax,dud又又291. 03 .343 .31ltss因此根据朱考斯卡斯关联式，有因此根据朱考斯卡斯关联式，有6 . 034. 0)(35. 05/1mssclt4/136. 06 . 0)701. 0710. 0()71. 0()13943(34. 0dnu因此因此计算得：计算得：5 .92dnu于是最后可得：于是最后可得：kmwdnuhd2/7 .1420164. 00253. 05 .92例例2：锅炉中，烟气横掠：锅炉中，烟气横掠4排管组成的顺排管束。已知排管组成的顺排管束。已知管外径管外径d=60mm，s1/d=2, s2/d=2, 烟气平均温度烟气平均温度tf=600，

15、管束表面管束表面tw=120。若已知烟气通道最窄处的平均流。若已知烟气通道最窄处的平均流速速u=8m/s，试求管束平均表面传热系数。，试求管束平均表面传热系数。分析：若取定性温度分析：若取定性温度 tm=(tw+tf)/2=360，则可查得烟，则可查得烟气物性参数为气物性参数为 =5.36 10-2w/m k， =54.6 10-6m2/s。于是得：于是得：8791106 .5406. 08re6ud雷诺数落在雷诺数落在2000 40000之间，可套式（之间，可套式（1）计算）计算。查表查表57，得：，得：由于由于s1/d=2, s2/d=2632.0229.0mc于是得换热系数得准则关联式为：于是