第5章-对流传热的理论基础与工程计算[2]

1、5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 管内单相流体强迫对流传热的热流量管内单相流体强迫对流传热的热流量hA t 1、流态及判断、流态及判断用雷诺数用雷诺数Re判别判别v层层 流：流：Re104 5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 由牛顿冷却公式，管内单相流体强迫对流传由牛顿冷却公式，管内单相流体强迫对流传热的热流量热的热流量hA t 2、流动边界层的形成与发展、流动边界层的形成与发展v流体进入管口后，开始形成边界层，并随流向流体进入管口后，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逐

2、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，称为达到充分发展，称为流动充分发展段流动充分发展段。 3、换热特征、换热特征 v热边界层同样存在进口段与充分发展段，流动进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，这取决于口段与热进口段的长度不一

3、定相等，这取决于Pr：当当Pr1时，流动进口段比热进口段短时，流动进口段比热进口段短当当Prl时，流动进口段比热进口段长时，流动进口段比热进口段长v热进口段长度热进口段长度L（L/d10-45）常壁温条件常壁温条件下：下：L/d0.05RePr常热流条件常热流条件下：下：L/d0.07RePr 3、换热特征、换热特征 v在在Pr1情况下，当流动达到充分发展时，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。在布达到定型，表面传热系数保持不变。在进口处，边界层最薄，进口处，边界层最薄，hx具有最高值，随具有最

4、高值，随后降低。在层流情况下，后降低。在层流情况下，hx趋于不变值的趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，为紊流后，hx将有一些回升，并迅速趋于将有一些回升，并迅速趋于不变值。不变值。入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度层流入口段长度: : 湍流时湍流时: :/0.05 Re PrLd/60Ld层流层流湍流湍流二、管内湍流强迫对流传热 定性温度定性温度采用流体平均温度采用流体平均温度tf；特征长度特征长度为管为管内径内径di；特征流速特征流速f。 流体被加热时，流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，；流体被冷却时，n=0

5、.30.80.023 RePrnfffNu45Re10 1.2 10,fPr0.7 120f 适用条件：适用条件：温差范围：油温差范围：油10，水，水20，气体，气体50长、直管长、直管否则，需要修正：否则，需要修正： ct温度修正系数温度修正系数 cl短管管长修正系数短管管长修正系数 cR弯管修正系数。弯管修正系数。v（1）温度的影响）温度的影响ctv液体：液体：主要是粘性随温度而变化主要是粘性随温度而变化t v气体：气体：除了粘性，还有密度和热导率等除了粘性，还有密度和热导率等t ，v1、影响对流换热的几个因素影响对流换热的几个因素 当流体温度当流体温度tf和壁面温度和壁面温度tw相差较大

6、时，温度相差较大时，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。的方向不同，速度分布也不同。v下列温差范围需要修正气体：tw-tf 50 水： tw-tf 20油类：tw-tf 10v液体被加热v液体被冷却v气体被加热v气体被冷却0.11ftwc0.25ftwc0.55ftwTcT1tc （2）入口效应影响）入口效应影响cl 流体进入管道后，从入口处开流体进入管道后，从入口处开始，沿流动方向边界层逐渐增厚，始，沿流动方向边界层逐渐增厚，并由

7、层流边界层转变为湍流边界层，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，而进入充分界层厚度等于管半径，而进入充分发展段。发展段。 hx的变化的变化：入口段入口段的的hx比比充分充分发展段发展段的的hx大大对于对于L/d 50短管，应进行修正：短管，应进行修正：v修正系数见图修正系数见图6-3v采用公式采用公式v（3）弯管效应）弯管效应离心力离心力二次环流二次环流换热增强换热增强修正系数：修正系数：31 10.3RCd R 1 1.77RCd R 气体：气体：液体：液体：2 2、非圆形截面槽道、非圆形截面槽道 用当量直径作为特征

8、尺度应用到上述用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。准则方程中去。 式中：式中： 为槽道的流动截面积；为槽道的流动截面积；P P 为为湿周长。湿周长。 注：对截面上出现尖角的流动区域，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。采用当量直径的方法会导致较大的误差。4ceAdPcA3 3、其它形式的关联式、其它形式的关联式0.80.40.023fptlRdChc c cd希德希德泰勒公式：稠油、高含蜡原油泰勒公式：稠油、高含蜡原油格尼林斯基公式：计算确定度最高格尼林斯基公式：计算确定度最高0.140.81 30.027 RePrffffwNu4 4、强化传热措施、

9、强化传热措施d，h ， h，但要考虑经济性，但要考虑经济性 弯管（螺旋管）、短管弯管（螺旋管）、短管选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）选用比热大的流体（空气冷却、氢冷、水冷）加强扰动加强扰动三、管内层流强迫对流传热三、管内层流强迫对流传热 从入口开始，边界层沿从入口开始，边界层沿程不断加厚，边界层的流速程不断加厚，边界层的流速较小。为了保证流量不变，较小。为了保证流量不变，边界层外流速增加，边界层边界层外流速增加，边界层急需增厚，最后在管中心线急需增厚，最后在管中心线汇合，整个管子被层流边界汇合，整个管子被层流边界层占据。层占据。入口段：入口段：充分发展段：充分发展段：hx的变化的变化：

10、入口段的：入口段的hx比充分发展段的比充分发展段的hx大大 0.0044 9.75fw 实际工程换热设备中，层流时的换热常常处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。可采用下列于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式：齐德泰特公式：0.141/ 3RePr1.86/ffffwNuldRe2200,fPr0.48 16700,f 适用条件：Re Pr10,/ffl d0.14fw温 度 场 对 流 传 热 的 修 正13dl入 口 效 应 的 影 响Re Pr10/ffl d当时：0.142 / 30.0668 RePr3.6610.04RePrffffwffdlNudl四、管内过渡

11、区强迫对流传热四、管内过渡区强迫对流传热0.142 / 32 / 31/ 30.116 Re125 Pr1ffffwdNul 五、计算步骤五、计算步骤确定特征温度确定特征温度(有时需假设有时需假设)，查物性参数，查物性参数计算计算Re，判别流动形态（若不能求得，判别流动形态（若不能求得Re数，数，先先假设流态假设流态计算，再校核）计算，再校核）根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修根据流态选关联式，考虑修正（知道的先修正，未知的先正，未知的先假设假设为为1，再校核），再校核）求求Nu和和h利用利用能量守恒定律能量守恒定律，求其它物性参数，求其它物性参数校核校核说明：说明：求管长求管长: 求出换

12、热系数后，由能量守恒公式求出换热系数后，由能量守恒公式 2()()4wfmPffdh dl ttuctt如何从质量流量求速度如何从质量流量求速度 42dmumv例题例题5-1：在流体的物性和流道截面的周长相：在流体的物性和流道截面的周长相同的条件下同的条件下, 圆管和椭圆管内单相流体的受迫圆管和椭圆管内单相流体的受迫紊流换热紊流换热, 何者换热系数大何者换热系数大?为什么为什么? 答：椭圆管的换热系数大。因为答：椭圆管的换热系数大。因为hd-0.2，椭圆管，椭圆管的的de圆管的圆管的d。对于周长相同的圆和椭圆，其。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而中椭圆的面积小于圆的面积，

13、而 de=4f/U，则，则de(椭圆椭圆)d(圆圆) 。 例题例题5-2 在一冷凝器中，冷却水以在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流的流速流过内径为过内径为10mm、长度为、长度为3m的铜管，冷却水的进、的铜管，冷却水的进、出口温度分别为出口温度分别为15和和65，试计算管内的表面，试计算管内的表面传热系数。传热系数。解：解：由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为的影响。冷却水的平均温度为 f115 C65 C40 C2t 从附录从附录7中水的物性表中可查得中水的物性表中可查得 f=0.635W/m.K，vf=0.65910-6m

14、2/s，Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 426ff10521/sm100.6590.01m1m/s.udRe管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 4 .91PrRe023. 04 . 0f8 . 0ffNu2ff0.635W/(m K)91.45804W/mK0.01mhNud计算壁面温度计算壁面温度核对温差核对温差 不在范围内，需要修正温差，重新计算不在范围内，需要修正温差，重新计算Nu，h 计算壁面温度计算壁面温度2()()4wfmPffdh dl ttuctt2()63.84mPffwfudctttth dl23.8wfttt 5-6 5-6 外部流动强制对流传热的计外部流动

15、强制对流传热的计算关联式算关联式外部流动：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。纵掠平壁纵掠平壁横掠单管（柱）横掠单管（柱）横掠管束横掠管束（自学）（自学）5-7 5-7 自然对流传热自然对流传热v自然对流传热自然对流传热流体在浮升力作用下的流体在浮升力作用下的对流换热对流换热大空间的自然对流传热：大空间的自然对流传热：边界层的形成和边界层的形成和发展不受周围物体的干扰发展不受周围物体的干扰（主要介绍）（主要介绍）有限空间自然对流传热：有限空间自然对流传热：受干扰受干扰一、大空间

16、的自然对流传热一、大空间的自然对流传热1 1、形成的主要原因、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。换热的根本原因。温度差温度差密度差密度差浮升力浮升力( (沉降力沉降力)流体沿壁面向上流体沿壁面向上( (下下) )流动流动 例如例如：暖气管道的散热暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的不用风扇强制冷却的电器元件的散热电器元件的散热2 2、边界层的形成与发展、边界层的形成与发展 设板温高于流体的温度。板附近的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流体被加热因而密度降低( (与远处未受影与远处未受影响的流体相比响的流

17、体相比) )，向上运动并在板表面形，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，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界层。自然对流湍流时的换热当然也明显强于层流。显强于层流。（1 1）温度：）温度：与纵掠平板类似与纵掠平板类似（2 2）速度：）速度：中间大，两边小中间大，两边小（3）局部对流换热系数：）局部对流换热系数： 传热系数开始时因边界层增传热系数开始时因边界层增厚逐渐减小，后又由于层流边厚逐渐减小，后又由于层流边界层向湍流边界层过渡，边界界层向湍流边界层过渡，边界层内流体的

18、掺混作用使边界层层内流体的掺混作用使边界层热阻减小，热阻减小，hx，转变为湍流边，转变为湍流边界层后，边界层充分发展，界层后，边界层充分发展，hx基基本不变。本不变。v竖壁、竖圆柱：GrPr109 v横圆柱：GrPr1.5108 v水平板热面朝上：GrPr5106 （4）判别层流与湍流）判别层流与湍流（不同形状（不同形状的换热面标准不同）的换热面标准不同）：vGrGr称为称为格拉晓夫数格拉晓夫数，在物理上，在物理上，GrGr数是数是浮升力浮升力/ /粘滞力粘滞力比值的一种量度。比值的一种量度。 vGrGr数的增大表明浮升力作用的相对增大。数的增大表明浮升力作用的相对增大。v自然对流换热准则方程式为自然对流换热准则方程式为(,Pr)Nuf Gr32vcgtlGr浮升力粘性力工程中广泛使用的是下面的关联式：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，对于符合理想气体性质的气体， 。 (Pr)nNuC Gr1/T二、大空间自然对