单相流体对流传热

1、第六章单相流体对流传热6.1 管内受迫对流换热6.2 外掠圆管对流换热6.3 自然对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热2/276.1 管内受迫对流换热1.1 一般分析内部强制对流在工程上有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等内部强制对流与外部强制对流：管槽内部强制对流受流道壁面的约束，边界层的发展受到限制。（注意与外掠等温平板强制对流的区别）CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热3/27一、进口段与充分发展段1.流动亦分为层流和紊流，管内临界雷诺数Rec2300。 Re2300，层流；2300Re10

2、000，旺盛湍流区2. 流动充分发展段：径向速度分量v为零，轴向速度 u 不再随 x 变化。概念：流体从进入管口开始，经过一段距离后，管内断面流速分布和流动状态才能定型，这段距离称为进口段。此后即为流动充分发展段，其流动状态由Re数确定。主要特点：00uvx；6.1 管内受迫对流换热1.1 一般分析CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热4/27若存在热交换，管内流体平均温度 tf 将不断变化，壁面温度 tw 也将发生变化。变化规律取决于边界条件的类型（如常见的：恒热流和恒壁温）。 与流动进口段一样，管内对流换热也存在热进口段和热充分发展段。热充分发展段性质：

3、)(rfttttrrwfw0wfwttxx tt一、进口段与充分发展段wr Rr Rfwwfr Rtttrconstrrttttr Rwfthrconsttt常物性流体在热充分发展段性质： 表面对流传热系数 hx 保持不变。流动进口段与热进口段长度取决于Pr数。Pr1，流动进口段短； Pr1，热进口段短。6.1 管内受迫对流换热1.1 一般分析CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热5/27入口段长度 l： 层流： l/d 0.05RePr （常壁温）； l/d 0.07RePr （常热流） 湍流 ： l/d 1045入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。

4、层流 Rex10 的光滑圆管紊流流动充分发展段；2.流体与壁面具有中等以下的温差：气体50 水2030 油10；3.Ref104，Prf0.7160；4.对于恒壁温、恒热流边界条件均适用；5.不适用于Pr 数很小的液态金属。一、 紊流换热关联式6.1 管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热11/27希得-塔特关联式：紊流换热修正关联式：一、 紊流换热关联式0.140.81/30.027RePrffffwNu格尼林斯基关联式：45. 03/24 . 08 . 0)()(1 Pr)100(Re0214. 0wffffTTldNu11. 03/24

5、 . 087. 0)PrPr()(1 Pr)280(Re012. 0wffffldNu气体：液体：适用条件：适用条件：126.1 管内受迫对流换热1.2 管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热12/27nfffNuPrRe023. 08 . 0根据光滑圆管紊流传热通用公式，可知：h 的影响因素：1.密度和速度均为0.8次方，影响最大。2.影响较大的因素其次是导热系数，比热容；这也反映了同等条件下，水的对流换热系数要比空气大。3.在流速和温度不变前提下，小管径能提高换热系数，如圆管改成椭圆管。4.增加速度可提高换热系数，如流速由1m/s

6、提高到1.5m/s，换热系数增加40%；然而，增加流速同时会引起流动阻力上升，须综合考虑。),(2 . 04 . 08 . 04 . 06 . 08 . 0dcufhp迪图斯贝尔特公式：一、 紊流换热关联式6.1 管内受迫对流换热1.2 管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热13/27结题思路：1）首先根据给定条件选择合适的关联式： （a）管内流动； （b）壁面温度高于流体温度； （c）流体温度范围或流体与壁面温差是否满足迪图斯-贝尔特公式，不满足则用其他经验公式。2）根据关联式，确定定性温度、定型尺寸和物性参数，同时计算Re数判断流

7、态；3）将参数带入关联式，计算Nu数，进而求出对流换热系数。例例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速为um=0.85m/s，全管长水的平均温度tf=90，管壁面温度tw=115，管长为1.5m，管内径d=17mm，试计算其表面换热系数。6.1 管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热14/27式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值； 特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；管内层流换热Nu（充分发展段）：管内流动入口段为层流。常见于微型动力设备、电器及仪表等空气冷却或加热过程。西得-塔特常壁温层流换热关联式：二、层流换热关联式14

8、. 03/13/13/1)()(PrRe86. 1wffffldNu14. 03/1)()(86. 1wfffldPeNu4.36()3.66()ffwNuqconstNutconst6.1 管内受迫对流换热1.2 管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热15/27【解】：确定定性温度tf=(20+60)/2=40，查物性参数：雷诺数：Re=1.181032300，故为层流。选用层流换热关联式：14. 03/13/13/1)()(PrRe86. 1wffffldNu2p()()4wfmffdh dl ttuc tt3-266=1.128

9、kg/m1.005KJ/kg K2.76 10 W/m K19.1 10 kg/m s22.8 10 kg/m s Pr0.699fwcp，例例2 ：空气以：空气以2m/s速度在内径为速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为的管内流动，入口处的空气温度为20，管壁温度为管壁温度为120，试确定将空气加热至，试确定将空气加热至60时所需要的管长。时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12 l-1/3 。根据能量平衡方程有：6.1 管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热16/272p()()4wfmffdh dl

10、 ttuc tt例例2 ：空气以：空气以2m/s速度在内径为速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为的管内流动，入口处的空气温度为20，管壁温度为管壁温度为120，试确定将空气加热至，试确定将空气加热至60时所需要的管长。时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12 l-1/3 。根据能量平衡方程有：整理上式可得：hl=2.83。联立两式，可计算出 l=0.148m。6.1 管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热17/27 三、管槽内部强制对流换热的强化： 机理： 减薄或消除热边界层。措施：增加流速、增加内壁粗

11、糙度； 内肋管、内螺纹管；弯管、扭曲管等。注意：强化传热的措施往往引起流动阻力的增加，其输送能耗必然增加，需要综合考虑。（对流传热场协同作用）nfffNuPrRe023. 08 . 00.80.20.60.40.80.4(,)phf udc6.1 管内受迫对流换热1.2 管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热18/27四、微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热：MEMS: 特征尺度10-6m10-3m，流动与传热存在尺度效应。克努森数：Kn / lKn0.001， 连续介质区0.001Kn0.1，速度滑移与温度跳跃区0.1Kn10，

12、 过渡区Kn10， 自由分子区特点：1.控制过程的作用力影响显著变化；2.表面粗糙度影响显著变化；3.壁面导热影响明显；4.流体的可压缩性；5.气体的稀薄性。纳米流体：基础流体中添加纳米尺度颗粒构成的复合流体。式中，是流体分子平均自由程； L是系统的长度尺度6.1 管内受迫对流换热1.2 管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热19/27作业：作业：1、水以、水以um=1.5m/s的速度流过内径的速度流过内径d=25mm的加热管，管内壁温度保持恒定且的加热管，管内壁温度保持恒定且 tw=100，水的进口温度为，水的进口温度为15，若使水

13、的出口温度达到，若使水的出口温度达到85，求单位管长的换，求单位管长的换热量。（可不考虑管长修正）热量。（可不考虑管长修正）注意温差选用。Nu=343.4，h=9.05，q=28.7。2、一套管式换热器，管外壁温度保持在、一套管式换热器，管外壁温度保持在100。初温为。初温为25，质量流量为，质量流量为0.8kg/s的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为内管外径为40mm，外管内径为，外管内径为60mm，试确定把水加热到，试确定把水加热到55时所需的套管长时所需的套管长度，及管子出口截面处的局部热流

14、密度。度，及管子出口截面处的局部热流密度。Nu=93.3, h=2962.3, q=100176, l=4.4853、例题、例题6-2：一班同学假设：一班同学假设tf=110/120 ，二班同学假设，二班同学假设tf=150/160。6.1 管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热20/27 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，不受邻近壁面的约束。 （外掠平壁、横掠单管、外掠球体、横掠管束）一、横掠单管对流换热：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体现象。一般来说，脱流强化了传热，但是增

15、加阻力损失。6.2 外掠圆管对流换热横掠单管绕流的特点：0, 0 xuxp0, 0 xuxp前半圆周：压力减小速度增加后半圆周：压力增加速度减小逆压梯度是造成流动分离的直接原因。压力减小压力增加CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热21/27横掠单管绕流的特点：Re101.5105：层流，脱体角 8085Re1.5105：湍流，脱体角 140duRe一、横掠单管对流换热：6.2 外掠圆管对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热22/27横掠单管绕流对流换热的特点：一、横掠单管对流换热：hx的变化规律：1）在0位置，流

16、体速度最大，因此该位置局部换热系数相对较大；2）层流：随着层流边界层发展，hx逐渐变小，一直到脱体点最小；随后逐渐回升；3）紊流： hx第一极小点位置是层流边界层向紊流边界过渡点； hx第二极小点是脱体点； hx最大点是紊流完全发展区。6.2 外掠圆管对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热23/27横掠单管对流换热实验关联式：式中：C, n 的值见教材表 6-1；定性温度tm(tw+t)/2；特征长度为管外径d；特征速度 为来流速度u分段幂次分段幂次关联式nfwfffCNuRe)PrPr(Pr25. 037. 0一、横掠单管对流换热：圆柱体绕流对流换

17、热的局部表面传热系数不仅与Re，Pr相关，而且与流动分离相关。平均表面传热系数的实验关联式采用基于不同Re范围的分段幂次函数表示。6.2 外掠圆管对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热24/27纵掠单管对流换热如何考虑？可视为长l，宽d 的外掠平板u，t外掠球体对流换热实验关联式3121PrRe332. 0 xxNuRe 5105 , 湍流3/154PrRe0296. 0 xxNu 1/41 22/30.42(0.4Re0.06Re)PrwNu式中：定性温度为来流温度；特征流速为来流速度；特征长度为球直径； 适用于：Pr0.71380，Re3.57.

18、6e+4补充：6.2 外掠圆管对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热25/27横掠管束流动的特点：1）分为叉排和顺排两种形式，换热器中常用； 2）除第一排管子保持了外掠单管的特征外，从第二排起流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰，流动复杂；3）一般说叉排扰动大，换热强，但阻力损失大；顺排扰动小，换热弱，但是阻力小；4）Re2105后为紊流；5）影响换热因素：管子排列方式、管子排数、管子直径及管间距（行距S1、列距S2）；6）前排扰动加强了后排的换热，故后排管子换热系数高，为第一排的1.3-1.7倍。二、横掠管束对流换热：6.2 外掠圆管对流换热CUMT-SMCE传热学 Heat Transfer 6 单相流体对流传热26/27式中，S1/S2为相对管间距；z为排数影响校正系数。定性温度tm进出口流体平均温度定型尺寸为管外径；Re计算时特征流速取为最窄截面的平均流速。横掠管束对流换热实验关联式：或用茹卡乌斯卡斯关联式 顺排+叉排两类。zpwfmnSSCNu2125. 0PrPrPrRe二、横掠管束对流换热：带肋管束壳管式换热器及通风空调的冷却器等实际流动复杂，