第六章單相流體對流換熱

1第六章單相流體對流換熱第一節(jié)管內(nèi)強迫流動對流換熱第三節(jié)自然對流換熱第二節(jié)外掠圓管對流換熱2第一節(jié)管內(nèi)強迫流動對流換熱一、管槽內(nèi)強制對流流動和換熱的特征

1.

進口段和充分發(fā)展段的特點（流動和熱）(流態(tài)流速定型）

流動充分：x方向u不變，v=0

熱充分(定tw或q)：無量綱溫度隨管長不變（tw-t)/(tw-tf),即表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為常數(shù)。

32.流動充分發(fā)展段層流和湍流的判斷層流： 過渡區(qū)： 旺盛湍流：43.熱入口段和充分發(fā)展段的判斷（表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化）

（定壁溫）充分發(fā)展段為層流或湍流的熱入口段長度:

層流湍流54.熱入口段和流動入口段的關系

Pr=1流動入口段=熱入口段Pr>1流動入口段<熱入口段Pr<1流動入口段>熱入口段層流湍流65.熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。

76.牛頓冷卻公式中的平均溫差對恒熱流條件，可取作為。對于恒壁溫條件，截面上的局部溫差是個變值，應利用熱平衡式：式中，為質(zhì)量流量；分別為出口、進口截面上的平均溫度；按對數(shù)平均溫差計算：87.特征速度及定性溫度的確定特征速度一般多取截面平均流速。定性溫度多為截面上流體的平均溫度（或進出口截面平均溫度）。9二.管內(nèi)湍流換熱實驗關聯(lián)式實用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：（展開思考）加熱流體時，冷卻流體時。式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑。實驗驗證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場合。(氣體:△t=|tw-tf|<50℃;水:△t<20～30℃;油類:△t<10℃)10實際上來說，液體與管壁間溫差大，粘度有明顯變化一般在關聯(lián)式中引進乘數(shù)來考慮不均勻物性場對換熱的影響。11大溫差情形，可采用下列任何一式計算。（1）迪貝斯－貝爾特修正公式對氣體被加熱時，當氣體被冷卻時，對液體液體受熱時液體被冷卻時12（2）采用齊德－泰特公式：定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長度。實驗驗證范圍為：13（3）采用米海耶夫公式：定性溫度為流體平均溫度，管內(nèi)徑為特征長度。實驗驗證范圍為：14上述準則方程的應用范圍可進一步擴大。（1）非圓形截面槽道用當量直徑作為特征尺度應用到上述準則方程中去。式中：為槽道的流動截面積；P為濕周長。（2）入口段入口段的傳熱系數(shù)較高。對于通常的工業(yè)設備中的尖角入口，有以下入口效應修正系數(shù)：

15

（3）彎管修正或螺線管當流體流過彎曲或螺旋管道時，在彎曲段，由于離心力的作用，沿截面產(chǎn)生二次環(huán)流，增加邊界層擾動，使換熱增強。

對于液體對于氣體16三、層流（）時的換熱

Pr數(shù)較大的油和水在壁溫恒定的管內(nèi)進行層流換熱實驗驗證范圍:17三、過渡區(qū)（2300＜Re＜10000）時的換熱

格尼林斯基提供的關聯(lián)式：

對于氣體18

對于液體:

【例6-1】【例6-2】【例6-3】【例6-4】一、管槽內(nèi)強制對流流動和換熱的特征

1.進口段和充分發(fā)展段的特點（流動和熱）2.熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種

二、湍流、過渡流及層流的準則關聯(lián)式

20【例6-1】一臺管殼式蒸汽熱水器，水在管內(nèi)流速為um=0.85m/s,全水管的平均溫度tf=90,管壁溫度tw=115,管長1.5m,管內(nèi)徑d=17mm,試計算它的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解題思路：如何選擇準則關聯(lián)式？1、滿足適用條件（幾何參數(shù)和準則數(shù)范圍）2、確定定性溫度，從而確定準則數(shù)

21【例6-2】水以2.5m/s的速度在內(nèi)徑為20mm長度為3m的管內(nèi)流動，進口處水溫為20℃，管壁溫度保持40℃。試確定出口水溫。思路：求Re：定性溫度未知——粘度未知——怎么Re？校核計算（很多方法）1假定出口溫度——Re——Pr——h——Q1——Q2——Q1=Q2,溫度假定合理，否則重新試算。2以進口溫度作為定性溫度計算22

解：由于出口水溫待求，管內(nèi)流體的平均溫度不能確定，故先以進口處水溫℃作為定性溫度進行試算。由附錄查取20℃時水的物性參數(shù)為：23

流動屬于紊流℃，

℃，24水被加熱，取25由管內(nèi)流體的能量平衡可得26℃

此時可取流體的平均溫度

℃作為定性溫度重復以上計算步驟，得℃，因為兩次計算結(jié)果相差很小，所以出口水溫℃

。27

【例6-3】恒定壁溫的光管，內(nèi)徑120mm，水以2m/s的速度在管內(nèi)流過，水的進口溫度=40℃，出口溫度為滿足這一加熱過程，試確定該管長度。28

屬于旺盛紊流解：℃29

=1433.17

因為（）溫差較大30單位時間內(nèi)水吸收的熱量為

=1865802

根據(jù)能量平衡關系31故所需管長為16m。32【例6-4】某廠燃氣空氣加熱器，已知管內(nèi)徑d=0.051m，每根管內(nèi)空氣質(zhì)量M=0.0417kg/s,管長2.6m,空氣進口溫度tf’=30,管壁溫度保持tw=250，試計算該換熱器的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（討論）

33第二節(jié)流體橫向繞流管束的換熱

一、流體橫向繞流單管（或柱）時的對流換熱計算

二、流體橫向繞流管束的對流換熱計算

34一、流體橫向繞流單管（或柱）流動時的對流換熱計算

外部流動：換熱壁面上的流動邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會受到鄰近壁面存在的限制。橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動具有邊界層特征，還會發(fā)生繞流脫體。1、流動邊界層的形成與發(fā)展

流體的壓強大約在管的前半部遞降，即dp/dx<0,而后又回升，即dp/dx>0邊界層內(nèi)流體的動能變化與壓強的變化相對應；脫體繞流產(chǎn)生脫體現(xiàn)象：從壁面的某一位置開始速度梯度達到0（脫體點），壁面流體停止向前流動，并隨即向相反的方向流動。邊界層中出現(xiàn)渦流，從而正常的邊界層被破壞。

衡量脫體繞流的程度：速度衡量脫體繞流的準則數(shù)：Re36分離點（脫體繞流的起點）的位置：

繞流邊界層在脫體分離前已轉(zhuǎn)為湍流，分離點在處。Re<10時，不發(fā)生繞流脫體

邊界層為層流，繞流脫體點發(fā)生在372、流體橫向繞流單管（或柱）時的換熱特征

邊界層的成長和脫體決了外掠圓管換熱的特征。38

Re的值較小時，在φ＝0處，邊界層最薄，局部努塞爾準則的值逐步下降，在分離點處，的值為最小，之后由于渦流出現(xiàn)，的值又趨于回升。的最小值大約在φ=80°附近。

39

Re的值較大時，邊界層在分離點之前已過渡到紊流狀態(tài)。在層流與紊流的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)局部的第一次較低值，而后隨著湍流邊界層的發(fā)展，局部的值迅速回升，當邊界層到達旺盛紊流時，的值為最大。湍流穩(wěn)定后，由于湍流邊界層不斷增厚，局部又逐漸下降，在φ＝140°的分離點附近區(qū)域，局部的值又再次回升。層流向紊流轉(zhuǎn)變；紊流邊界層與壁脫體繞流。40

式中：C、n的值據(jù)Rem值由表查取

定性溫度：

特征尺寸：管外徑D

特征速度：來流速度uf適用范圍：tf=15.5～982℃tw=21～1046℃3、流體橫向繞流單管（或柱）時的對流換熱計算公式

41RemCn0.4~40.9890.3304~400.9110.38540~40000.6830.4664000~400000.1930.61840000~4000000.0270.805上式中的C和n的值42二、流體橫向繞流管束時的對流換熱計算

1、影響橫向繞流管束換熱的因素

（1）管束排列方式的影響（2）管與管相對節(jié)距的影響（3）流動方向管排數(shù)的影響

43（1）管束排列方式的影響

一般說來，在大多數(shù)情況下，叉排的平均換熱系數(shù)要比順排時大。21DD12a順排b叉排順排：優(yōu)點：阻力較小，清洗較方便；缺點：流體與管子之間的擾動較弱叉排：優(yōu)點：擾動較強缺點：阻力大，不好清洗排列方式分類45（2）管與管相對節(jié)距的影響叉排時：當

＜

當

＞

順排時：46（3）流動方向管排數(shù)的影響

對于排數(shù)少于10排的管束

管排修正系數(shù)

總排數(shù)12345678910順排叉排0.640.680.800.750.870.830.900.890.920.920.940.950.960.970.980.980.990.991.01.0管排修正472、流體橫向沖刷管束的對流換熱計算式

適用范圍：

定性溫度：，其它均為定型尺寸：特征速度：系數(shù)C，n見參考書p167：表6-248【例6-3】哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的220t/h高壓鍋爐空氣預熱器的設計參數(shù)為：叉排布置，＝76mm，＝44mm,管徑40×1.5，空氣橫向沖刷管束，在管排中心截面上的流速＝6.03m/s空氣的平均溫度＝133℃，管壁溫度，流動方向總排數(shù)。求管束與空氣間的平均換熱系數(shù)。49解：因為＝133℃，查表得：，，。50又因＞故最大流速為51由于

，則52因為,故不必考慮管排修正。返回53一、流體自然對流換熱邊界層的特點二、流體自然對流換熱準則方程三、大空間自然對流換熱計算四、有限空間自然對流換熱計算五、自然對流與強制對流并存的混合對流

第三節(jié)流體自然對流換熱54一、流體自然對流換熱邊界層的特點

1、產(chǎn)生原因：溫度差密度差浮升力自然對流流體密度隨溫度線性變化:浮升力:流體的膨脹系數(shù)對于理想氣體:2自然對流換熱的分類

無限空間的自然對流換熱：

流動、換熱、邊界層可以充分發(fā)展如：冬天玻璃窗戶內(nèi)表面的換熱、建筑外墻的室內(nèi)壁面散熱等有限空間的自然對流換熱：

流動、換熱、邊界層的充分發(fā)展受壁與壁間相互影響如：雙層玻璃窗中的空氣層換熱、建筑維護結(jié)構(gòu)中的封閉空氣間層換熱、平板式太陽能集熱器的空氣間層56

3、無限空間內(nèi)自然對流的溫度分布和速度分布自然對流邊界層內(nèi)速度剖面呈單峰形狀；溫度分布曲線與強迫流動時相似，呈單調(diào)變化。57在傳熱計算中，一般用作為自然對流層流和紊流的轉(zhuǎn)變點。

4、自然對流換熱的邊界層分類:(瑞利準則）層流湍流過渡區(qū)584、自然對流換熱特征在層流邊界層隨著厚度的增加，局部換熱系數(shù)將逐漸降低，當邊界層內(nèi)層流向紊流轉(zhuǎn)變局部換熱系數(shù)hx

趨于增大。在常壁溫或常熱流邊界條件下當達到旺盛紊流時，hx將保持不變而與壁的高度無關自然對流強度主要取決于換熱溫差△t、板高l

、容積膨脹系數(shù)α和運動粘度ν。59二、流體自然對流換熱的準則方程

Gr數(shù)在準則方程式中的作用與受迫對流換熱準則方程式中Re的作用相似，物理意義上，它反映了浮升力和粘性力之間的關系。

60三、大空間自然對流換熱計算

大空間自然對流換熱：指壁面形成的邊界層，不因空間限制而受到干擾時的換熱。當壁溫恒定時：定性溫度：系數(shù)c和指數(shù)n的值以及定型尺寸、使用范圍等列于下表中：（a）611/41/31/40.540.150.27熱面向上（或冷面向下）熱面向下（或冷面向上）

水平平板高L高L直徑D直徑D1/41/31/41/30.590.100.530.13豎平板和豎圓柱（管）水平圓管（管）定型尺寸nc換熱面形狀和位置62常熱流密度時用修正用，即

對于豎平板及豎圓柱體

層流

湍流適用范圍：適用范圍：（b）（c）q已知，tw未知63

注：豎圓柱按上表與豎壁用同一個關聯(lián)式只限于以下情況：64習慣上，對于常熱流邊界條件下的自然對流，往往采用下面方便的專用形式：

式中：定性溫度取平均溫度，特征長度對矩形取短邊長。按此式整理的平板散熱的結(jié)果示于下表。65這里流動比較復雜，不能套用層流及湍流的分類。66四.有限空間自然對流換熱這里僅討論如圖所示的豎的和水平的兩種封閉夾層的自然對流換熱，而且推薦的關聯(lián)式僅局限于氣體夾層。

封閉夾層示意圖67夾層內(nèi)流體的流動，主要取決于以夾層厚度為特征長度的數(shù)：當