傳熱學(xué)-第六章3-4

§6-3內(nèi)部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式管槽內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)和換熱的特征

1.流動(dòng)特點(diǎn)層流：過(guò)渡區(qū)：旺盛湍流：由于流體有粘性，流體流過(guò)管內(nèi)會(huì)形成速度邊界層，從入口開(kāi)始，邊界層厚度逐漸增加，直到邊界層的厚度時(shí)，管內(nèi)才是充分發(fā)展的層流（充分發(fā)展的紊流）。層流湍流無(wú)論層流還是紊流，流體在管內(nèi)流動(dòng)都可分為兩段：流動(dòng)入口段和流動(dòng)充分發(fā)展段起始段：2.對(duì)流換熱特點(diǎn)當(dāng)流體與管壁發(fā)生對(duì)流換熱時(shí)，有熱邊界層形成，熱邊界層厚度不斷增加，直至等于管半徑處。熱起始段特點(diǎn)：湍流熱邊界層起始段長(zhǎng)度:1）層流時(shí)，hx隨δt增加而下降（導(dǎo)熱厚度大，Φ下降）在層流向紊流過(guò)渡時(shí)，hx上升，故從加強(qiáng)換熱的角度看，應(yīng)使流動(dòng)處于紊流。2）層流熱邊界層起始段長(zhǎng)度:此后的平均換熱系數(shù)不受入口起始段的影響。熱充分發(fā)展段：當(dāng)以后的管長(zhǎng)，溫度分布已定型，故在經(jīng)驗(yàn)公式中討論充分發(fā)展段。3.管壁與流體換熱量的計(jì)算：由牛頓冷卻公式：A——流體與管壁的換熱面積2πrL對(duì)不同的加熱方式，溫差的計(jì)算不一樣。有恒熱源加熱和恒壁溫加熱。如圖

熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。對(duì)恒熱流的情況，如果充分發(fā)展段足夠長(zhǎng)，則可取充分發(fā)展段的溫差tw-tf作為計(jì)算溫差。對(duì)恒壁溫的情況，截面上局部溫差在整個(gè)換熱面上是變化的，應(yīng)取平均對(duì)數(shù)溫差牛頓冷卻公式中的平均溫差:對(duì)恒熱流條件，可取作為。對(duì)于恒壁溫條件，截面上的局部溫差是個(gè)變值，應(yīng)用對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算：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(jìn)出口截面平均溫度）。二.管內(nèi)湍流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

1、紊流換熱關(guān)聯(lián)式：管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，不同的流態(tài)，換熱規(guī)律不同，所得的換熱系數(shù)的計(jì)算式也不同。對(duì)于紊流強(qiáng)制對(duì)流換熱，最常用的公式是迪圖斯－貝爾特公式：加熱流體時(shí)冷卻流體時(shí)式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合。氣體：水：油：大溫差情形，可采用下列任何一式計(jì)算。（1）迪圖斯－貝爾特修正公式對(duì)氣體被加熱時(shí)，當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，對(duì)液體液體受熱時(shí)液體被冷卻時(shí)液體的黏度隨溫度的降低而升高，液體被冷卻時(shí)，近壁處的黏度較管心處高，因而速度分布低于等溫曲線(xiàn)，變成曲線(xiàn)2。氣體的黏度隨溫度的降低而降低，氣體被冷卻時(shí)，近壁處的黏度較管心處低，因而速度分布高于等溫曲線(xiàn)，變成曲線(xiàn)3。管內(nèi)速度分布隨換熱情況的畸變（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(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：（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(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：（4）采用格尼斯基公式對(duì)液體：對(duì)氣體：式中f為紊流流動(dòng)時(shí)達(dá)西阻力系數(shù)：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：非圓形截面槽道

用當(dāng)量直徑作為特征尺度應(yīng)用到上述準(zhǔn)則方程中去。式中：為槽道的流動(dòng)截面積；P為濕周長(zhǎng)。

注：對(duì)截面上出現(xiàn)尖角的流動(dòng)區(qū)域，采用當(dāng)量直徑的方法會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。

（1）短管修正

入口段的傳熱系數(shù)較高。對(duì)于通常的工業(yè)設(shè)備中的尖角入口，有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：2、紊流換熱關(guān)聯(lián)式的修正（2）彎管修正

螺線(xiàn)管強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有螺線(xiàn)管修正系數(shù)：

對(duì)于氣體對(duì)于液體d——管直徑R——曲率半徑

（3）溫差修正液體：由于溫度變化引起粘度變化氣體：由于溫度變化引起μ、ρ、λ物性變化液體受熱液體冷卻氣體被冷卻氣體被加熱修正后的迪圖斯－貝爾特公式為以上所有方程僅適用于的氣體或液體。對(duì)數(shù)很小的液態(tài)金屬，換熱規(guī)律完全不同。推薦光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱的準(zhǔn)則式：均勻熱流邊界實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：均勻壁溫邊界實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。3、影響管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的幾個(gè)主要因素1）入口段的影響：對(duì)紊流，當(dāng)L/d<60，h受入口段影響較大；當(dāng)L/d>60，平均h不再隨管長(zhǎng)變化。由實(shí)驗(yàn)得出h的經(jīng)驗(yàn)公式，一般是對(duì)L/d>60的長(zhǎng)管，若對(duì)短管，需乘上修正系數(shù)CL。進(jìn)口的斷面形狀對(duì)換熱系數(shù)也有影響，也必須修正。2）流體物性變化的影響：當(dāng)流體沿管道流動(dòng)被壁面加熱或冷卻時(shí)，沿流動(dòng)方向任一截面流體的溫度會(huì)發(fā)生變化，溫度變化引起物性參數(shù)的變化，特別是粘性變化使速度場(chǎng)改變。如圖

實(shí)際上來(lái)說(shuō)，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分發(fā)生畸變。一般在關(guān)聯(lián)式中引進(jìn)乘數(shù)來(lái)考慮不均勻物性場(chǎng)對(duì)換熱的影響。換熱時(shí)管內(nèi)速度分布：1——等溫流2——冷卻液體或加熱氣體3——加熱液體或冷卻氣體3）彎管的影響：當(dāng)流體沿彎管流動(dòng)時(shí)由于離心力的作用，管外側(cè)的壓力大于內(nèi)側(cè)，使外側(cè)流體流向內(nèi)側(cè)，形成二次回流。增強(qiáng)了邊界層的擾動(dòng)，加強(qiáng)了換熱。其h值在直管的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，乘上修正系數(shù)cr。4）管壁粗糙度的影響：粗糙度越大，換熱越強(qiáng)。工程上常采用內(nèi)壁做成沙礫狀的螺旋管加強(qiáng)換熱。4、強(qiáng)化換熱措施由提高流速對(duì)強(qiáng)化換熱效果顯著三.管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式

充分發(fā)展的層流對(duì)流換熱的結(jié)果很多，可查表選用。續(xù)表

外壁絕熱內(nèi)壁絕熱

由上兩表得出：1）均勻熱流條件下的Nu數(shù)比均勻壁溫下的Nu數(shù)大。2）層流充分發(fā)展段的換熱與Re無(wú)關(guān)，但紊流卻與Re數(shù)有關(guān)。3）使用當(dāng)量直徑作為特征長(zhǎng)度，不同截面的管道層流充分發(fā)展段的Nu數(shù)不相等。

定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定）管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管子處于均勻壁溫。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德－泰特公式。對(duì)流換熱問(wèn)題的解題步驟：1）首先判別所求問(wèn)題使哪一類(lèi)？（自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、外部流、內(nèi)流、相變）2）判別流態(tài)。為層流3）取定性溫度、特征尺寸，查物性參數(shù)。4）選擇適當(dāng)公式計(jì)算5）校核，Re、t是否在所選用公式的范圍內(nèi)例：水流過(guò)長(zhǎng)l=5m、壁溫均勻的直管時(shí)，從℃被加熱到℃，管子的內(nèi)徑，水在管內(nèi)的流速為，求表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：水的平均溫度為℃以此為定性溫度，從附錄查得流動(dòng)處于旺盛紊流區(qū)被加熱水每秒鐘內(nèi)的吸熱量為計(jì)算壁面溫度：℃℃在所選公式的應(yīng)用范圍內(nèi)，因此，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為所求值。作業(yè)：6－106－136－14§6-4外部流動(dòng)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

外部流動(dòng)：換熱壁面上的流動(dòng)邊界層與熱邊界層能自由發(fā)展，不會(huì)受到鄰近壁面存在的限制。

一.橫掠單管換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

橫掠單管：流體沿著垂直于管子軸線(xiàn)的方向流過(guò)管子表面。流動(dòng)具有邊界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體。U∞t∞1、流動(dòng)特點(diǎn)：在繞流過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)邊界層分離。分離點(diǎn)的位置取決于Re.當(dāng)時(shí)，附面層不分離當(dāng)時(shí)，分離點(diǎn)發(fā)生在處。當(dāng)時(shí)，分離點(diǎn)發(fā)生在處。邊界層的成長(zhǎng)和脫體決定了外掠圓管的換熱特性。2、換熱特點(diǎn)：分析圖：無(wú)論是層流還是紊流邊界層，在之間換熱系數(shù)h隨著邊界層厚度δ增厚而下降。

層流（紊流低雷諾數(shù)）：邊界層分離后，由于漩渦的擾動(dòng)h增大。

紊流（高雷諾數(shù)）：曲線(xiàn)有兩個(gè)拐點(diǎn)，第一個(gè)拐點(diǎn)是層流邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鬟吔鐚?；第二個(gè)拐點(diǎn)是邊界層分離點(diǎn)

雖然局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化比較復(fù)雜，但從平均表面換熱系數(shù)看，漸變規(guī)律性很明顯?？刹捎靡韵路侄蝺绱侮P(guān)聯(lián)式：式中：C及n的值見(jiàn)下表；定性溫度為特征長(zhǎng)度為管外徑；數(shù)的特征速度為來(lái)流速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：℃，℃。3、單管橫掠的Nu數(shù)RenC0.44440404000400040000400004000000.9890.1930.02660.9110.6830.3300.3850.4660.6180.805

對(duì)于氣體橫掠非圓形截面的柱體或管道的對(duì)流換熱也可采用上式。

注：指數(shù)C及n值見(jiàn)下表，表中示出的幾何尺寸是計(jì)算數(shù)及數(shù)時(shí)用的特征長(zhǎng)度。

上述公式對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般需要分段整理。

邱吉爾與朋斯登對(duì)流體橫向外掠單管提出了以下在整個(gè)實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)都能適用的準(zhǔn)則式。

式中：定性溫度為適用于的情形。二.橫掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

外掠管束在換熱器中最為常見(jiàn)。通常管子有叉排和順排兩種排列方式。叉排換熱強(qiáng)、阻力損失大并