第五章對(duì)流換熱原理7

1、5-7 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)強(qiáng)制對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 1、橫掠單管換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式橫掠單管換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 按照勢(shì)流理論，流體在圓柱體的前部流速會(huì)逐步增大而壓力會(huì)逐步減??；流體在圓柱體的后部流速會(huì)逐步減小而壓力會(huì)逐步增大。 但是，因流體黏性力的作用，在圓柱體的前部會(huì)形成流動(dòng)邊界層，速度會(huì)從勢(shì)流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變以消耗流體動(dòng)量為代價(jià)的，這一過(guò)程特征會(huì)保持到勢(shì)流流速達(dá)到最大值。 分離流動(dòng)分離流動(dòng)速度分布速度分布邊界層速度分布邊界層速度分布ut t流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體在其后的增壓減速過(guò)程，流場(chǎng)中由壓力轉(zhuǎn)變來(lái)的動(dòng)量會(huì)逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌?chǎng)的壓力，此時(shí)近壁流體不但

2、會(huì)因動(dòng)量的耗散而沒(méi)有足夠的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為壓力，而且和會(huì)在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動(dòng)，從而導(dǎo)致流體在邊界層發(fā)生分離。 分離流動(dòng)分離流動(dòng)速度分布速度分布邊界層速度分布邊界層速度分布ut t流體繞流圓柱體流體繞流圓柱體實(shí)際上，由于邊界層的發(fā)展，勢(shì)流區(qū)的外形已經(jīng)不實(shí)際上，由于邊界層的發(fā)展，勢(shì)流區(qū)的外形已經(jīng)不是圓形，因而使流動(dòng)的增壓減速過(guò)程提前，也就使是圓形，因而使流動(dòng)的增壓減速過(guò)程提前，也就使流動(dòng)分離位置提前。流動(dòng)分離位置提前。 如果流體在分離之前流動(dòng)邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展如果流體在分離之前流動(dòng)邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動(dòng)量交換的加強(qiáng)，到紊流，由于紊流邊界層中紊流動(dòng)量交換的加強(qiáng)，從而

3、使邊界層流動(dòng)的分離向后推移。從而使邊界層流動(dòng)的分離向后推移。 繞流圓柱的流動(dòng)繞流圓柱的流動(dòng): :當(dāng)當(dāng)re10re10re105 5時(shí)流動(dòng)分離點(diǎn)在時(shí)流動(dòng)分離點(diǎn)在=140=140處。處。 re10時(shí)，可忽略分離的影響，摩擦阻力對(duì)流動(dòng)起時(shí)，可忽略分離的影響，摩擦阻力對(duì)流動(dòng)起決定作用。決定作用。雷諾數(shù)為雷諾數(shù)為 ，式中，式中，u u為來(lái)流速度，為來(lái)流速度，d d為圓柱體外直徑為圓柱體外直徑。 dure在 圓 柱 體 的 前 端在 圓 柱 體 的 前 端=0=0處換熱系數(shù)處換熱系數(shù)最大，而在分離點(diǎn)最大，而在分離點(diǎn)=82=82處換熱系數(shù)處換熱系數(shù)最??；如果在邊最?。蝗绻谶吔鐚訌膶恿髯?yōu)槲山鐚訌膶恿髯優(yōu)槲?/p>

4、流 ， 那 么 轉(zhuǎn) 變 點(diǎn)流 ， 那 么 轉(zhuǎn) 變 點(diǎn)=140=140處有一個(gè)換處有一個(gè)換熱系數(shù)熱系數(shù)的最低點(diǎn)，的最低點(diǎn)，紊流邊界層的分離紊流邊界層的分離點(diǎn)是另一個(gè)換熱系點(diǎn)是另一個(gè)換熱系數(shù)數(shù)的最低點(diǎn)的最低點(diǎn) 流體外掠（橫向掠過(guò)）流體外掠（橫向掠過(guò)）單根圓管單根圓管換熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式換熱的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 : :3/1pr*re*ndcdhnurecn0.440.9890.334400.9110.3854040000.6830.4664000400000.1930.618400004000000.0270.805c c、n n的值見(jiàn)下表所示的值見(jiàn)下表所示流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)也可采用以下流體繞流圓柱

5、體的平均換熱系數(shù)也可采用以下朱考朱考斯卡斯斯卡斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 : : 其中，特征流速為流體最小截面處的最大流速其中，特征流速為流體最小截面處的最大流速u umaxmax；特征尺寸為圓柱體外直徑特征尺寸為圓柱體外直徑d d；定性溫度除；定性溫度除prprw w按壁面按壁面溫溫t tw w取值之外，其余皆用流體的平均溫度取值之外，其余皆用流體的平均溫度t tf f ；是考慮在選用是考慮在選用t tf f為定性溫度時(shí)，熱流方向不為定性溫度時(shí)，熱流方向不同會(huì)對(duì)換熱性能產(chǎn)生影響的一個(gè)修正系數(shù)。同會(huì)對(duì)換熱性能產(chǎn)生影響的一個(gè)修正系數(shù)。0.25prprfw25. 037. 0)prpr(*pr*r

6、e*wffmfcdhnuc c、m m的值見(jiàn)下表所示的值見(jiàn)下表所示recm1400.750.44010000.510.510002000000.260.62105 1060.0760.7適用范圍：適用范圍：0.7 pr 5000.7 pr 500； 1 re1 red d 100.2,0.2,則流體外掠單管的對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式還可寫(xiě)為則流體外掠單管的對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式還可寫(xiě)為: :5/48/54/13/23/12/1)282000re(1 pr)/4 . 0(1 prre62. 03 . 0*dhnud上式中，定性溫度為（上式中，定性溫度為（t tw+t+tf）/2./2.注意注意：如右圖所示，如右圖

7、所示，如果如果流體流動(dòng)方向與圓柱體軸流體流動(dòng)方向與圓柱體軸線的夾角（亦稱沖擊角）線的夾角（亦稱沖擊角）在在30300 0- 90- 900 0的范圍內(nèi)時(shí)，的范圍內(nèi)時(shí)，則平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按則平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按下式計(jì)算下式計(jì)算 氣流方向管子方向）（290cos54. 01hh 2、橫掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式橫掠管束換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 管束（長(zhǎng)圓柱體束）是由多根長(zhǎng)管（長(zhǎng)圓柱體）按管束（長(zhǎng)圓柱體束）是由多根長(zhǎng)管（長(zhǎng)圓柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。照一定的的排列規(guī)則組合而成的。管束的排列方式管束的排列方式很多，最常見(jiàn)的有順排和叉排兩種很多，最常見(jiàn)的有順排和叉排兩種 。dds1s1s2s2umaxuu

8、tt(1)(1)叉排管束叉排管束 (2)(2)順排管束順排管束一般叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道一般叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng)，擾動(dòng)更劇烈，因而叉排換熱比順排更強(qiáng)。中流動(dòng)，擾動(dòng)更劇烈，因而叉排換熱比順排更強(qiáng)。但順排則流動(dòng)阻力小，易于清洗。所以順排和叉排但順排則流動(dòng)阻力小，易于清洗。所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。的選擇要全面權(quán)衡。另外，一般說(shuō)來(lái)，后排管的換熱要好于第一排管，另外，一般說(shuō)來(lái)，后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排管以后各排管之間的流動(dòng)換熱特征就沒(méi)但從第三排管以后各排管之間的流動(dòng)換熱特征就沒(méi)有多少差異了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管排排數(shù)超過(guò)有多少差異了。實(shí)驗(yàn)結(jié)

9、果表明，當(dāng)管排排數(shù)超過(guò)1010排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。 影響管束換熱的因素除了影響管束換熱的因素除了re、pr數(shù)外，還有排列數(shù)外，還有排列方式、管間距、管束排數(shù)等方式、管間距、管束排數(shù)等 。氣體外掠管束對(duì)流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)氣體外掠管束對(duì)流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 按下式按下式計(jì)算計(jì)算mcnure該式適用于氣體橫掠該式適用于氣體橫掠1010排以上管束。式中，排以上管束。式中，定性溫定性溫度采用度采用tm=(tw+tf)/2,其中，其中，tf為為流體平均溫度流體平均溫度，特征，特征尺寸為管外直徑，特征流速為管排流道中最窄處的尺寸為管外直徑，特征流速為

10、管排流道中最窄處的流速流速。c和m數(shù)值見(jiàn)p176頁(yè)表5-7。適用范圍為適用范圍為ref = 2000 40000.對(duì)于排數(shù)少于對(duì)于排數(shù)少于10排的管束，平均表面換熱系數(shù)應(yīng)在上排的管束，平均表面換熱系數(shù)應(yīng)在上式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)小于式計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)小于1的管排修正系數(shù)。的管排修正系數(shù)。hhn n n的值見(jiàn)表的值見(jiàn)表5-85-8。（1）*其它有關(guān)外掠管束對(duì)流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)其它有關(guān)外掠管束對(duì)流換熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式（朱考夫卡斯公式）算式（朱考夫卡斯公式）此式適用于計(jì)算沿流體流動(dòng)方向排數(shù)大于此式適用于計(jì)算沿流體流動(dòng)方向排數(shù)大于1616的管束的的管束的換熱。式中，特征尺寸

11、為管外直徑，特征流速為管排換熱。式中，特征尺寸為管外直徑，特征流速為管排流道中最窄處的流速，定性溫度為管束進(jìn)出口流體平流道中最窄處的流速，定性溫度為管束進(jìn)出口流體平均溫度（均溫度（有書(shū)上認(rèn)為是來(lái)流溫度有書(shū)上認(rèn)為是來(lái)流溫度）。）。 prw為按管束的為按管束的平均壁溫確定平均壁溫確定. .適用范圍：適用范圍：pr = 0.6 pr = 0.6 500. 500. 其中，其中，c c和和m m值由下表選取。值由下表選取。4/136. 0)prpr(*pr*re*wfmcnu （2）結(jié)構(gòu)red,maxcm順排103 21050.270.63叉排（st/sl 2 )103 21050.400.60順排2

12、105 21060.0210.84叉排2105 21060.0220.84*例例1：空氣水換熱器的傳熱問(wèn)題?？諝鈾M向流過(guò)管空氣水換熱器的傳熱問(wèn)題。空氣橫向流過(guò)管子，在流動(dòng)方向上布置有子，在流動(dòng)方向上布置有7排。考慮叉排管束，管子排。考慮叉排管束，管子縱向和橫向的間距分別是縱向和橫向的間距分別是sl=34.3mm和和st=31.3mm，管子外徑管子外徑d=16.4mm。在典型運(yùn)行條件下，上游空氣。在典型運(yùn)行條件下，上游空氣的溫度和速度分別是的溫度和速度分別是15和和6m/s，管子的表面溫度是，管子的表面溫度是70。試分析。試分析空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)是多少？空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)是多少？如取來(lái)流溫度

13、為定性溫度，即如取來(lái)流溫度為定性溫度，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時(shí)時(shí)prw=0.701;分析分析：采用公式（：采用公式（2）計(jì)算計(jì)算4/136.0)prpr(*pr*re*wfmcnu 由于：由于：mmssstld7 .37)2/(2/122(st+d)/2因此，最大速度由下式計(jì)算因此，最大速度由下式計(jì)算udssudt)(2max代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得代入有關(guān)數(shù)據(jù)，得smu/6 .12max于是得：于是得：943,131082.140164. 06 .12r

14、e6maxmax,dud又又291. 03 .343 .31ltss因此根據(jù)朱考斯卡斯關(guān)聯(lián)式，有因此根據(jù)朱考斯卡斯關(guān)聯(lián)式，有6 . 034. 0)(35. 05/1mssclt4/136. 06 . 0)701. 0710. 0()71. 0()13943(34. 0dnu因此因此計(jì)算得：計(jì)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：鍋爐中，煙氣橫掠：鍋爐中，煙氣橫掠4排管組成的順排管束。已知排管組成的順排管束。已知管外徑管外徑d=60mm，s1/d=2, s2/d=2, 煙氣平均溫度煙氣平均溫度tf=600，

15、管束表面管束表面tw=120。若已知煙氣通道最窄處的平均流。若已知煙氣通道最窄處的平均流速速u=8m/s，試求管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。，試求管束平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。分析：若取定性溫度分析：若取定性溫度 tm=(tw+tf)/2=360，則可查得煙，則可查得煙氣物性參數(shù)為氣物性參數(shù)為 =5.36 10-2w/m k， =54.6 10-6m2/s。于是得：于是得：8791106 .5406. 08re6ud雷諾數(shù)落在雷諾數(shù)落在2000 40000之間，可套式（之間，可套式（1）計(jì)算）計(jì)算。查表查表57，得：，得：由于由于s1/d=2, s2/d=2632.0229.0mc于是得換熱系數(shù)得準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為：于是