單相流體對(duì)流傳熱

1、第六章單相流體對(duì)流傳熱6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱6.2 外掠圓管對(duì)流換熱6.3 自然對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱2/276.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.1 一般分析內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流在工程上有大量應(yīng)用：暖氣管道、各類熱水及蒸汽管道、換熱器等內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流與外部強(qiáng)制對(duì)流：管槽內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流受流道壁面的約束，邊界層的發(fā)展受到限制。（注意與外掠等溫平板強(qiáng)制對(duì)流的區(qū)別）CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱3/27一、進(jìn)口段與充分發(fā)展段流動(dòng)亦分為層流和紊流，管內(nèi)臨界雷諾數(shù)Rec2300。 Re2300，層流；2300Re1000

2、0，旺盛湍流區(qū)2. 流動(dòng)充分發(fā)展段：徑向速度分量v為零，軸向速度 u 不再隨 x 變化。概念：流體從進(jìn)入管口開始，經(jīng)過一段距離后，管內(nèi)斷面流速分布和流動(dòng)狀態(tài)才能定型，這段距離稱為進(jìn)口段。此后即為流動(dòng)充分發(fā)展段，其流動(dòng)狀態(tài)由Re數(shù)確定。主要特點(diǎn)：00uvx；6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.1 一般分析CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱4/27若存在熱交換，管內(nèi)流體平均溫度 tf 將不斷變化，壁面溫度 tw 也將發(fā)生變化。變化規(guī)律取決于邊界條件的類型（如常見的：恒熱流和恒壁溫）。 與流動(dòng)進(jìn)口段一樣，管內(nèi)對(duì)流換熱也存在熱進(jìn)口段和熱充分發(fā)展段。熱充分發(fā)展段性質(zhì)：)(

3、rfttttrrwfw0wfwttxx tt一、進(jìn)口段與充分發(fā)展段wr Rr Rfwwfr Rtttrconstrrttttr Rwfthrconsttt常物性流體在熱充分發(fā)展段性質(zhì)： 表面對(duì)流傳熱系數(shù) hx 保持不變。流動(dòng)進(jìn)口段與熱進(jìn)口段長(zhǎng)度取決于Pr數(shù)。Pr1，流動(dòng)進(jìn)口段短； Pr1，熱進(jìn)口段短。6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.1 一般分析CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱5/27入口段長(zhǎng)度 l： 層流： l/d 0.05RePr （常壁溫）； l/d 0.07RePr （常熱流） 湍流 ： l/d 1045入口段熱邊界層厚度薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大。層流

4、 Rex10 的光滑圓管紊流流動(dòng)充分發(fā)展段；流體與壁面具有中等以下的溫差：氣體50 水2030 油10；Ref104，Prf0.7160；對(duì)于恒壁溫、恒熱流邊界條件均適用；1.不適用于Pr 數(shù)很小的液態(tài)金屬。一、 紊流換熱關(guān)聯(lián)式6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱11/27希得-塔特關(guān)聯(lián)式：紊流換熱修正關(guān)聯(lián)式：一、 紊流換熱關(guān)聯(lián)式0.140.81/30.027RePrffffwNu格尼林斯基關(guān)聯(lián)式：45. 03/24 . 08 . 0)()(1 Pr)100(Re0214. 0wffffTTldNu11. 03/24 . 087.

5、0)PrPr()(1 Pr)280(Re012. 0wffffldNu氣體：液體：適用條件：適用條件：6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.2 管內(nèi)對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱12/27nfffNuPrRe023. 08 . 0根據(jù)光滑圓管紊流傳熱通用公式，可知：h 的影響因素：密度和速度均為0.8次方，影響最大。影響較大的因素其次是導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容；這也反映了同等條件下，水的對(duì)流換熱系數(shù)要比空氣大。在流速和溫度不變前提下，小管徑能提高換熱系數(shù)，如圓管改成橢圓管。1.增加速度可提高換熱系數(shù)，如流速由1m/s提高到1.5m/s，換熱系數(shù)增加

6、40%；然而，增加流速同時(shí)會(huì)引起流動(dòng)阻力上升，須綜合考慮。),(2 . 04 . 08 . 04 . 06 . 08 . 0dcufhp迪圖斯貝爾特公式：一、 紊流換熱關(guān)聯(lián)式6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.2 管內(nèi)對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱13/27結(jié)題思路：1）首先根據(jù)給定條件選擇合適的關(guān)聯(lián)式： （a）管內(nèi)流動(dòng)； （b）壁面溫度高于流體溫度； （c）流體溫度范圍或流體與壁面溫差是否滿足迪圖斯-貝爾特公式，不滿足則用其他經(jīng)驗(yàn)公式。2）根據(jù)關(guān)聯(lián)式，確定定性溫度、定型尺寸和物性參數(shù)，同時(shí)計(jì)算Re數(shù)判斷流態(tài)；3）將參數(shù)帶入關(guān)聯(lián)式，計(jì)算N

7、u數(shù)，進(jìn)而求出對(duì)流換熱系數(shù)。例例1：一臺(tái)管殼式蒸汽換熱器，管內(nèi)水的流速為um=0.85m/s，全管長(zhǎng)水的平均溫度tf=90，管壁面溫度tw=115，管長(zhǎng)為1.5m，管內(nèi)徑d=17mm，試計(jì)算其表面換熱系數(shù)。6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱14/27式中：定性溫度取為進(jìn)出口流體平均溫度的算術(shù)平均值； 特征流速為管內(nèi)平均流速；特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑；管內(nèi)層流換熱Nu（充分發(fā)展段）：管內(nèi)流動(dòng)入口段為層流。常見于微型動(dòng)力設(shè)備、電器及儀表等空氣冷卻或加熱過程。西得-塔特常壁溫層流換熱關(guān)聯(lián)式：二、層流換熱關(guān)聯(lián)式14. 03/13/13/1)()(

8、PrRe86. 1wffffldNu14. 03/1)()(86. 1wfffldPeNu4.36()3.66()ffwNuqconstNutconst6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.2 管內(nèi)對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱15/27【解】：確定定性溫度tf=(20+60)/2=40，查物性參數(shù)：雷諾數(shù)：Re=1.181032300，故為層流。選用層流換熱關(guān)聯(lián)式：14. 03/13/13/1)()(PrRe86. 1wffffldNu2p()()4wfmffdh dl ttuc tt3-266=1.128kg/m1.005KJ/kg K

9、2.76 10 W/m K19.1 10 kg/m s22.8 10 kg/m s Pr0.699fwcp，例例2 ：空氣以：空氣以2m/s速度在內(nèi)徑為速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動(dòng)，入口處的空氣溫度為的管內(nèi)流動(dòng)，入口處的空氣溫度為20，管壁溫度為管壁溫度為120，試確定將空氣加熱至，試確定將空氣加熱至60時(shí)所需要的管長(zhǎng)。時(shí)所需要的管長(zhǎng)。將參數(shù)帶入層流換熱關(guān)聯(lián)式，整理可得：h=10.12 l-1/3 。根據(jù)能量平衡方程有：6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱16/272p()()4wfmffdh dl ttuc tt例例2 ：空氣以

10、：空氣以2m/s速度在內(nèi)徑為速度在內(nèi)徑為10mm的管內(nèi)流動(dòng)，入口處的空氣溫度為的管內(nèi)流動(dòng)，入口處的空氣溫度為20，管壁溫度為管壁溫度為120，試確定將空氣加熱至，試確定將空氣加熱至60時(shí)所需要的管長(zhǎng)。時(shí)所需要的管長(zhǎng)。將參數(shù)帶入層流換熱關(guān)聯(lián)式，整理可得：h=10.12 l-1/3 。根據(jù)能量平衡方程有：整理上式可得：hl=2.83。聯(lián)立兩式，可計(jì)算出 l=0.148m。6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱17/27 三、管槽內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流換熱的強(qiáng)化： 機(jī)理： 減薄或消除熱邊界層。措施：增加流速、增加內(nèi)壁粗糙度； 內(nèi)肋管、內(nèi)螺紋管；彎管、

11、扭曲管等。注意：強(qiáng)化傳熱的措施往往引起流動(dòng)阻力的增加，其輸送能耗必然增加，需要綜合考慮。（對(duì)流傳熱場(chǎng)協(xié)同作用）nfffNuPrRe023. 08 . 00.80.20.60.40.80.4(,)phf udc6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.2 管內(nèi)對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱18/27四、微細(xì)尺度通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱及納米流體傳熱：MEMS: 特征尺度10-6m10-3m，流動(dòng)與傳熱存在尺度效應(yīng)?？伺瓟?shù)：Kn / lKn0.001， 連續(xù)介質(zhì)區(qū)0.001Kn0.1，速度滑移與溫度跳躍區(qū)0.1Kn10， 過渡區(qū)Kn10， 自由分子區(qū)特

12、點(diǎn)：控制過程的作用力影響顯著變化；表面粗糙度影響顯著變化；壁面導(dǎo)熱影響明顯；流體的可壓縮性；1.氣體的稀薄性。納米流體：基礎(chǔ)流體中添加納米尺度顆粒構(gòu)成的復(fù)合流體。式中，是流體分子平均自由程； L是系統(tǒng)的長(zhǎng)度尺度6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱1.2 管內(nèi)對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱19/27作業(yè)：作業(yè)：1、水以、水以u(píng)m=1.5m/s的速度流過內(nèi)徑的速度流過內(nèi)徑d=25mm的加熱管，管內(nèi)壁溫度保持恒定且的加熱管，管內(nèi)壁溫度保持恒定且 tw=100，水的進(jìn)口溫度為，水的進(jìn)口溫度為15，若使水的出口溫度達(dá)到，若使水的出口溫度達(dá)到85，求單位

13、管長(zhǎng)的換，求單位管長(zhǎng)的換熱量。（可不考慮管長(zhǎng)修正）熱量。（可不考慮管長(zhǎng)修正）注意溫差選用。Nu=343.4，h=9.05，q=28.7。2、一套管式換熱器，管外壁溫度保持在、一套管式換熱器，管外壁溫度保持在100。初溫為。初溫為25，質(zhì)量流量為，質(zhì)量流量為0.8kg/s的水從套管換熱器的環(huán)形空間中流過，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層的水從套管換熱器的環(huán)形空間中流過，換熱器外殼絕熱良好。環(huán)形夾層內(nèi)管外徑為內(nèi)管外徑為40mm，外管內(nèi)徑為，外管內(nèi)徑為60mm，試確定把水加熱到，試確定把水加熱到55時(shí)所需的套管長(zhǎng)時(shí)所需的套管長(zhǎng)度，及管子出口截面處的局部熱流密度。度，及管子出口截面處的局部熱流密度。Nu=

14、93.3, h=2962.3, q=100176, l=4.4853、例題、例題6-2：一班同學(xué)假設(shè)：一班同學(xué)假設(shè)tf=110/120 ，二班同學(xué)假設(shè)，二班同學(xué)假設(shè)tf=150/160。6.1 管內(nèi)受迫對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱20/27 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，不受鄰近壁面的約束。 （外掠平壁、橫掠單管、外掠球體、橫掠管束）一、橫掠單管對(duì)流換熱：流體沿著垂直于管子軸線的方向流過管子表面。流動(dòng)具有邊界層特征，還會(huì)發(fā)生繞流脫體現(xiàn)象。一般來說，脫流強(qiáng)化了傳熱，但是增加阻力損失。6.2 外掠圓管對(duì)流換熱橫掠單管繞流

15、的特點(diǎn)：0, 0 xuxp0, 0 xuxp前半圓周：壓力減小速度增加后半圓周：壓力增加速度減小逆壓梯度是造成流動(dòng)分離的直接原因。壓力減小壓力增加CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱21/27橫掠單管繞流的特點(diǎn)：Re101.5105：層流，脫體角 8085Re1.5105：湍流，脫體角 140duRe一、橫掠單管對(duì)流換熱：6.2 外掠圓管對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱22/27橫掠單管繞流對(duì)流換熱的特點(diǎn)：一、橫掠單管對(duì)流換熱：hx的變化規(guī)律：1）在0位置，流體速度最大，因此該位置局部換熱系數(shù)相對(duì)較大；2）

16、層流：隨著層流邊界層發(fā)展，hx逐漸變小，一直到脫體點(diǎn)最小；隨后逐漸回升；3）紊流： hx第一極小點(diǎn)位置是層流邊界層向紊流邊界過渡點(diǎn)； hx第二極小點(diǎn)是脫體點(diǎn)； hx最大點(diǎn)是紊流完全發(fā)展區(qū)。6.2 外掠圓管對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱23/27橫掠單管對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：式中：C, n 的值見教材表 6-1；定性溫度tm(tw+t)/2；特征長(zhǎng)度為管外徑d；特征速度 為來流速度u分段冪次分段冪次關(guān)聯(lián)式nfwfffCNuRe)PrPr(Pr25. 037. 0一、橫掠單管對(duì)流換熱：圓柱體繞流對(duì)流換熱的局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不僅與Re，Pr相關(guān)，而且與

17、流動(dòng)分離相關(guān)。平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式采用基于不同Re范圍的分段冪次函數(shù)表示。6.2 外掠圓管對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱24/27縱掠單管對(duì)流換熱如何考慮？可視為長(zhǎng)l，寬d 的外掠平板u，t外掠球體對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式3121PrRe332. 0 xxNuRe 5105 , 湍流3/154PrRe0296. 0 xxNu 1/41 22/30.42(0.4Re0.06Re)PrwNu式中：定性溫度為來流溫度；特征流速為來流速度；特征長(zhǎng)度為球直徑； 適用于：Pr0.71380，Re3.57.6e+4補(bǔ)充：6.2 外掠圓管對(duì)流換熱CUMT-

18、SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱25/27橫掠管束流動(dòng)的特點(diǎn)：1）分為叉排和順排兩種形式，換熱器中常用； 2）除第一排管子保持了外掠單管的特征外，從第二排起流動(dòng)將被前幾排管子引起的渦旋所干擾，流動(dòng)復(fù)雜；3）一般說叉排擾動(dòng)大，換熱強(qiáng)，但阻力損失大；順排擾動(dòng)小，換熱弱，但是阻力??；4）Re2105后為紊流；5）影響換熱因素：管子排列方式、管子排數(shù)、管子直徑及管間距（行距S1、列距S2）；6）前排擾動(dòng)加強(qiáng)了后排的換熱，故后排管子換熱系數(shù)高，為第一排的1.3-1.7倍。二、橫掠管束對(duì)流換熱：6.2 外掠圓管對(duì)流換熱CUMT-SMCE傳熱學(xué) Heat Transfer 6 單相流體對(duì)流傳熱26/27式中，S1/S2為相對(duì)管間距；z為排數(shù)影響校正系數(shù)。定性溫度tm進(jìn)出口流體平均溫度定型尺寸為管外徑；Re計(jì)算時(shí)特征流速取為最窄截面的平均流速。橫掠管束對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：或用茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式 順排+叉排兩類。zpwfmnSSCNu2125. 0PrPrPrRe二、橫掠管束對(duì)流換熱：帶肋管束殼管式換熱器及通風(fēng)空調(diào)