管內(nèi)受迫對(duì)流換熱課件

HeatTransfer

傳熱學(xué)

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主干課程之一

!HeatTransfer

傳熱學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主§6單相對(duì)流換熱

建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主干課程之一

!Chapter6TheHeatTransferofSingle-phaseConvection§6單相對(duì)流換熱建筑環(huán)境與設(shè)備工程專(zhuān)業(yè)主干課程之一!1、式（1）與導(dǎo)熱問(wèn)題的第三類(lèi)邊界條件式（2）有什么區(qū)別？（1）（2）HeatTransfer1、式（1）與導(dǎo)熱問(wèn)題的第三類(lèi)邊界條件式（2）有什么區(qū)別？H（1）（2）式（1）中的h是未知量，而式（2）中的h是作為已知的邊界條件給出，此外（2）中的

為固體導(dǎo)熱系數(shù)而此式為流體導(dǎo)熱系數(shù)。HeatTransfer（1）2、由對(duì)流換熱微分方程知，該式中沒(méi)有出現(xiàn)流速，有人因此得出結(jié)論：表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h與流體速度場(chǎng)無(wú)關(guān)。試判斷這種說(shuō)法的正確性?HeatTransfer2、由對(duì)流換熱微分方程知，該式這種說(shuō)法不正確，因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流體速度，即要獲得流體的溫度場(chǎng)，必須先獲得其速度場(chǎng)，“流動(dòng)與換熱密不可分”。因此表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)必與流體速度場(chǎng)有關(guān)。HeatTransfer這種說(shuō)法不正確，因?yàn)樵诿枋隽鲃?dòng)的能量微分方程中，對(duì)流項(xiàng)含有流3、對(duì)流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘性很大的油和Pr數(shù)很小的液體金屬？為什么？HeatTransfer3、對(duì)流換熱邊界層微分方程組是否適用于粘性很大的油和Pr數(shù)很解：對(duì)于粘度很大的油類(lèi)，Re數(shù)很低，速度邊界層厚度與x為同一數(shù)量級(jí)，因而動(dòng)量微分方程中與為同一量級(jí)，不可忽略，且此時(shí)由于δx~x速度u和v為同一量級(jí)，y方向的動(dòng)量微分方程不能忽略。對(duì)于液態(tài)金屬，Pr很小，速度邊界層厚度與溫度邊界層厚度相比，速度邊界層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度邊界厚度，在邊界層內(nèi)，因而能量方程中不可忽略。因此，對(duì)流換熱邊界層微分方程組不適用于粘度大的油和Pr數(shù)很小的液態(tài)金屬。解：對(duì)于粘度很大的油類(lèi)，Re數(shù)很低，速度邊界層厚度與x為同一HeatTransfer§6-1

管內(nèi)受迫對(duì)流換熱學(xué)習(xí)對(duì)流換熱的目的：

會(huì)計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h,解決工程實(shí)際問(wèn)題。各類(lèi)熱力管道（熱水及蒸汽管道等）、換熱器……HeatTransfer§6-1管內(nèi)受迫對(duì)流換熱學(xué)習(xí)對(duì)一、定性分析（基本概念）1.進(jìn)口段與充分發(fā)展段1>.流動(dòng)進(jìn)口段：從管口開(kāi)始到流動(dòng)狀志定型之間的距離。此時(shí)：

u=f（x,r）

流動(dòng)充分發(fā)展段：進(jìn)口段后，流態(tài)定型，流動(dòng)已得到充分發(fā)展。此時(shí)：

r=0；u/x=0，但u/y≠0。一、定性分析（基本概念）HeatTransfer充分發(fā)展段的流態(tài)判斷：HeatTransfer充分發(fā)展段的流態(tài)判斷：2>.對(duì)于換熱狀態(tài)熱進(jìn)口段：與流動(dòng)邊界層相類(lèi)似，自管口開(kāi)始經(jīng)一段距離后，熱邊界層閉合，換熱狀態(tài)達(dá)到定型的這段距離。

熱充分發(fā)展段：熱進(jìn)口段后，換熱狀態(tài)定型，已經(jīng)得到充分發(fā)展，故稱(chēng)為～。熱充分發(fā)展段后，因流體不斷換熱，流體斷面平均溫度tf隨x是不斷變化的，但分析證明，無(wú)因次溫度（tw-t）/（tw-tf）將保持不變，即：

2>.對(duì)于換熱狀態(tài)由于無(wú)因次溫度不隨x發(fā)生變化，僅是r的函數(shù)，故對(duì)無(wú)因次溫度求導(dǎo)后再令r=R，則上式顯然應(yīng)等于一常數(shù)。又據(jù)傅里葉定律：q=-（t/r）r=R及牛頓冷卻公式：q=h（tw-tf），上式變?yōu)椋簩⑸鲜鰺o(wú)因次溫度對(duì)r求導(dǎo)后且令r=R時(shí)有：上式表明：常物性流體在熱充分發(fā)展段換熱系數(shù)h保持不變。這是熱充分發(fā)展段的重要特性。由于無(wú)因次溫度不隨x發(fā)生變化，僅是r的函數(shù)，故對(duì)無(wú)因次溫流動(dòng)進(jìn)口段與熱進(jìn)口段的長(zhǎng)度不一定相等，這取決于Pr。(1)當(dāng)Pr＞1時(shí)，流動(dòng)進(jìn)口段比熱進(jìn)口段短。(2)當(dāng)Pr＜l時(shí)，情形正相反。(3)熱進(jìn)口段長(zhǎng)度L（紊流：L/d≈10-45）：層流：在常壁溫條件下L/d≈0.05RePr；在常熱流條件下L/d≈0.07RePr。(4)在Pr＝1情況下，當(dāng)流動(dòng)達(dá)到充分發(fā)展時(shí)，換熱也進(jìn)入熱充分發(fā)展段。在進(jìn)口處，邊界層最薄，hx具有最高值，隨后降低。在層流情況下，hx趨于不變值的距離較長(zhǎng)。在紊流情況下，當(dāng)邊界層轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱?，hx將有一些回升，并迅速趨于不變值。

HeatTransfer2.熱邊界層與換熱特征分析流動(dòng)進(jìn)口段與熱進(jìn)口段的長(zhǎng)度不一定相等，這取決于Pr。Heat(5)入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。因此，注意在選擇準(zhǔn)則方程計(jì)算時(shí)要注意該方程適用的管長(zhǎng)條件。HeatTransfer層流湍流2.熱邊界層與換熱特征分析(5)入口段的熱邊界層薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。HeatTran1.特征速度及定性溫度

特征速度：計(jì)算Re數(shù)時(shí)用到的流速，一般多取截面平均流速。

定性溫度：計(jì)算物性的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）。

在用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了同一截面上的速度及溫度分布后，采用下式確定該截面上流體的平均溫度：HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱平均溫差

另外，不同斷面具有不同的tf值，即tf隨x變化，變化規(guī)律與邊界條件有關(guān)。1.特征速度及定性溫度HeatTransfer（二）管2.熱邊界條件：均勻壁溫（常壁溫）與均勻熱流（常熱流）。HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱平均溫差*【湍流：除液態(tài)金屬外，兩種條件的差別可不計(jì)。層流：兩種邊界條件下的換熱系數(shù)差別明顯。】**利用以上兩個(gè)式子沿管長(zhǎng)積分，即可求得全管長(zhǎng)流體的平均溫度。2.熱邊界條件：均勻壁溫（常壁溫）與均勻熱流（常熱流）。He管內(nèi)流體平均溫度①常熱流邊界條件：如圖，此時(shí)：tw>tf經(jīng)分析：充分發(fā)展段后：tf呈線(xiàn)性規(guī)律變化tw也呈線(xiàn)性規(guī)律變化此時(shí)，管內(nèi)流體的平均溫度進(jìn)口段充分發(fā)展段txtw/tf/tw//tf//其中：tf/、tf//分別為進(jìn)出口斷面流體的平均溫度。為方便起見(jiàn)，一般仍將全管流體的平均溫度記作tf。（二）管流平均溫度換熱平均溫差管內(nèi)流體平均溫度進(jìn)口段充分發(fā)展段txtw/tf/tw//tf管內(nèi)流體平均溫度②常壁溫邊界條件：設(shè)進(jìn)出口溫差分別為△t/、△t/。經(jīng)分析有：

表明tf隨x呈對(duì)數(shù)規(guī)律變化?！鱰//txtw=Consttf/tf//△t/此時(shí)tw>tftf（x）a.若△t//△t//<2，則：b.若△t//△t//≥2，則：tf=tw±△tm其中：（二）管流平均溫度換熱平均溫差管內(nèi)流體平均溫度△t//txtw=Consttf/tf//管流平均溫差HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱平均溫差（1）常熱流邊界條件：（2）常壁溫邊界條件：管流平均溫差HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱管流平均溫度HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱平均溫差（1）常熱流邊界條件：（2）常壁溫邊界條件：稱(chēng)對(duì)數(shù)平均溫差.

管流平均溫度HeatTransfer（二）管流平均溫度換熱HeatTransfer（三）物性場(chǎng)不均勻1.對(duì)于液體：主要是粘性隨溫度而變化t↑?μ↓流體平均溫度相同的條件下，液體被加熱時(shí)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于液體被冷卻時(shí)的值。加熱氣體或冷卻液體一般有：↑→曲線(xiàn)1變成2→邊界層加厚→h↓冷卻氣體或加熱液體一般有：↓→曲線(xiàn)1變成3→邊界層變薄→h↑另外：t變化會(huì)引起、、cp等變化→h產(chǎn)生波動(dòng)。HeatTransfer（三）物性場(chǎng)不均勻1.對(duì)于液體：主HeatTransfer（四）管子的幾何特征1.管長(zhǎng)入口段的長(zhǎng)短對(duì)管道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)產(chǎn)生影響。一些經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)管長(zhǎng)范圍有規(guī)定，引入管長(zhǎng)修正系數(shù)修正管長(zhǎng)對(duì)換熱的影響。2.管徑在不改變流速和溫度的條件下，采用小直徑管能夠提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。3.彎管彎管形成二次流，有利于換熱，但阻力損失同時(shí)增加。4.粗糙管粗糙點(diǎn)能增強(qiáng)換熱，但是阻力系數(shù)增加，泵的能耗增加。HeatTransfer（四）管子的幾何特征1.管長(zhǎng)（1）實(shí)用上使用最廣的是迪圖斯－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。HeatTransfer二.管內(nèi)對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式1.紊流換熱（1）實(shí)用上使用最廣的是迪圖斯－貝爾特公式：HeatTraHeatTransfer實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：此式適用于流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合。在有換熱條件下，截面上的溫度并不均勻，導(dǎo)致速度分布發(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)換熱的影響溫差修正當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。HeatTransfer實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：在有換熱條件下，截面HeatTransfer因此，在大溫差情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊要乘以物性修正項(xiàng)。HeatTransfer因此，在大溫差情況下（2）采用齊德－泰特公式：

HeatTransfer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：（2）采用齊德－泰特公式：HeatTransfer（3）采用米海耶夫公式：HeatTransfer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：（3）采用米海耶夫公式：HeatTransfer定性溫度為HeatTransfer（4）采用格尼林斯基公式：對(duì)液體對(duì)氣體HeatTransfer（4）采用格尼林斯基公式：對(duì)液體對(duì)HeatTransferl為管長(zhǎng);f為管內(nèi)湍流流動(dòng)的達(dá)爾西阻力系數(shù)：范圍為：（4）采用格尼林斯基公式：HeatTransferl為管長(zhǎng);范圍為：（4）采用格尼林HeatTransfer公式用于氣體或液體時(shí)，表達(dá)式可進(jìn)一步簡(jiǎn)化如下：對(duì)氣體：范圍為：（4）采用格尼林斯基公式：HeatTransfer公式用于氣體或液體時(shí)，表達(dá)式可進(jìn)一HeatTransfer對(duì)液體：范圍為：（4）采用格尼林斯基公式：HeatTransfer對(duì)液體：范圍為：（4）采用格尼林斯上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。（1）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)（流體潤(rùn)濕的流道周邊）。HeatTransfer上述準(zhǔn)則方程的應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大。HeatTransfe

HeatTransfer（2）入口段當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比l/d<60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)，入口段的傳熱系數(shù)較高。有以下入口效應(yīng)修正系數(shù)：HeatTransfer（2）入口段HeatTransfer對(duì)于液體：對(duì)于氣體：彎曲管道流動(dòng)情況示意圖（3）螺旋管彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來(lái)?yè)Q熱的增強(qiáng)。螺線(xiàn)管強(qiáng)化了換熱。對(duì)此有螺線(xiàn)管修正系數(shù)：HeatTransfer對(duì)于液體：對(duì)于氣體：彎曲管道流動(dòng)情HeatTransferHeatTransfer注意：A.以上所有方程僅適用于的氣體或液體。B.對(duì)數(shù)很小的液態(tài)金屬，換熱規(guī)律完全不同。C.推薦光滑圓管內(nèi)充分發(fā)展湍流換熱的準(zhǔn)則式：HeatTransfera.均勻熱流邊界：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：注意：A.以上所有方程僅適用于的氣體或液體HeatTransfer特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑，定性溫度為流體平均溫度。b.均勻壁溫邊界:實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：HeatTransfer特征長(zhǎng)度為內(nèi)徑，定性溫度為流體2.管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式HeatTransfer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：定性溫度為全管長(zhǎng)流體平均溫度，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：2.管內(nèi)層流換熱關(guān)聯(lián)式HeatTransfer思考題1、一般情況下粘度大的流體其Pr數(shù)也較大。由對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式Nu=CRemPrn可知（m>0,n>0），Pr數(shù)越大，Nu數(shù)也越大，從而h也越大。即粘度大的流體其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也越高。這與經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)論相反，為什么？HeatTransfer思考題1、一般情況下粘度大的流體其Pr數(shù)也較大。由對(duì)流換熱的HeatTransfer解：粘度越高時(shí)，Pr數(shù)越大，但Re數(shù)越小。由一般情況下，對(duì)流換熱m>n，即n-m<0，所以粘度增加時(shí)，Nu數(shù)減少，即h減小。HeatTransfer解：粘度越高時(shí)，Pr數(shù)越大，但Re2、在流體的物性和流道截面的周長(zhǎng)相同的條件下,圓管和橢圓管內(nèi)單相流體的受迫紊流換熱,何者換熱系數(shù)大?為什么?答：橢圓管的換熱系數(shù)大。對(duì)于周長(zhǎng)相同的圓和橢圓，其中橢圓的面積小于圓的面積，而de=4f/U，則de(橢圓)<d(圓)。HeatTransferh2、在流體的物性和流道截面的周長(zhǎng)相同的條件下,圓管和橢HeatTransfer3、在一冷凝器中，冷卻水以1m/s的流速流過(guò)內(nèi)徑為10mm、長(zhǎng)度為3m的銅管，冷卻水的進(jìn)、出口溫度分別為15℃和65℃，試計(jì)算管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。解：

由于管子細(xì)長(zhǎng)，l/d較大，可以忽略進(jìn)口段的影響。冷卻水的平均溫度為

:從附錄中水的物性表中可查得.HeatTransfer3、在一冷凝器中，冷卻水以1m/HeatTransferλf=0.635W/m.k