《传热学》第四版课件第6章.ppt

Ifyoudon tlikesomething changeit Ifyoucan tchangeit changeyourattitude Chapter6 CorrelationsofSingle PhaseConvectionHeatTransfer Externalforcedconvection PrimaryContents 内部的 Internalforcedconvection 外部的 Naturalconvection Applicationofsimilaritytheory 相似原理 6 2 Applicationofsimilaritytheory Vocabulary referencetemperature 定性温度 characteristicdimension 特征长度 characteristicvelocity 特征速度 characteristicnumbers 特征数 Applicationofsimilaritytheory c m n 最小二乘法 把实验结果整理成准则间的关联式 通过实验数据确定c和n 通过实验数据确定c m和n 1 保持Re不变 用不同种类流体进行实验 以确定m 62 1 15 40 200 2 以为纵坐标 在不同Re下进行实验 以确定c和m characteristicnumbers 浙江大学2004年考研试题 无量纲数称为 其物理意义是 普朗特数 动量扩散与热量扩散能力的对比 Thosemustbepayattentionto characteristicdimension 特征长度 准则数中规定的几何尺度 反应了流场的几何特征 对不同的流场 特征长度是不同的 外掠平板 长度 管内流动 内径 不规则通道内流动 当量直径 外掠单管或管束 外径 Thosemustbepayattentionto characteristicdimension characteristicvelocity 特征长度 特征速度 Re中用到的流速 反应了流场的流动特性 对不同的流场 特征流速是不同的 外掠平板 来流速度 管内流动 截面平均流速 外掠单管 来流速度 外掠管束 最小截面平均流速 Thosemustbepayattentionto characteristicdimension characteristicvelocity 特征长度 特征速度 referencetemperature 定性温度 用以确定流体物性数值的温度 对不同的流场 定性温度是不同的 外部流动 来流温度与壁面温度的平均值 内部流动 进 出口温度的平均值 Thosemustbepayattentionto characteristicdimension characteristicvelocity 特征长度 特征速度 referencetemperature 定性温度 theapplicability 适用范围 不能推广到得到该方程的实验参数范围以外 6 3 CorrelationsofInternalForcedConvection laminarflow 层流 turbulentflow 湍流 entranceeffects 入口效应 equavilentdiameter 当量直径 wettedperimeter 湿周长度 Flowage Laminarflow 流动状态 Transitionflow Fullydevelopedturbulentflow Entranceeffects Laminarflow Turbulentflow 为什么x位置处h总是大于hx 工程技术中常常利用入口段换热效果好的特点来强化设备的换热 thermalboundaryconditions forconstantheatflux forconstanttw qw const tw const Correlationsforforcedturbulentflow FluidPr 0 6 1 DittusandBoelterrelation 迪图斯 贝尔特公式 6 15 characteristicdimension Innerdiameter characteristicvelocity averagevelocityofthecross section referencetemperature 判断对错 管内湍流换热 Re越大 则对流的表面传热系数也越大 在流速和物性参数不变时 为了强化换热 采用直径大的管子好 还是采用直径小的管子好 在流量和物性参数不变时 为了强化换热 采用直径大的管子好 还是采用直径小的管子好 Influenceoftemperature 2 3 1 Isothermalflow 2 gasheating liquidcooling 3 gascooling liquidheating ModifiedDittusandBoelterrelation gasheating gascooling liquid 6 16a 6 16b 6 17 Entranceeffects Non circularcrosssection de equavilentdiameter mAc cross sectionalareaoftheflow m2P wettedperimeter m 当量直径 湿周长度 6 18 6 19 2 Gnielinskiequation 6 21a 6 21b Forgas 6 21c Forliquid liquidmetal 液态金属 6 24 6 25 Correlationsforforcedlaminarflow SiederandTaterelation 齐德 泰特公式 6 26 Example 水以1 2m s的流速流过内径为20cm的长直管 如果 1 管子的壁温为75 水从20 加热到70 2 管子壁温为15 水从70 冷却到20 试计算两种情况下的表面换热系数 并讨论造成差别的原因 Solution Determinethewaterproperties FromAppendix9 wehave 1 Forwaterheating wehave 2 Forwatercooling wehave Example Airat27 and1atmentersasmoothtubehavingadiameterof2cmandlengthof10cm Theairvelocityis40m s Whatconstantheatfluxmustbeappliedatthetubesurfacetoresultinanairtemperatureriseof5 Whataveragewalltemperaturewouldbenecessaryforthiscase Solution Determinetheairproperties FromAppendix5 wehave 1 Heatfluxappliedatthetubesurface Themassflowis Sothetotalheattransferis Thesurfaceareais Sotheheatfluxis 2 Averagewalltemperature Reynoldsnumbers because Theentranceeffectsmusttobeconsidered So Because So Thetemperaturedifferencemodifymusttobeconsidered Because So 小结 流动与换热的特点 层流 湍流 入口段 充分发展段 两种边界条件 实验关联式 说明 特征长度 内径d 非圆截面管道为de 特征流速 管内平均流速 定性温度 应用范围 管内湍流强制对流 流体与壁面具有中等温差 变物性影响的修正 a n的取值 流体被加热取0 4 被冷却取0 3 b 温差修正系数ct n 0 4 强化管内对流传热的方法 6 15修正后 forcedturbulentflow Pr 0 6 Gnielinskiequation forcedturbulentflow 6 21a SiederandTaterelation forcedlaminarflow 6 26 6 4 CorrelationsofExternalForcedConvection flowacrosssingletube 横掠单管 in linetuberows 顺排 staggeredtuberows 叉排 externalforcedconvection 外部强制对流 Flowcharacteristics Stagnationpoint Separationpoint 驻点 分离点 localheattransfercoefficient laminarflow turbulentflow 要想得到好的换热效果 纵向冲刷管好还是横向冲刷管好 为什么 Correlations flowacrosssingletube 横掠单管 6 28 NoncircularCylinders Correlations flowacrosssingletube 6 29 2 Churchill Bernsteinequation 邱吉尔 朋斯登公式 FlowAcrossTubeBanks Arrangement s2 s1 d s2 s1 d in linetuberows staggeredtuberows 顺排 叉排 外掠管束 Manyheat exchangerarrangementsinvolvemultiplerows tubebanks InfluencingFactors Re Pr Arrangement Spacelength Rows 若想增强换热 管排数多一点好 还是少一点好 ZhukauskasRelation 茹卡乌斯卡斯关联式 Modifiedcoefficient 旧版的书上是10排以下修正 特征流速 Example Airat1atmand35 flowsacrossa5 0cmdiametercylinderatavelocityof50m s Thecylindersurfaceismaintainedatatemperatureof150 Calculatetheheatlossperunitlengthofthecylinder Solution Determinetheairproperties FromAppendix5 wehave Reynoldsnumbers FromtheTable Theheattransferperunitlengthis 例6 5 在一锅炉中 烟气横掠4排管组成的顺排管束 已知管外径d 60mm s1 d s2 d 2 烟气平均温度tf 600 tw 120 烟气通道最窄处平均流速u 8m s 试求管束平均表面传热系数 Solution Determineproperties FromAppendix6 wehave Reynoldsnumbers FromAppendix6 wehave Modifiedcoefficient 小结 外掠单管 存在绕流脱体现象Re 10时不出现脱体Re 10 1 5 105时边界层为层流 脱体角为80 85 Re 105时边界层为湍流 脱体角为140 1 流动与换热特点 注意 特征长度 管外径d 特征流速 来流速度u 定性温度 应用范围 对气体和液体均适用 非圆截面管道 公式不变 C n取值不同 6 28 flowacrosssingletube 2 实验关联式 Churchill Bernsteinequation flowacrosssingletube 6 29 注意 特征长度 管外径d 特征流速 来流速度u 定性温度 应用范围 横掠管束 1 流动与换热特点 管束的排列方式有顺排和叉排之分 顺排易形成管子后部的滞止区 表面传热系数较小 但易于清洗 叉排使流体在管间通道内流体的扰动大大加剧 换热增强 但阻力损失亦增大 后排管易受到前排管尾流的影响 排数越多 扰动加剧 换热增强 注意 特征长度 管外径d 特征流速 最小截面处平均流速 定性温度 进出口流体的平均温度 PrW 管束的平均壁温 应用范围 管排数 16 影响对流换热表面传热系数h的因素 2 实验关联式 P261表6 7 6 8 茹卡乌斯卡斯公式 6 5 CorrelationsofNaturalConvection naturalconvectioninenclosures 有限空间自然对流 buoyancy 浮升力 Grashofnumber 格拉晓夫数 naturalconvectioninaninfinitespace 大空间自然对流 naturalconvectioninaninfinitespace 大空间自然对流 naturalconvectioninenclosures 有限空间自然对流 Characteristics Duetodensitychanges Drivingforce buoyancy 浮升力 Lowvelocity Temperatureandvelocitydistribution turbulentandlaminarflow Governingequations thex directionmomentumequation Grashofnumber 格拉晓夫数 GrashofnumberinnaturalconvectionisanalogoustotheReynoldsnumberinforcedconvection Grashofnumberindicatestheratioofthebuoyancyforcetotheviscousforce HigherGrnumbermeansincreasednaturalconvectionflow 6 34 Correlationsfornaturalconvectioninaninfinitespace Constantwalltemperature 6 37 Forverticalcylinder 6 39 6 40 Constantheatflux Usethecorrelationsforconstantwalltemperature Specialcorrelations 6 43 6 44 上海交大2002年考研题 大空间自然对流的换热准则关联式中不出现Re数 试问下面哪种解释是正确的 A 不考虑粘性力的影响 B 不考虑惯性力的影响 C Re是待定准则 D 此时没有流速分布 Example Achimneyhavingadiameterof15cmismaintainedataconstanttemperatureof110 Thechimneyisexposedtoairat1atmand10 Theverticalpartofthechimneyis1 5mhighandthelengthofthehorizontalpartis15m Calculatetheheattransferbyconvection 烟囱 Solution Determinetheairproperties FromAppendix5 wehave HeatTransferredfromverticalsurfaces HeatTransferredfromhorizontalsurfaces Totalheattransfer 小结 流动与换热的特点 实验关联式 大空间自然对流 1 均匀壁温 6 37 注意 特征长度 竖壁和竖圆柱 高度横圆柱 外径定性温度 判断层流与湍流的准则数 体胀系数 a 竖壁 竖圆柱 横圆柱 b 水平板 热面向上 冷面向下 6 39 热面向下 冷面向上 6 40 注意 特征长度 定性温度 实验关联式 大空间自然对流 2 均匀热流 6 43 注意 特征长度 短边长定性温度 6 44 地面上按自然对流设计的换热装置 在太空中能正常工作吗 为什么摩托车手膝盖需要特别保温 Example1 试分析管内湍流强制对流换热 流速增加一倍时表面传热系数h如何变化 管径缩小一半 流速等其他条件不变时 h如何变化 管径缩小一半 体积流量等其他条件不变时 h如何变化 Solution velocityincreaseddouble diameterreducedbyhalf constantv