第4章 - 对流换热-2.ppt

1 第四章对流传热的理论基础和工程计算 一 对流传热的理论基础 二 对流传热的工程计算 管槽内强迫对流传热4 5外部强迫对流传热4 6 不做要求 自然对流传热4 7 熟悉它们的特点及影响因素 掌握利用特征数方程式进行对流传热计算 2 一 管槽内强迫对流传热 4 5节 二 对流传热的工程计算 管槽的截面 圆形 内径d非圆形 当量直径de 3 一 管槽内强迫对流传热 4 5节 1 概述 流态 二 对流传热的工程计算 流动与换热特征 流动边界层 受流动空间限制 热边界层 层流流动 4 管内流动 速度边界层及速度分布曲线 一 管槽内的强制对流传热 层流 旺盛湍流 内部流动的首要问题 确定流动入口段 取决于流态 湍流流动 层流流动 5 局部表面传热系数沿管长的变化 一 管槽内的强制对流传热 常物性流体hx 常数 常物性流体hx 常数 流动和换热同时达到充分发展段 管内对流传热 层流 湍流 6 a 恒热流边界条件 b 恒壁温边界条件 流体截面平均温度沿管长的变化规律 一 管槽内的强制对流传热 tm 沿整个换热面的积分平均值热边界条件不同 取法不同 线性变化 指数函数变化 管壁与流体间的平均温差 7 关于管槽内强迫对流传热实验关联式的说明 一 管槽内的强制对流传热 8 1 层流对流传热 一 管槽内的强制对流传热 2 管槽内强制对流传热计算 齐德 泰特Sieder Tate公式 理论分析 常物性流体hx 常数 9 管内层流换热的实验关联式 充分发展段的层流对流传热 考虑自然对流影响的管内层流强迫对流传热 需要指出的是 只有在管径和温差均较小而粘性又较大 流速又较低时才有可能出现严格的层流传热 其它情况下往往伴随着自然对流传热 特别是在石油工程中 这种混合对流传热的情形更为常见 实验关联式为 式中 Grf称格拉晓夫数 实验验证范围 GrfPrf 5 102 Ref 2000 10 12 2 管槽内强制对流传热计算 2 湍流对流传热 适用范围 1 迪特斯 波尔特 Dittus Boelter 公式 长管 直管 中等温差 一 管槽内的强制对流传热 湍流边界层具有三层结构模型 热阻集中在层流底层 层流底层厚度极薄 温度梯度很大 湍流的换热强度远超过层流 湍流换热剧烈 热边界层条件的影响可忽略不计 液态金属除外 工程中最为常见 13 2 管槽内强制对流传热计算 2 湍流对流传热 适用范围 1 迪特斯 波尔特 Dittus Boelter 公式 长管 直管 中等温差 一 管槽内的强制对流传热 14 如何有效地强化传热 2 管槽内强制对流传热计算 2 湍流对流传热 15 几点说明 一 管槽内的强制对流传热 范围扩大 进行修正 16 入口段效应 入口段的传热效果好 表面传热系数较高 管子较短时 必须考虑入口段的影响 一 管槽内的强制对流传热 17 弯管效应 当流体在弯曲管道内流动时 由于离心力的作用 会产生垂直于主流方向的二次环流 加强了管内边界层的扰动和混合 从而使换热增强 弯管曲率半径R越小 流速越大 二次环流的影响越大 一 管槽内的强制对流传热 弯管的二次环流 18 流体物性随温度变化的影响 流体温度场的不均匀 会引起物性场不均匀 其中粘度随温度的变化最大 粘度场的不均匀会影响速度场 因此影响对流传热 一 管槽内的强制对流传热 液体 主要是粘性随温度变化 气体 除粘性 还有密度和热导率等 速度畸变 19 管内湍流对流传热 其他实验关联式 适用范围 2 齐德 泰特Sieder Tate公式 一 管槽内的强制对流传热 20 3 格尼林斯基Gnielinski公式 适用范围 阻力系数 物性随温度变化的修正系数 一 管槽内的强制对流传热 管内湍流对流传热 其他实验关联式 迄今计算准确度最高的实验关联式 21 以上所有方程仅适用于Pr 0 6的气体或液体 对于Pr数很小的液态金属 换热规律完全不同 推荐光滑圆管内充分发展湍流传热的准则式 均匀热流边界实验验证范围 均匀壁温边界实验验证范围 特征长度 内径定性温度 流体平均温度 22 由于流动的不稳定性 与层流和湍流相比 很难找到既简便又精确的计算公式 在工程设计上 从系统可靠性而言 如果有可能也往往避开过渡区 豪森Hausen推荐公式 适用范围 2300 Ref 6000特别适用于粘性流体 3 过渡流对流传热 2 管槽内强制对流传热计算 一 管槽内的强制对流传热 入口段效应 23 强迫对流传热计算的步骤 1 首先判断所求问题是哪一类换热 有相变or无相变 自然对流or强制对流 内部流动or外部流动 各类对流传热都有专用的实验关联式 非常重要 2 正确选择定性温度 特征尺度和特征速度 3 计算Re数 判断流态 选择合适的实验关联式进行计算 注意事项 三大特征量的选取 牛顿冷却公式中的温差定义 关联式计算的是 局部hx还是平均h 实验关联式的适用范围 原则上不能外推 范围扩大必须进行修正 一 管槽内的强制对流传热 24 25 二 外部强迫对流传热 4 6节 例子 很多 空气纵掠飞机机翼 摩托车引擎的壳体 风吹过热力管道 太阳能集热器表面 地面 锅炉烟气掠过管束 流体横掠管束等等 1 流体外掠平板2 流体横掠单管 二 对流传热的工程计算 外部流动 换热壁面上的流动边界层与热边界层能够自由发展 不会受到邻近壁面存在的限制 26 局部表面传热系数的变化趋势 边界层加厚 导热 流体扰动加剧 边界层加厚 1 流体外掠平板 缓冲层 湍流核心 二 外部强迫对流传热 27 流态的判断 雷诺准则Re数 临界距离xc 边界层从层流开始向湍流过渡的距离 其大小取决于流体的物性 固体壁面的粗糙度等几何因素以及来流的稳定度 由实验确定的临界雷诺数Rec给定 二 外部强迫对流传热 流体外掠平板 28 二 外部强迫对流传热 流体外掠平板 1 层流对流传热 l 1 定性温度 热边界层的平均温度tm 2 特征长度 下角标x 长度x 下角标l 板长l 3 特征速度 来流速度u 29 二 外部强迫对流传热 流体外掠平板 2 湍流对流传热 30 二 外部强迫对流传热 流体外掠平板 31 恒热流平板 恒热流平板湍流边界层内的局部努塞尔数比恒壁温情况高约4 二 外部强迫对流传热 流体外掠平板 恒热流加热或冷却在工程中有广泛的应用背景 如电子元器件的散热 需要计算壁面温度 试算法 32 2 流体横掠单管 1 流动和传热特点所谓横掠单管 是指流体沿着垂直于管道轴线的方向流过管道的外表面 当流体横向掠过单管时 流体接触管面后从上 下两侧绕过 并在管壁上形成边界层 有层流和湍流两种 但流体沿曲面流动与沿平面流动不同 由于沿程流体压力的变化 壁面上的边界层会产生脱离现象 分离点后的流体产生涡街 流体流动状态与雷诺数Re有关 来流速度 圆管外直径 流体的运动粘度 二 外部强迫对流传热 33 实验表明 Re5 流体绕流圆柱时边界层发生脱体现象 形成涡街 这是由于粘性流体流过圆柱时流速和压力的变化造成的 脱体点的位置取决于Re数大小 边界层为层流 脱体点在 80 85 处 边界层先从层流转变为湍流 流体的动能较大 脱体点向后推移到 140 处 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 34 1 2 3 4 5 6 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 35 对流传热规律 取决于边界层的发展和分离 局部表面传热系数h 变化呈现复杂的细节 随 角和Re数而变化规律如图所示 当Re数较小时 边界层为层流 Nu 随 角的增加而减小 随着边界层分离出现涡流 Nu 回升 当Re数较大时 边界层出现湍流 Nu 有两次回升 第一次因层流转变为湍流 第二次由于边界层脱体 注意 脱体点处的局部表面传热系数最小 换热最差 平均表面传热系数h 具有明显的渐变规律 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 层流 湍流 36 表4 3式中常数C和 n的数值 分段 2 流体横掠单管对流传热的实验关联式 1 定性温度 流体与壁面的平均温度tm 即 2 特征长度 圆管外直径d 3 特征速度 来流速度uf 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 37 表4 4式中常数C和 m的数值 分段 流体横掠单管对流传热的实验关联式 1 定性温度 以壁温tw确定Prw 其他按主流温度选取 2 特征长度 圆管外径d 3 特征速度 来流速度uf 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 38 流体横掠单管对流传热的实验关联式 1 定性温度 热边界层平均温度 2 特征长度 圆管外径d 3 特征速度 来流速度uf 二 外部强迫对流传热 流体横掠单管 例题4 6第115 116页 39 3 流体横掠管束 更为复杂 叉排的平均表面传热系数要比顺排大 但流动阻力也比顺排大 计算采用准则方程式进行 注意 1 特征速度umax为流体的最大流速 2 特征长度取管外径d 3 对于流体沿轴向流过管束时的换热系数 可采用管内湍流换热公式 但特征长度应取当量直径de 二 外部强迫对流传热 40 41 强迫对流传热的典型计算题 一 计算表面传热系数 二 计算对流传热面积A或管长l 三 计算流体温度 试算法关键 计算表面传热系数h 二 对流传热的工程计算 第一类 求表面对流传热系数h 关键选实验关联式一 确定定性温度 查出流体物性参数 二 计算过程 1 求Re数 判断流态 2 选择合适的实验关联式 3 计算Nu数 求出表面传热系数h 42 强迫对流传热的典型计算题 二 对流传热的工程计算 例题4 3 第108 109页 第二类 求换热面积A或长度L 关键求h一 求解表面传热系数h 二 根据热平衡方程 求得A或L 三 校核管长 L d 60是否成立 否则管长修正 43 强迫对流传热的典型计算题 二 对流传热的工程计算 例题4 4 第109 110页 第三类 求流体温度tf 或tf 采用试算法1 先假定一个温度tf 或tf 2 以tf为定性温度 计算h 3 根据热平衡方程 求出tf 计算值 4 与假定值比较 若满足精度 结果可靠 否则以tf 计算值为假定值 重复计算 直至满足精度 44 强迫对流传热的典型计算题 二 对流传热的工程计算 例题4 5 第110 111页 管内强迫对流传热 试算法的应用 在对流传热的计算中试算法是经常遇到的 除了流体出口温度未知需要采用试算法外 还需采用试算法的情形包括 1 管长未知 可先按长管计算 求出表面传热系数h 后 根据热平衡算出管长 若L d 60 计算有效 否则 求得cl h clh 一般试算一次即可 2 管内壁温度未知 先按ct 1求出h 然后根据热平衡求出管内壁平均温度 计算ct 则h cth 一般试算一次即可 3 流体流速未知 先假设流速u 计算Re数判断流态 选用适当公式计算出h 然后根据热平衡求出新的流速u 若u 和u 接近 计算结束 取u 或 u u 2作为计算结果 若二者相差较大 则以u 代替u 重新计算 直到接近为止 4 管内径d未知 假设管内径d 试算步骤与 3 相似 45 二 对流传热的工程计算 46 二 对流传热的工程计算 47 二 对流传热的工程计算 48 二 对流传热的工程计算 49 二 对流传热的工程计算 直管 大温差修正 管长L未知 假设长管校核 J kg K 算术平均温差 50 教材有误 51 例题 在一冷凝器中 冷却水以1m s的流速流过内径为10mm 长度为3m的铜管 冷却水的进 出口温度分别为15 和65 试计算管内表面传热系数 解 这是一个圆管内强迫对流传热问题 管壁温未知 从附录13中 查得水的物性 f 0 635W m K vf 0 659 10 6m2 s Prf 4 31 定性温度 取冷却水的平均温度 计算雷诺数 判断流态 为旺盛湍流 选择实验关联式计算h 流体被加热n 0 4 L d 3 0 01 60长直管 壁温未知 假设中等温差 校核 温差是否满足 热平衡方程 二 对流传热的工程计算 52 核对温差 对于水 中等温差 t 20 30 1 可认为在范围内 不需修正 结果 h 5803 9W mK 2 可认为是大温差 需要温度修正 查水的物性 f 653 3 10 6kg m s w 381 856 10 6kg m s 二 对流传热的工程计算 53 作业 仔细阅读例题4 3 4 4 4 5 4 74 12 管内强迫对流传热 湍流例4 3 4 15 管内强迫对流传热 层流例4 4 已知质量流量qm 求出流速u 4 18 外部强迫对流 外掠平板和横掠单管 4 20 横掠单管与自然对流 选做4 22 自然对流传热 水平部分 横管 垂直部分 竖管 选做注意 特征长度的选取4 25 自然对流传热 水平暖气管道 外径 外直径 4 26 自然对流传热 平躺散热量大些 感觉更冷 选做 二 对流传热的工程计算 55 4 7自然对流传热 1 自然对流传热的特征 1 产生原因温度差 密度差 浮升力 自然对流换热举例 输电导线 变压器 电热炉等外表面的散热 各种电子元器件表面的散热 无专门冷却设备时 各种热设备 热力管道等在环境中的散热 无风时 大量热加工工艺过程中工件的冷却等等 特点 不消耗动力 在工业和日常生活中发挥着重要作用 研究目标 确定表面传热系数 二 对流传热的工程计算 56 2 竖直壁面的自然对流传热 1 特点温度分布 单调下降速度分布 两头小 中间大 原因 贴壁处流体速度为零 边界层外端无温差 浮升力消失 二者之间有一峰值 3 换热规律从换热壁面下端开始 随着层流边界层的加厚 hx逐渐减小 当边界层从层流向紊流过渡时又增大 在旺盛湍流阶段 hx基本上不随壁面高度变化 自然对流传热 2 流态层流 下端 过渡流湍流 上端 水平圆柱周围空气的自然对流 57 tf 自然对流传热 58 3 分类根据自然对流边界层的形成和发展是否受周围空间的限制 大空间自然对流传热有限空间自然对流传热 无温差就不会有自然对流 但有温差也并非一定会引起自然对流 tw tftw tf 重点掌握 导热 导热 自然对流传热 59 边界层微分方程组 连续性微分方程 动量微分方程 能量微分方程 对流换热微分方程 稳态情况 2 自然对流传热的特征数方程 体积膨胀系数越大或温差越大 浮升力也就越大 自然对流越强 只有重力时 单位体积流体的浮升力 自然对流传热 60 3 大空间自然对流传热的实验关联式 1 恒壁温条件下 定性温度 流体与壁面的平均温度tm 即 常数c和n 主要受壁面形状 位置 流态等因素影响 由实验确定 见表4 5 自然对流传热 特征长度lc 不同情况取法也不同 具体见表4 5 61 自然对流传热 A P lc 习题4 26 62 表4 5式 4 87 中的C和n的值 壁面热流密度给定 但壁面温度未知 并且沿壁面分布不均匀 往往需要确定局部壁面温度 对于垂直壁面 引进一个修正的局部格拉晓夫数 3 大空间自然对流传热的实验关联式 2 恒热流条件下 电子 电气元件自然对流 自然对流传热 教材第120页 混合对流传热 自然对流和强迫对流同时存在的对流传热 表示浮升力与惯性力相对大小的准则 判断自然对流传热影响程度的依据 64 公式 4 57 第105页 65 4 8凝结与沸腾传热自学为主 新特点 伴有相变的对流换热1 相变对流换热的特点 1 流体饱和温度保持不变 流体发生相变 2 在相对较小温差下 达到较高强度的放热和吸热目的 2 凝结换热的定义 分类及其特点 1 膜状凝结 很好地润湿壁面铺成膜 实际应用 2 珠状凝结 小液珠 换热强烈 3 膜状凝结的主要影响因素不凝性气体 蒸汽流速及流动方向 壁面表面状况4 沸腾换热的定义 分类 按液体流动 大容器沸腾 池内 和强制对流沸腾 管内 按液体温度 过冷沸腾 液体温度低于饱和温度 饱和沸腾 液体温度等于饱和温度 5 大容器沸腾换热的四个不同区域 思考题30 35 二 对流传热的工程计算 竖壁上的凝结模式 66 凝结与沸腾传热 大气压力下饱和水在水平面上的沸腾曲线 竖直管内的沸腾传热 67 小结 重点掌握 1 对流传热的影响因素 2 对流传热的数学描述 3 边界层概念 特征及其意义 4 对流传热问题解的形式 特征数关联式 5 Nu Re Pr Gr表达式及其物理意义 6 单相流体管内强迫对流 外掠平板 横掠单管以及自然对流传热的特点及其影响因素 7 能够利用实验关联式计算对流传热问题 对流传热 68 对流传热计算需要注意的问题 1 判断问题的性质这是正确求解对流传热问题的关键 流体有无发生相变 自然对流还是强制对流 内部流动还是外部流动 层流还是湍流 2 选择正确的实验关联式特别注意公式的适用