单相流体对流传热.ppt

第六章单相流体对流传热 6 1管内受迫对流换热6 2外掠圆管对流换热6 3自然对流换热 2 27 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 内部强制对流在工程上有大量应用 暖气管道 各类热水及蒸汽管道 换热器等 内部强制对流与外部强制对流 管槽内部强制对流受流道壁面的约束 边界层的发展受到限制 注意与外掠等温平板强制对流的区别 3 27 一 进口段与充分发展段 流动亦分为层流和紊流 管内临界雷诺数Rec 2300 Re10000 旺盛湍流区2 流动充分发展段 径向速度分量v为零 轴向速度u不再随x变化 概念 流体从进入管口开始 经过一段距离后 管内断面流速分布和流动状态才能定型 这段距离称为进口段 此后即为流动充分发展段 其流动状态由Re数确定 主要特点 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 4 27 若存在热交换 管内流体平均温度tf将不断变化 壁面温度tw也将发生变化 变化规律取决于边界条件的类型 如常见的 恒热流和恒壁温 与流动进口段一样 管内对流换热也存在热进口段和热充分发展段 热充分发展段性质 一 进口段与充分发展段 常物性流体在热充分发展段性质 表面对流传热系数hx保持不变 流动进口段与热进口段长度取决于Pr数 Pr 1 流动进口段短 Pr 1 热进口段短 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 5 27 入口段长度l 层流 l d 0 05RePr 常壁温 l d 0 07RePr 常热流 湍流 l d 10 45入口段热边界层厚度薄 局部表面传热系数大 层流Rex 2300 湍流 一 进口段与充分发展段 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 层流底层 紊流层 6 27 1 平均流速 二 管内流体平均流速与平均温度 2 平均温度 确定物性及换热温差 1 断面方向平均温度 须已知断面速度及温度分布 2 管长方向平均温度 dx管段流体获得热量 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 7 27 二 管内流体平均流速与平均温度 2 平均温度 断面方向和管长方向 2 管长方向平均温度分别整理上式 常热流边界 q const 在常热流边界条件下 充分发展段管壁温度 流体温度均呈线性变化 且两者变化速率相等 进口段受边界层影响 h不断变小 故流体与壁面温差逐渐变大 在计算平均温差时 取进口和出口两端温差 t 和 t 的算术平均值作为全管长流体与壁面的平均温差 tf变化 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 8 27 二 管内流体平均流速与平均温度 2 平均温度 断面方向和管长方向 常壁温边界 tw const 上式沿管长0到x积分 流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化 那么全管长流体与壁面平均温差 tm 对数平均温差 tm 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 9 27 三 物性场不均匀性 当流体与管壁之间的温差较大时 管截面上流体温度变化较大 尤其是黏性随温度的变化 导致管截面上流体速度的与等温流动不同 进而影响流体与管壁之间的热量传递 1 等温流2 冷却液体或加热气体3 加热液体或冷却气体温度的变化 还会引起密度不同 必然产生自然对流 从而影响流动及换热 对大管径 低流速或大温差时应预关注 6 1管内受迫对流换热 1 1一般分析 10 27 1 2管内对流换热的实验关联式 通式 迪图斯 贝尔特公式 式中 定性温度取为全管长平均温度 特征流速为管内平均流速 特征尺寸为管内径 非圆截面管 特征长度取为当量直径de 4Ac P Ac为截面积 P为湿周 加热流体n 0 4冷却流体n 0 3 得到Nu或h后 即可根据牛顿冷却公式计算管内湍流强制对流换热量或热流密度 适用范围 l d 10的光滑圆管紊流流动充分发展段 流体与壁面具有中等以下的温差 气体 50 水 20 30 油 10 Ref 104 Prf 0 7 160 对于恒壁温 恒热流边界条件均适用 不适用于Pr数很小的液态金属 一 紊流换热关联式 6 1管内受迫对流换热 11 27 希得 塔特关联式 紊流换热修正关联式 一 紊流换热关联式 格尼林斯基关联式 气体 液体 适用条件 适用条件 1 2 6 1管内受迫对流换热 1 2管内对流换热的实验关联式 12 27 根据光滑圆管紊流传热通用公式 可知 h的影响因素 密度和速度均为0 8次方 影响最大 影响较大的因素其次是导热系数 比热容 这也反映了同等条件下 水的对流换热系数要比空气大 在流速和温度不变前提下 小管径能提高换热系数 如圆管改成椭圆管 增加速度可提高换热系数 如流速由1m s提高到1 5m s 换热系数增加40 然而 增加流速同时会引起流动阻力上升 须综合考虑 迪图斯 贝尔特公式 一 紊流换热关联式 6 1管内受迫对流换热 1 2管内对流换热的实验关联式 13 27 结题思路 1 首先根据给定条件选择合适的关联式 a 管内流动 b 壁面温度高于流体温度 c 流体温度范围或流体与壁面温差是否满足迪图斯 贝尔特公式 不满足则用其他经验公式 2 根据关联式 确定定性温度 定型尺寸和物性参数 同时计算Re数判断流态 3 将参数带入关联式 计算Nu数 进而求出对流换热系数 例1 一台管壳式蒸汽换热器 管内水的流速为um 0 85m s 全管长水的平均温度tf 90 管壁面温度tw 115 管长为1 5m 管内径d 17mm 试计算其表面换热系数 6 1管内受迫对流换热 14 27 式中 定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值 特征流速为管内平均流速 特征长度为管内径 管内层流换热Nu 充分发展段 管内流动入口段为层流 常见于微型动力设备 电器及仪表等空气冷却或加热过程 西得 塔特常壁温层流换热关联式 二 层流换热关联式 6 1管内受迫对流换热 1 2管内对流换热的实验关联式 15 27 解 确定定性温度tf 20 60 2 40 查物性参数 雷诺数 Re 1 18 103 2300 故为层流 选用层流换热关联式 例2 空气以2m s速度在内径为10mm的管内流动 入口处的空气温度为20 管壁温度为120 试确定将空气加热至60 时所需要的管长 将参数带入层流换热关联式 整理可得 h 10 12l 1 3 根据能量平衡方程有 6 1管内受迫对流换热 16 27 例2 空气以2m s速度在内径为10mm的管内流动 入口处的空气温度为20 管壁温度为120 试确定将空气加热至60 时所需要的管长 将参数带入层流换热关联式 整理可得 h 10 12l 1 3 根据能量平衡方程有 整理上式可得 hl 2 83 联立两式 可计算出l 0 148m 6 1管内受迫对流换热 17 27 三 管槽内部强制对流换热的强化 机理 减薄或消除热边界层 措施 增加流速 增加内壁粗糙度 内肋管 内螺纹管 弯管 扭曲管等 注意 强化传热的措施往往引起流动阻力的增加 其输送能耗必然增加 需要综合考虑 对流传热场协同作用 6 1管内受迫对流换热 1 2管内对流换热的实验关联式 18 27 四 微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热 MEMS 特征尺度10 6m 10 3m 流动与传热存在尺度效应 克努森数 Kn l Kn 0 001 连续介质区0 001 Kn 0 1 速度滑移与温度跳跃区0 1 Kn 10 过渡区Kn 10 自由分子区 特点 控制过程的作用力影响显著变化 表面粗糙度影响显著变化 壁面导热影响明显 流体的可压缩性 气体的稀薄性 纳米流体 基础流体中添加纳米尺度颗粒构成的复合流体 式中 是流体分子平均自由程 L是系统的长度尺度 6 1管内受迫对流换热 1 2管内对流换热的实验关联式 19 27 作业 1 水以um 1 5m s的速度流过内径d 25mm的加热管 管内壁温度保持恒定且tw 100 水的进口温度为15 若使水的出口温度达到85 求单位管长的换热量 可不考虑管长修正 注意温差选用 Nu 343 4 h 9 05 q 28 7 2 一套管式换热器 管外壁温度保持在100 初温为25 质量流量为0 8kg s的水从套管换热器的环形空间中流过 换热器外壳绝热良好 环形夹层内管外径为40mm 外管内径为60mm 试确定把水加热到55 时所需的套管长度 及管子出口截面处的局部热流密度 Nu 93 3 h 2962 3 q 100176 l 4 4853 例题6 2 一班同学假设tf 110 120 二班同学假设tf 150 160 6 1管内受迫对流换热 20 27 外部流动 换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展 不受邻近壁面的约束 外掠平壁 横掠单管 外掠球体 横掠管束 一 横掠单管对流换热 流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面 流动具有边界层特征 还会发生绕流脱体现象 一般来说 脱流强化了传热 但是增加阻力损失 6 2外掠圆管对流换热 横掠单管绕流的特点 逆压梯度是造成流动分离的直接原因 压力减小 压力增加 21 27 横掠单管绕流的特点 一 横掠单管对流换热 6 2外掠圆管对流换热 22 27 横掠单管绕流对流换热的特点 一 横掠单管对流换热 hx的变化规律 1 在0 位置 流体速度最大 因此该位置局部换热系数相对较大 2 层流 随着层流边界层发展 hx逐渐变小 一直到脱体点最小 随后逐渐回升 3 紊流 hx第一极小点位置是层流边界层向紊流边界过渡点 hx第二极小点是脱体点 hx最大点是紊流完全发展区 6 2外掠圆管对流换热 23 27 横掠单管对流换热实验关联式 式中 C n的值见教材表6 1 定性温度tm tw t 2 特征长度为管外径d 特征速度为来流速度u 分段幂次关联式 一 横掠单管对流换热 圆柱体绕流对流换热的局部表面传热系数不仅与Re Pr相关 而且与流动分离相关 平均表面传热系数的实验关联式采用基于不同Re范围的分段幂次函数表示 6 2外掠圆管对流换热 24 27 纵掠单管对流换热如何考虑 可视为长l 宽 d的外掠平板 外掠球体对流换热实验关联式 式中 定性温度为来流温度 特征流速为来流速度 特征长度为球直径 适用于 Pr 0 71 380 Re 3 5 7 6e 4 补充 6 2外掠圆管对流换热 25 27 横掠管束流动的特点 1 分为叉排和顺排两种形式 换热器中常用 2 除第一排管子保持了外掠单管的特征外 从第二排起流动将被前几排管子引起的涡旋所干扰 流动复杂 3 一般说叉排扰动大 换热强 但阻力损失大 顺排扰动小 换热弱 但是阻力小 4 Re2 105后为紊流 5 影响换热因素 管子排列方式 管子排数 管子直径及管间距 行距S1 列距S2 6 前排扰动加强了后排的换热 故后排管子换热系数高 为第一排的1 3 1 7倍 二 横掠管束对流换热 6 2外掠圆管对流换热 26 27 式中 S1 S2为相对管间距 z为排数影响校正系数 定性温度tm 进出口流体平均温度定型尺寸为管外径 Re计算时特征流速取为最窄截面的平均流速 横掠管束对流换热实验关联式 或用茹卡乌斯卡斯关联式顺排 叉排两类 二 横掠管束对流换热 带肋管束壳管式换热器及通风空调的冷