管内受迫对流换热PPT课件

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,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。,6.1管内受迫对流换热,如何计算一台壳式蒸汽热水器的表面换热系数？,3/27,一、进口段与充分发展段(状态),充分发展段流态由Re确定，管内临界雷诺数Rec2300。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。流动的主要特点：,1.1一般分析,4/27,热充分发展段：表面对流传热系数hx保持不变。,一、进口段与充分发展段（状态）,1.1一般分析,换热的主要特点：,换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱,换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。Pr1相等Pr1流动入口段热入口段长,一、进口段与充分发展段（状态）,1.1一般分析,换热的主要特点：,6/27,入口段长度l：层流：l/d0.05RePr(常壁温);l/d0.07RePr(常热流);湍流：l/d1045d入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。,一、进口段与充分发展段（状态）,1.1一般分析,换热的主要特点：,计算h时，注意管长的适用性！,1.1一般分析,1）流体的平均流速,二、平均流速与平均温度,2）流体的平均温度（确定物性及换热温差）：,（a）断面方向流体平均温度：须已知断面速度及温度分布,1.1一般分析,二、平均流速与平均温度,（b）管长方向流体平均温度：,dx管段流体获得热量,对微元体而言,对换热过程而言,9/27,分别整理方程式：,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：,1.1一般分析,二、平均流速与平均温度,（b）管长方向流体平均温度：,常壁温边界（tw=const）：,1.1一般分析,二、平均流速与平均温度,齐次化：,上式沿管长0到x积分：,11/27,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：,常壁温边界（tw=const）：,1.1一般分析,二、平均流速与平均温度,全管长流体平均温度：,12/27,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。,1.1一般分析,三、物性场不均匀性,四、几何特征,特征长度，管径，形状，粗糙度等等,13/27,通式（迪图斯贝尔特公式）：,加热流体n0.4冷却流体n0.3,一、紊流换热关联式,1.2管内对流换热的实验关联式,三大特征量,适用范围,Re104，旺盛湍流,Pr=0.7160，包括空气、水、油,(l/d)10，平均换热系数；如果是短管则需修正,边界条件：给定温度或给定热流边界均可,一、紊流换热关联式,1.2管内对流换热的实验关联式,不适用于液态金属，Pr10-2,t=tw-tf,气50,水20,油10,中等温差，非tin-tout,15/27,希得-塔特关联式：,格尼林斯基关联式：,气体：,液体：,适用条件：,适用条件：,1,2,二、紊流换热修正关联式,1.2管内对流换热的实验关联式,1）不均匀物性-粘度明显变化的情况,2）不均匀物性多样物性变化的情况,3).弯管(螺旋管),气体,液体,d-管直径；R-螺旋管曲率半径。,二、紊流换热修正关联式,1.2管内对流换热的实验关联式,修正系数：,二、紊流换热修正关联式,1.2管内对流换热的实验关联式,4）非圆截面,当量直径de(equivalent),18/27,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。,三、紊流换热关联式应用,1.2管内对流换热的实验关联式,19/27,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）,三、紊流换热关联式应用,1.2管内对流换热的实验关联式,20/27,解题思路：1）由定性温度，确定物性；2）计算Re，判断流态；3）选用合适的准则关联式；（流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管）4）计算Nuf和对流换热系数hf。