管强制对流传热计算

1、4.3.4管内强制对流传热对于流体在圆形直管内作强制对流传热时，研究表明，Nu数与Pr数和Re数之间存在如图4-18所示的关系。由图可见，管内强制对流存在三个不同的区域：当Rev2300时，流体的流动为层流状态，当Re10000时，流体的流动为旺盛湍流状态，一般认为23001041.2 05，Pr=0.7120,管长与管内径之比。所采用的特征长度为管内径d,定性温度则为流体的平均温度(即管道进、出口截面平均温度的算术平均值)。例4-3常压下，空气在内径为25mm,长3m的圆形直管内流动，温度由 5C加热至15C。若空气的流速为 12m/s，试求空气与管内 壁之间的对流传热系数。解定性温度为(5

2、+15) /2=10C，根据定性温度和压力，查取空气的物性为p-lMg/nP p=0,177xl(r*Bi-s “ 皿肪伽f Cf = lW/J(gI先计算雷诺数精心整理dup025xl2 xl.2470.177 xlO-4-2.11x10*pt.込 1 咖J0.02512= 0711由上述计算可知，可以应用式（4-73 ）计算空气与管壁之间的对流传热系数，并取n=0.4 = OD23Re03Pr14 =0.023x(2,11x10* x 0.71 f4 =57.8对流传热系数为0.025120.025显然，当流体在管内作对流传热时，管截面上各点的流体温度不同，就会引I *起流体粘性的变化，从

3、而导致速度分布的变化。这种变化在流体被加热或被冷却 时情况不同，图4-20示出速度分布的这种差别。当液体被冷却时，由于液体的粘.- Ii度随温度降低而增大，因而近壁处液体的粘度较管中心处的大，与等温流动相比， 近壁处流体温度低，粘度大，流速小，而在管中心处流体的温高，粘度小，流速 大，当液体被加热时，情况恰好相反。至于气体，由于气体的粘度随温度升高而., -J I增大，气体的速度分布变化正好与液体的情况相反。总之，流体被加热或被冷却 时的速度分布不同于等温流动，这种变化将引起近壁处流体的温度梯度的变化和 湍流时层流底层厚度的变化，从而导致了对流传热系数的变化。因此，当液体被 加热或气体被冷却时

4、的对流传热系数比液体被冷却或气体被加热时大。对于粘度较大的流体，这种影响更为明显。为了补偿管内温度分布不均匀对对流传热的影 响，在实用计算中，通常是在所采用的关联式中引入来修正非均匀温度对对流传热系数的影响。当温差超过推荐的温差范围时或对于粘度较高的液体，由于管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主体处粘度相差较大，如果采用迪图斯 -贝尔特公式，则计算的误差较大，因此可以采用齐德-泰特公式进行计算（4-74）式中的特征长度为管内径 d,定性温度为流体的平均温度，mw表示是以管壁温度选取的流体粘度。上式的实验验证范围为:二一 ，Pr=0.716700,管长与管内径之比。由于管壁温度的引

5、入使计算过程变得烦琐，因而在工程计算中常近似为:当液体被加热时，取= 1.01；当液体被冷却时取014对于短管（管长与管径之比二 ）内的强制对流传热，由于其全部或绝大部分的管段处于热边界层尚未充分发展的入口段。因此，在计算对流传热系数时应进行入口效应的修正，即精心整理1+(4-75)式中a为采用式（4-73）或式（4-74）计算的对流传热系数，二、流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热系数管内流动处于过渡流状态时，即在2300只104的范围内,的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于a为流体流经短管的平均对流传热系数。其传热情况比较复杂。在此情况下的对流传热系数可先用湍流时1的

6、修正系数，即1 6x10(4-76)式中a为采用湍流时的经验关联式计算的对流传热系数，还可以采用格尼林斯基公式计算，该式既适用于过渡流状态也适用于湍流状态a为过渡流状态下的对流传热系数。1:Nuf =(Re-1000) Pt(4-77)式中/=(1.821g Re-1.64)3I,xO.ll对于液体= 0.05-20对于气体-05-15106,式中以流体平均温度作为定性温度，下标w表示以壁面温度为定性温度，T的单位为K。关联式的应用范围为：Re=2300Pr=0.6105。注意，格尼林斯基公式中已包含了入口效应的修正系数，在应用于短管的计算时不需要再乘入口修正系数。三、流体在圆形直管内作层流时

7、的对流传热系数可采用下述经验关联式计算流体在圆形直管中作层流强制对流传热的情况比较复杂，因为附加的自然对流往往会影响层流对流传热。只有在小管径，且 流体与管壁的温度差别不大的情况下，即& 200 时，自然对流的影响才能忽略。在工程实际中，Nu = 1.86 Re1/3Prb3式中，除了 mw以外，定性温度均取流体的平均温度，特征长度为管内径（4-78）d。适用范围为:Rev2300，Pr=0.48 16700，= 0.00-?,75a： = (18(1+0 015G 严泊(4-79)流体作层流时的对流传热系数关联式有多种不同的形式，但到目前为止还不成熟，计算误差较大。 例4-4在内径为50mm

8、，长3m的圆形直管内，5C的水以50kg/h的流量流过，管内壁的温度为 计算水与管内壁之间的对流传热系数。解管内水的定性温度为（5+35） /2=20C，根据定性温度，查取水的物性为90 C，水的出口温度为 35 C卩= 1.005x1也,l=0J?9W/m KCp = 4.18U/kg K32，且管壁处于均匀壁温。当匚时，可按式（4-78）计算岀对流传热系数，然后再乘以修正系数得到精心整理由管内壁的温度可得亠-二叱1j0.315 xlO-3由题设可得，h4 .-IIkg/ (m2- s)Re = jup= 0.05x7X74 =3ji941.005 xlO-3打 _4.183 xlOJxLO

9、QjxlO0J99从而可应用式（4-78）计算水与管壁之间的对流传热系数0.14Nu = 1.86 Re1/3Prl/3= L86 x351,91/3x7 .02in3.1914= 7.55对流传热系数为四、流体在圆形弯管内的流动 由于弯管内的流体在流动中连续地改变方向，因此在管内的截面上会因离心力引起二次环流，从而加剧了扰动，强化了对流传热，如图4-21所示。对于流体在弯管内的对流传热计算，可先按圆形直管的经验关联式计算对流传热系数 a，然后再乘以大于1的修正系数，即可得在弯管中的对流传热系数a，即尺，式中R为弯管轴的曲率半径。五、流体在非圆形管内的流动对于流体在非圆形管内的对流传热系数计算，上述有关的经验关联式均可以应用，只是需将经验关联式中的特征长度由圆管 内径d改为流通截面的当量直径 de即可。但这种计算方法只是一种近似计算流体对流传热系数的方法，计算精度