第六章 单相流体对流换热
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第六章
单相流体对流换热
第一节 管内强迫流动对流换热
第二节 外掠圆管对流换热
第三节 自然对流换热
1
第一节 管内强迫流动对流换热
一、管槽内强制对流流动和换热的特征
1. 进口段和充分发展段的特点（流动和热）
(流态流速定型） 流动充分： x 方向u 不变，v=0 热充分 (定tw或q)：无量纲温度随管长不变（tw-t)/(tw-tf),即 表面传热系数为常数。
（脱体点），壁面流体停止向前流动，并随即向
相反的方向流动。边界层中出现涡流，从而正常
22
Re f
uf d
f
2.5 20 103 4 4 4.97 10 10 6 1.006 10
流动属于紊流
t tw t f 40 20 20 ℃，
t 30 ℃，
0.7 Prf 120
3 L/d 150 60 3 20 10
Tf Tw
1.5 , 2300 Re f 104
d 1 L
2/ 3
Nu f 0.0214(Re 100 ) Pr
0.8 f
0.4 f
Tf Tw
0.45
17
对于液体:
1.5 Prf 500 , 0.05 Prf Prw 20 , 2300 Re f 10
2 、确定定性温度，从而确定准则数
20
【例6-2】水以
2.5m/s
的速度在内径为20mm
长度为3m的管内流动，进口处水温为20℃，管壁温
度保持40℃。试确定出口水温。
思路：求Re ： 定性温度未知 —— 粘度未知——怎么Re？
校核计算（很多方法） 1 假定出口温度—— Re—— Pr——h——Q1——Q2 —— Q1=Q2 ,温度假定合理，否则重新试算。 2 以进口温度作为定性温度计算
f
f
l / d 60。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 (气体:△t=|tw-tf|<50℃ ;水:△t<20～ 30℃; 油类:△t<10℃)
9
• 实际上来说，液体与管壁间温差大，粘度有明显 变化 n n ( / ) 或（ Pr / Pr ) • 一般在关联式中引进乘数 f w f w 来考虑不均匀物性场对换热的影响。
上述准则方程的应用范围可进一步扩大。 （1）非圆形截面槽道 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。
de
式中：
4Ac
P
Ac
为槽道的流动截面积；P 为湿周长。
（2）入口段 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖 角入口，有以下入口效应修正系数：
d cl 1 l
作为定性温度重复以上计算步骤，得 ℃，因为两次计算结果相差很小， t f 28.2 所以出口水温 ℃ 。 t f 28.2
26
【例6-3】恒定壁温 t w 90C的光管，内 径120mm，水以2m/s的速度在管内流过，水
的进口温度 t f =40℃，出口温度 t 为 f 60C
3
20 t f 20
)
1 (20 103 )2 998.2 4183 ( t f 20) 4
25
t f 28 ℃
此时可取流体的平均温度
1 1 t f ( t f t (20 28) 24 ℃ f ) 2 2
f
属于旺盛紊流
28
因为（ t w t f ）温差较大
Nu f 0.027Re f 0.8 Prf 1/ 3 ( f / w )0.14
549.4 0.14 0.027 (43.1655 10 ) (3.54) ( ) 314.9
4 0.8
1 3
=1433.17
0.648 102 h Nu f 1433.17 d 0.12 2 7739 W /(m C )
4
Nu f 0.012(Re
0.87 f
280 ) Pr
0.4 f
d 1 L
2/ 3
Pr f Prw
0.11
【例6-1】
【例6-2】
【例6-3】
【例6-4】
18
一、管槽内强制对流流动和换热的特征
1. 进口段和充分发展段的特点（流动和热）
特征速度一般多取截面平均流速。 定性温度多为截面上流体的平均温度 （或进出口截面平均温度）。
8
二. 管内湍流换热实验关联式 实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：（展开思 考）
Nuf 0.023 Ref Pr
0.8
n f
加热流体时 冷却流体时
n 0.4 n 0.3
， 。
式中: 定性温度采用流体平均温度 t f ，特征长度为 管内径。 实验验证范围： Re 104 ~ 1.2 105 , Pr 0.7 ~ 120,
层流
湍流
4
4. 热入口段和流动入口段的关系
Pr=1 Pr>1 Pr<1 流动入口段=热入口段 流动入口段<热入口段 流动入口段>热入口段
层流
湍流
5
5. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 。
6
6. 牛顿冷却公式中的平均温差 对 恒 热 流 条 件 ， 可 取 (t t ) 作 w f 为 t m 。 对于恒壁温条件，截面上的局部温差是 个变值，应利用热平衡式：
29
f
单位时间内水吸收的热量为
1 2 qm c pf ( t d f u f c pf ( t f tf ) f tf ) 4
0.25 0.12 988.1 2 4174 (60 40)
2
=1865802 W 根据能量平衡关系
23
水被加热，取 m 0.4
Nu f 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f 4 0.8 0.4
0.023 (4.97 10 ) (0.702)
h
287
f
d 2 59.9 10 2 287 8596 W /( m C ) 3 20 10
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，不会受到邻近壁面存在的限制。 横掠单管：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。
34
1 、 流动边界层的形成与发展
①流体的压强大约在管的前半部递降，即dp/dx<0,
而后又回升，即dp/dx>0 ②边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应； ③脱体绕流产生 脱体现象：从壁面的某一位置开始速度梯度达到0
2
2.流动充分发展段层流和湍流的判断 • 层流： Re 2300 • • 过渡区：
2300 Re 10000
旺盛湍流： 10000 Re
3
3. 热入口段和充分发展段的判断（表面传热系数的变化）
（定壁温）充分发展段为层流或湍流的热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
l / d 60
12
（3）采用米海耶夫公式：
Nuf 0.021 Ref来自百度文库
0.8
Prf
0.43
Prf Pr w
0.25
定性温度为流体平均温度 t f ，管内径为特征长度。 实验验证范围为：
l / d 50，
Prf 0.6 ~ 700,
Ref 104 ~ 1.75 106。
13
hA(tw t f ) h Ld (tw t f )
30
L h d (t w t f ) 1865802 16m 7739 0.12 (90 50)
故所需管长为16m。
31
【例6-4】某厂燃气空气加热器，已 知管内径d=0.051m，每根管内空气质量
24
Nu f
由管内流体的能量平衡可得
hA(tw t f ) qmc pf (t f tf )
1 2 h dL( t w t f ) d f u f c pf (t f tf ) 4
8596 20 10 3 (40
满足这一加热过程，试确定该管长度。
27
1 1 (40 60) 50 ℃ f ) 解： t f 2 (t f t 2
f 549.4 10 kg /( m s ), f 988.1kg / m ,
6 3
c pf 4174J /( kg C ), f 0.566 10 m / s ,
液体受热时 液体被冷却时
11
（2）采用齐德－泰特公式：
Nuf 0.027 Ref
0.8
Prf
1/3
f w
0.14
定性温度为流体平均温度 t f （ 定），管内径为特征长度。 实验验证范围为：
w
按壁温
tw
确
l / d 60，
Prf 0.7 ~ 16700,
Ref 104。
6 2
Pr f 3.54, , f 64.8 102 W /( m C ); 以t w 90C 查 w 314.9 106 kg /( m s )
Re f uf d 2 0.12 4 43.1655 10 6 0.556 10
21
解：由于出口水温 t f 待求，管内流体 的平均温度不能确定，故先以进口处水温
t f 20 ℃ 作为定性温度进行试算。
由附录查取20℃时水的物性参数为：
f 59.9 102W /( m C ); f 1.006 106 m 2 / s;
Pr 7.02; f 998.2kg / m 3 ; c pf 4183J / kg K
10
大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯－贝尔特修正公式
0.8 Nuf 0.023 Ref Prfn ct
对气体被加热时，
Tf ct Tw
0.5
当气体被冷却时，
ct 1。
m
对液体
f ct w
m 0.11 m 0.25
f Pr f 0.48 ~ 16700 , 0.0044 ~ 9.75 w
1 3 0.14
d f Re f Pr f L w
2
16
三、过渡区（ 2300＜Re ＜10000）时的换热
格尼林斯基提供的关联式： 对于气体
0.6 Prf 1.5 , 0.5
qm 为质量流量； tf、tf 分别为出口、进口截面上 式中， 的平均温度； t 按对数平均温差计算：
t m
tf tf tw tf ln tw tf
m
tf ) hm A tm qmcp( tf
7
7. 特征速度及定性温度的确定
M=0.0417kg/s,管长2.6m,空气进口温度
tf ’=30,管壁温度保持tw=250，试计算该换 热器的表面传热系数。（讨论）
32
第二节 流体横向绕流管束的换热
一、流体横向绕流单管（或柱）时的对 流换热计算
二、流体横向绕流管束的对流换热计算
33
一、流体横向绕流单管（或柱）流动时 的对流换热计算
2. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种
二、湍流、过渡流及层流的准则关联式
【例6-1】一台管壳式蒸汽热水器， 水在管内流速为um=0.85m/s,全水管的平均 温度tf=90,管壁温度tw=115,管长1.5m,管内
径d=17mm,试计算它的表面传热系数。
解题思路：如何选择准则关联式？
1、满足适用条件（几何参数和准则数范围）
0.7
14
（3）弯管修正或螺线管 当流体流过弯曲或螺旋管道时，在弯曲 段，由于离心力的作用，沿截面产生二 次环流，增加边界层扰动，使换热增强。 对于液体
对于气体
d cr 1 10.3 R d cr 1 1.77 R
3
15
三、层流（ Re 2300）时的换热 Pr数较大的油和水在壁温恒定的管内进 行层流换热 d 1 / 3 f 0.14 Nu f 1.86(Re f Pr f ) ( ) L w 实验验证范围:
单相流体对流换热
第一节 管内强迫流动对流换热
第二节 外掠圆管对流换热
第三节 自然对流换热
1
第一节 管内强迫流动对流换热
一、管槽内强制对流流动和换热的特征
1. 进口段和充分发展段的特点（流动和热）
(流态流速定型） 流动充分： x 方向u 不变，v=0 热充分 (定tw或q)：无量纲温度随管长不变（tw-t)/(tw-tf),即 表面传热系数为常数。
（脱体点），壁面流体停止向前流动，并随即向
相反的方向流动。边界层中出现涡流，从而正常
22
Re f
uf d
f
2.5 20 103 4 4 4.97 10 10 6 1.006 10
流动属于紊流
t tw t f 40 20 20 ℃，
t 30 ℃，
0.7 Prf 120
3 L/d 150 60 3 20 10
Tf Tw
1.5 , 2300 Re f 104
d 1 L
2/ 3
Nu f 0.0214(Re 100 ) Pr
0.8 f
0.4 f
Tf Tw
0.45
17
对于液体:
1.5 Prf 500 , 0.05 Prf Prw 20 , 2300 Re f 10
2 、确定定性温度，从而确定准则数
20
【例6-2】水以
2.5m/s
的速度在内径为20mm
长度为3m的管内流动，进口处水温为20℃，管壁温
度保持40℃。试确定出口水温。
思路：求Re ： 定性温度未知 —— 粘度未知——怎么Re？
校核计算（很多方法） 1 假定出口温度—— Re—— Pr——h——Q1——Q2 —— Q1=Q2 ,温度假定合理，否则重新试算。 2 以进口温度作为定性温度计算
f
f
l / d 60。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。 (气体:△t=|tw-tf|<50℃ ;水:△t<20～ 30℃; 油类:△t<10℃)
9
• 实际上来说，液体与管壁间温差大，粘度有明显 变化 n n ( / ) 或（ Pr / Pr ) • 一般在关联式中引进乘数 f w f w 来考虑不均匀物性场对换热的影响。
上述准则方程的应用范围可进一步扩大。 （1）非圆形截面槽道 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。
de
式中：
4Ac
P
Ac
为槽道的流动截面积；P 为湿周长。
（2）入口段 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖 角入口，有以下入口效应修正系数：
d cl 1 l
作为定性温度重复以上计算步骤，得 ℃，因为两次计算结果相差很小， t f 28.2 所以出口水温 ℃ 。 t f 28.2
26
【例6-3】恒定壁温 t w 90C的光管，内 径120mm，水以2m/s的速度在管内流过，水
的进口温度 t f =40℃，出口温度 t 为 f 60C
3
20 t f 20
)
1 (20 103 )2 998.2 4183 ( t f 20) 4
25
t f 28 ℃
此时可取流体的平均温度
1 1 t f ( t f t (20 28) 24 ℃ f ) 2 2
f
属于旺盛紊流
28
因为（ t w t f ）温差较大
Nu f 0.027Re f 0.8 Prf 1/ 3 ( f / w )0.14
549.4 0.14 0.027 (43.1655 10 ) (3.54) ( ) 314.9
4 0.8
1 3
=1433.17
0.648 102 h Nu f 1433.17 d 0.12 2 7739 W /(m C )
4
Nu f 0.012(Re
0.87 f
280 ) Pr
0.4 f
d 1 L
2/ 3
Pr f Prw
0.11
【例6-1】
【例6-2】
【例6-3】
【例6-4】
18
一、管槽内强制对流流动和换热的特征
1. 进口段和充分发展段的特点（流动和热）
特征速度一般多取截面平均流速。 定性温度多为截面上流体的平均温度 （或进出口截面平均温度）。
8
二. 管内湍流换热实验关联式 实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：（展开思 考）
Nuf 0.023 Ref Pr
0.8
n f
加热流体时 冷却流体时
n 0.4 n 0.3
， 。
式中: 定性温度采用流体平均温度 t f ，特征长度为 管内径。 实验验证范围： Re 104 ~ 1.2 105 , Pr 0.7 ~ 120,
层流
湍流
4
4. 热入口段和流动入口段的关系
Pr=1 Pr>1 Pr<1 流动入口段=热入口段 流动入口段<热入口段 流动入口段>热入口段
层流
湍流
5
5. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 。
6
6. 牛顿冷却公式中的平均温差 对 恒 热 流 条 件 ， 可 取 (t t ) 作 w f 为 t m 。 对于恒壁温条件，截面上的局部温差是 个变值，应利用热平衡式：
29
f
单位时间内水吸收的热量为
1 2 qm c pf ( t d f u f c pf ( t f tf ) f tf ) 4
0.25 0.12 988.1 2 4174 (60 40)
2
=1865802 W 根据能量平衡关系
23
水被加热，取 m 0.4
Nu f 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f 4 0.8 0.4
0.023 (4.97 10 ) (0.702)
h
287
f
d 2 59.9 10 2 287 8596 W /( m C ) 3 20 10
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，不会受到邻近壁面存在的限制。 横掠单管：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。
34
1 、 流动边界层的形成与发展
①流体的压强大约在管的前半部递降，即dp/dx<0,
而后又回升，即dp/dx>0 ②边界层内流体的动能变化与压强的变化相对应； ③脱体绕流产生 脱体现象：从壁面的某一位置开始速度梯度达到0
2
2.流动充分发展段层流和湍流的判断 • 层流： Re 2300 • • 过渡区：
2300 Re 10000
旺盛湍流： 10000 Re
3
3. 热入口段和充分发展段的判断（表面传热系数的变化）
（定壁温）充分发展段为层流或湍流的热入口段长度:
l / d 0.05 Re Pr
l / d 60
12
（3）采用米海耶夫公式：
Nuf 0.021 Ref来自百度文库
0.8
Prf
0.43
Prf Pr w
0.25
定性温度为流体平均温度 t f ，管内径为特征长度。 实验验证范围为：
l / d 50，
Prf 0.6 ~ 700,
Ref 104 ~ 1.75 106。
13
hA(tw t f ) h Ld (tw t f )
30
L h d (t w t f ) 1865802 16m 7739 0.12 (90 50)
故所需管长为16m。
31
【例6-4】某厂燃气空气加热器，已 知管内径d=0.051m，每根管内空气质量
24
Nu f
由管内流体的能量平衡可得
hA(tw t f ) qmc pf (t f tf )
1 2 h dL( t w t f ) d f u f c pf (t f tf ) 4
8596 20 10 3 (40
满足这一加热过程，试确定该管长度。
27
1 1 (40 60) 50 ℃ f ) 解： t f 2 (t f t 2
f 549.4 10 kg /( m s ), f 988.1kg / m ,
6 3
c pf 4174J /( kg C ), f 0.566 10 m / s ,
液体受热时 液体被冷却时
11
（2）采用齐德－泰特公式：
Nuf 0.027 Ref
0.8
Prf
1/3
f w
0.14
定性温度为流体平均温度 t f （ 定），管内径为特征长度。 实验验证范围为：
w
按壁温
tw
确
l / d 60，
Prf 0.7 ~ 16700,
Ref 104。
6 2
Pr f 3.54, , f 64.8 102 W /( m C ); 以t w 90C 查 w 314.9 106 kg /( m s )
Re f uf d 2 0.12 4 43.1655 10 6 0.556 10
21
解：由于出口水温 t f 待求，管内流体 的平均温度不能确定，故先以进口处水温
t f 20 ℃ 作为定性温度进行试算。
由附录查取20℃时水的物性参数为：
f 59.9 102W /( m C ); f 1.006 106 m 2 / s;
Pr 7.02; f 998.2kg / m 3 ; c pf 4183J / kg K
10
大温差情形，可采用下列任何一式计算。 （1）迪贝斯－贝尔特修正公式
0.8 Nuf 0.023 Ref Prfn ct
对气体被加热时，
Tf ct Tw
0.5
当气体被冷却时，
ct 1。
m
对液体
f ct w
m 0.11 m 0.25
f Pr f 0.48 ~ 16700 , 0.0044 ~ 9.75 w
1 3 0.14
d f Re f Pr f L w
2
16
三、过渡区（ 2300＜Re ＜10000）时的换热
格尼林斯基提供的关联式： 对于气体
0.6 Prf 1.5 , 0.5
qm 为质量流量； tf、tf 分别为出口、进口截面上 式中， 的平均温度； t 按对数平均温差计算：
t m
tf tf tw tf ln tw tf
m
tf ) hm A tm qmcp( tf
7
7. 特征速度及定性温度的确定
M=0.0417kg/s,管长2.6m,空气进口温度
tf ’=30,管壁温度保持tw=250，试计算该换 热器的表面传热系数。（讨论）
32
第二节 流体横向绕流管束的换热
一、流体横向绕流单管（或柱）时的对 流换热计算
二、流体横向绕流管束的对流换热计算
33
一、流体横向绕流单管（或柱）流动时 的对流换热计算
2. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种
二、湍流、过渡流及层流的准则关联式
【例6-1】一台管壳式蒸汽热水器， 水在管内流速为um=0.85m/s,全水管的平均 温度tf=90,管壁温度tw=115,管长1.5m,管内
径d=17mm,试计算它的表面传热系数。
解题思路：如何选择准则关联式？
1、满足适用条件（几何参数和准则数范围）
0.7
14
（3）弯管修正或螺线管 当流体流过弯曲或螺旋管道时，在弯曲 段，由于离心力的作用，沿截面产生二 次环流，增加边界层扰动，使换热增强。 对于液体
对于气体
d cr 1 10.3 R d cr 1 1.77 R
3
15
三、层流（ Re 2300）时的换热 Pr数较大的油和水在壁温恒定的管内进 行层流换热 d 1 / 3 f 0.14 Nu f 1.86(Re f Pr f ) ( ) L w 实验验证范围: