工程传热学第五章对流换热计算

t
tw = C tf
恒壁温时
x
利用在整个管长内的流动换热平衡关系式
( d 2 / 4) c p um t 'f t "f h dl tm
可得出计算表面传热系数的平均温差表达式
t m
t
" f
t w t 'f t w ln t "f t w t 'f t w
t tw
管内流体截面上的 平均温度
t f c p utdA
Ac
t=C
tf 入口段 充分发展段 恒热流时 x
A c p udA
c
流体进口平均温度
当管壁温度为常数时，流 体的温度随流动方向按如 下指数规律变化
x t f t w (t 'f t w ) exp 4St d
qw w LT L 层流： t 0.055 Re Pr; t 0.07 Re Pr 热进口段长度： d d
L 紊流 : 50 d
热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方 向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变， 有
t f ( x) t 'f 4qw x cpumd
当管子的长径比 l/d<60 时，属于短管内 流动换热，进口段的影响不能忽视。此 时亦应在按照长管计算出结果的基础上 乘以相应的修正系数Cl。
②管内层流换热准则关系式
当雷诺数 Re<2200 时管内流动处于层流 状态，Sieder-Tate的准则关系式：
d Nu 1.86 Re Pr l
大温差情况下计算换热时准则式右边要 乘以物性修正项 。 对于液体乘以 f w n


液 体 被 加 热 n=0.11 ， 液 体 被 冷 却 n=0.25( 物性量的下标表示取值的定性温 度) 对于气体则乘以: T f Tw


n
气 体 被 加 热 n=0.55 ， 气 体 被 冷 却 n=0.0 （此处温度用大写字符是表示取绝对温 标下的数值）。
t m
t
" f
t w t 'f t w ln t tw
" f
t 'f t w
其中，tf ’, tf”分别为进口、出口截面上的 平均温度。 当出口与进口截面上的温差比(tw - tf'')/(tw - tf')在0.5 ~ 2之间时，可按如下算术平均 温差计算，结果的差别在4%以内。
t m t f t w
t f (t t ) / 2
' f " f
2.管内强制对流换热的准则关系式
①管内紊流换热准则关系式
当管内流动的雷诺数Re≥104时，管内流体处于 旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用迪图 斯-贝尔特（Dittus-Boelter）准则关系式
Nu 0.023 Re
弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由 于离心力的作用会形成垂直于流动方向 的二次流动，从而加强流体的扰动，带 来换热的增强。
弯曲管道流动情况示意图
在平直管计算结果的基础上乘以一个大 于1的修正系数 CR。 流体为气体时 ： CR＝1+1.77(d/R) 流体为液体时 ： CR＝1+10.3(d/R)3 R为弯曲管的曲率半径
0.8
Pr
n
特征尺寸为 d ，特征流速为 um ，流体物性量 采用的定性温度是 t f t f t f 2 为流体的平 均温度；流体被加热n=0.4,流体被冷却 n=0.3。
Nu 0.023 Re
使用范围：
0.8
Pr
n
平直管，Ref = 104 1.2×105, Prf = 0.7 120, l/d 60；温差tw-tf较小，所 谓小温差是指对于气体 ≤ 50℃ ；对于 水≤20~30℃ ，对于油类流体≤10℃。
4
— — 紊流区
当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口 区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管 内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从 而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界 层汇合之前也就必然存在热进口区段。 随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流 和紊流热边界层之分。
L L 流动进口段： 层流： 0.06 Re; 紊流 : 50 d d
进口区：流动和热边界层从零开始增长， 直到汇合至管子中心线。管子进口到边 界层汇合处的这段管长内的流动称为管 内流动进口区。
充分发展区：边界层汇合于管子中心线 以后的区域，即进入定型流动的区域。
入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。 如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
如果边界层在管中心处 汇合时流体已经从层流 流动完全转变为紊流流 动，那么进入充分发展 区后就会维持紊流流动 状态，从而构成流体管 内紊流流动过程。
如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会 使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个 定值。
Re
um d

2200 — — 层流区
Re （2200， 104） — — 过渡区 Re 10
当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上 流体温度变化比较大，流体的物性受温度的影 响会发生改变，尤其是流体黏性随温度的变化 导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进 而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。
液体被加热或气体被冷却 液体被冷却或气体被加热
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
恒定温度的情况
管内流动温度对速度分布的影响示意图
1
3
f w

0.14
适用范围 ：Re<2200，Pr>0.6 RePr d/L>10,用于平直管。特征尺寸、特 征流速和定性温度与管内紊流换热准则关 系式相同。
③管内过渡流区换热准则关系式
第五章 对流换热计算
§5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
§5-2 流体外掠物体的对流换热计算 §5-3 自然对流换热计算
5-1 管(槽)内流体受迫对流换热计算
1.管(槽)内流动换热的特点 流体在管内流动属于内部流动过程，其主 要特征是，流动存在着两个明显的流动区段， 即流动进口（或发展）区段和流动充分发展 区段