各种对流换热过程的特征及其计算公式

不同的流动状态对换热具有决定性影响：层流 时，换热热阻完全取决了薄层的厚度。从换热 壁面下端开始，随着高度的增 加，层流薄层的 厚度也逐渐增加。局部表面传热系数也随 高度 增加而减小。
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流体沿竖壁自然对流的流动性质和 局部表面传热. 系数的变化
从对流换热微分方程组出发，可以导出适用于自然对流换 热的准则方 程式 。 原则上自然对流换热准则方程式可写为：
定性N温u度m=(0.t0m3712R(etmf 0.t8w-8)5.0)Pr1/3
定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L
二、流体在管道内换热
入口段的热边界层较薄，局部换热系数比充分发展段的高，且沿 着主流方向逐渐降低，逐渐靠近充分发展段，局部换热系数逐渐趋 于稳定。工程技术中常常利用入口段换热效果好这一特点来强化设 备的换热。
管内受迫对流换热实验关联式
管内受迫对流流动和换热的特征
（1）流动有层流和湍流之分
• 层流：
Re2300
• 过渡区： 2 3 0 0 R e 1 0 0 0 0
• 旺盛湍流： Re1000 . 0
（2）入口段的热边界层薄，局部换热系数高。
层流入口段长度: l/d0 . 0 5R eP r
湍流时:
第十六章 各种对流换热过程的特征及其计算公式
本章要点： 1。着重掌握受迫、自然对流换热的基本原理和基本计算 2。着重掌握凝结、沸腾换热的基本概念及影响因素
本章难点：受迫、自然对流换热的分析计算 凝结、沸腾换热的分析解
本章主要内容：
第一节 受迫对流换热 第二节 自然对流换热 第三节 蒸汽凝结换热 第四节 液体沸腾换热 .
l/d 60
层流
湍流
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（3）特征速度及定性温度的确定
特征速度：计算Re数时用到的流速，一般 多取截面平均流速。
定性温度：计算物性的定性温度多为截面
上流体的平均温度（或进出口截面平均温
度）。
tf
1(t 2
f
'
tf
")
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1。管内层流换热关联式
实际工程换热设备中，层流时的换热
常常处于入口段的范围。可采用下列齐德 －泰特公式：
第一节 受迫对流换热
一、流体沿平壁流动时的对流换热
1。当Rem<5×105(层流）、Prm=0.5-50时，空气、水和油等
Nm u0.66R4m 1e2Pmr13
定性温度
tm
1(t 2
f
tw)
定形尺寸为沿流动方向平壁的长度L
2。当Rem=5×105-107(紊流）、Prm=0.5—50时，空气、水 和油等
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在一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之内。 在贴壁处，流体温度等于壁面温度tw，在离开壁面的方向上逐步降 低，直至周围环境温 度t∞，如图5—26a所示。薄层内的速度分布 则有两头小中间大的特点。
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自然对流亦有层流和湍流之分。
以一块热竖壁的自然对流为例，其自下而上的 流动景象示出于下图a。 在壁的下部，流动刚开始形成，它是有规则的 层流；若壁面足够高，则上部流动会转变为湍 流。
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2、流体横掠圆管束时的换热
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第二节 自然对流换热
流体受壁面加热或冷却而引起的自然对流换热 与流体在壁面 附近的由温度差异所形成的浮升力有关。不均匀的温度场造成 了不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。
在热壁面上的空气被加热而上浮,而未被加热的较冷空气因密 度较大而下沉。所以自然对流换热时,壁面附近的流体不像受迫 对流换热那样朝同一方向流动。
Nuf
1.86Re lf/d Prf
1/3
0.14
f
w
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定性温度为流体平均温度 t f （ 按 w 壁温
确定）t w ，管内径为特征长度，管子处于
均匀壁温。
实验验证范围为： Prf 0.48~16700,
f 0.0044~9.75， w
Ref Prf
l/d
ห้องสมุดไป่ตู้/3
0.14
f
w
2。
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2. 管内过渡状态时的准则方程 在Ref=2300-104范围内，流动为过渡状态 查看P198表16-1
3. 管内紊流时的准则方程
实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：
Nuf 0.023Re0f.8PrfnεlεRεt
加热流体时 n 0.4
冷却流体时 n 0.3
式中: 定性温度采用流体平均温度
为管内径。
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t ，f 特征长度
实验验证范围：
Ref 104～1.2105,
Prf 0.7～120,
l/d60。
式中Gr为格拉晓夫数 自然对流亦有层流与湍流之分，判别层流与湍流的准则数为Gr数
Gr格拉晓夫数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。 Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大。
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一、无限空间自然对流换热
换热面附近流体的运动状况只取决于换热面的形状、尺寸 和温度，而与空间围护壁面无关，因此称为无限空间自然对流 换热。
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。
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虽然局部表面传热系数变化比较复 杂，但从平均表面换热系数看，渐变规 律性很明显。 可采用以下分段幂次关联式：
N uC R enP r1/3
式中：定性温度为 (tw t)/ 2; 特征长度为管外径； R e 数的特征速度为来流速度 u 。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差 场合。
❖ 一般在关联式中引进乘数
❖ 在有换热条件下，截面上的温度并不均匀， 导致速度分布发生畸变。 (f /w)n或 （ Prf/Prw)n
来考虑不均匀物性场对换热的影响。
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三、流体横掠圆管时的换热
1.流体横掠单管时的换热
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外部流动：换热壁面上的流动边界层与热
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根据自然对流换热原则性准则方程，工程中广泛 使用的是下列形式的关联式：
NuC(GrPrn)
定性温度：tm(twt)/2
特征长度：竖平板、竖圆柱为高度H，横圆柱 为外径d
参数C、n的选取查看相关表格
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二、有限空间自然对流换热
流体在夹层两侧壁温不等的空间内进行对流换热时 为有限空间自然对流换热。
一般情况下，不均匀温度场仅发生在靠近换热壁面的薄层之 内。在贴壁处，流体温度等于壁面壁面温度tW，在离开壁面 的方向上逐步降低至周围环境温度。
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定义： 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动称为自然对流。
工程应用： 暖汽管道的散热 不用风扇强制冷却的电器元件的散热 事故条件下核反应堆的散热
产生原因： 不均匀温度场造成了不均匀密度场，浮升力成为运 动的动力。