热传学之对流换热的实验关联公式

P rfluid ct Pr wall
0.11
入口區
壁面溫度
函數關係
机械工程学院 9
續
Михеев 公式
Nu 0.021Re0.8 Pr0.43 Prf / Prw
0.25
Sieder-Tate 公式
Nu 0.027Re Pr
0.8 1/ 3

Pr


uD Re
特徵速度 特徵尺寸
定性溫度
机械工程学院
Pr
cp

6
管槽內強制對流換熱實驗關聯式
Dittus-Boelter 經驗關聯式
Nu 0.023Re Pr
0.8 f
n f
n 0.4 流體被加熱 n 0.3 流體被冷卻
机械工程学院 7
修正？
哪些因素影響關聯公式的”歸納”?
傳熱學
-對流換熱的實驗關聯公式
雷俊勇 機械工程學院
內容
1
2 3 4
對流換熱的分類 內(外)部流動強制對流換熱
自然對流換熱
凝結與沸騰換熱
机械工程学院 2
無相變
強制對流
內部流動
圓管內強制對流 其他形狀截面管道內的對流換熱
外部對流
外掠平板的對流換熱 外掠單根圓管的對流換熱 外掠圓管管束的對流換熱 外掠其他截面形狀柱體的對流換熱 射流衝擊換熱
1. Nucleation Jet:
jet flow issued from nucleation site
Transparent jet
Ethanol, 55Ksubcooling, 3×105 W/m2
Fog-like jet
Ethanol, 33Ksubcooling, 1×106 W/m2
Cluster jet
机械工程学院 29
Nu 0.023Re0f.8 Prfn
假设出口温度 t tm t t 2
Q Gt uAcross t t
Q1
Q / Q 10% ?
Re
uD
Nu
Nu
hD

c p Pr
h
t t Q hA t w 2
壓強保持不變情況下，溫度升高1K所引起的物體體積 變化的百分率。
Grashof Number:
机械工程学院
g t l 3 Gr / 2
19
自然對流換熱的實驗關聯式
Nu f Gr, Pr CGr Pr
n
机械工程学院 20
4. 凝結與沸騰換熱
沸騰過程的換 熱特徵
傳熱危機
h C1t
2.33
p
Βιβλιοθήκη Baidu
0.5
適用於大容器飽和沸 騰、水
机械工程学院 25
豎管沸騰的傳 熱與流動
幹蒸汽換熱 濕蒸汽換熱 液膜對流換熱 單相流動 環狀流動
核態沸騰
過冷沸騰 對流換熱
机械工程学院
塊狀流動
泡狀流動 單相流動
26
Homework
1
水流過長5 m, 壁溫均勻的直管時, 溫度從入口的25℃ 被加熱到出口的35℃。管子內徑為20 mm, 平均水流 速為2 m/s，請採用不同的經驗關聯式求表面換熱係 數(至少採用兩種)。
入口區:
L
d l
壁面溫度： wall
t f / tw
; c p ,
f / w
Pr f / Prw
函數關係： Nu f Re, Pr C Re Pr
机械工程学院
?
8
其他經驗關聯式
Gnielinski 公式
f / 8Re 1000 Pr 1 d 2 / 3 c Nu t 2/3 1 12.7 f / 8 Pr 1 l
4
凝結與沸騰換熱
再沸器、加熱爐爐管、空調、鍋爐
机械工程学院 4
2. 內部流動強制對流換熱
流動 狀態
換熱 狀態
dQ qdA
Q dQ qdA
A
机械工程学院
Nux C Re x Prx


Nu C Re
Pr


5
表觀參數的確定
Nu C Re
自然對流(定義)：
不依靠外力推動，由流體本身溫度場不均勻所 導致的密度不同而引起的流動稱為自然對流。
楊利偉所在的神舟5號內有自然對流嗎？
砂糖融化在水中，你能看到糖的流動軌跡嗎？是自 然對流嗎？
机械工程学院 17
流動與換熱特徵
流動形態
机械工程学院
換熱特徵
流動特徵
18
決定自然對流的參數
體積膨脹係數
1 t p 1 V V t p
机械工程学院 32
National Institute of Standards and Technology (NIST)
机械工程学院 33
王松漢(SEI)
王松漢. 石油化工設計手冊 第1卷 石油化工基礎資料[M]. 北京.化學工業 出版社, 2002, p.571
机械工程学院 39
換熱關聯式
王松漢. 石油化工設計手冊 第3卷 化工單元過程[M]. 北京.化學工業出版社, 2002. p. 576
机械工程学院 40
Perry’s handbook of chemical engineering (7th edition)
机械工程学院
HEAT TRANSFER BY CONVECTION 5-17
4200 4190 4180 0 20 40
O
0.60
60
80
100
0.55
T ( C)
Therm. Cond. (l, W/m*K)
Cp (J/kg-K)
吳德榮. 化工工藝設計手冊(上冊) 第4版 北京_化學工業出版社, 2009. 吳德榮. 化工工藝設計手冊(下冊) 第4版 北京_化學工業出版社, 2009.
机械工程学院 31
典型物系
水(H2O) 水蒸汽 空氣(N2 + O2) 濕空氣 原油 汽油 柴油 導熱油
煙氣
http://webbook.nist.gov/chemistry/
Dittus-Boelter 經驗關聯式
Nu 0.023Re0.8 Prfn f
準則數的定義
Nu
hD

Re
uD
Pr

a

c p 1 c p
(單一流體溫升)熱量的衡算
Q Gt uAcross t t
換熱量的衡算
t t Q hAtm hAt w tm hA t w 2
Ethanol, 18K subcooling, 8×105 W/m2
Upwards 120mm/s
Bubble evolution jet
95% ethanol, 40 Ksubcooling, 3 W/m2 ×105
Bubble bunch jet
95%ethanol, 33Ksubcooling, 7×105 W/m2
Q2
物性資料的獲取
流體(傳遞)輸運過程物性(物理屬性)數據
, , ; c p a; Dij ;
流體熱力學物性數據
c p , h, s, G A r; ;
王松漢. 王松漢. 王松漢. 王松漢. 石油化工設計手冊 石油化工設計手冊 石油化工設計手冊 石油化工設計手冊 第1卷 第2卷 第3卷 第4卷 石油化工基礎資料[M]. 北京.化學工業出版社, 2002 標準 規範[M]. 北京.化學工業出版社, 2002 化工單元過程[M]. 北京.化學工業出版社, 2002 工藝和系統設計[M]. 北京.化學工業出版社, 2002
凝結過程
Nu f Re, Pr,Ga
Galileo 數
g l 3 Ga / 2
机械工程学院 21
沸騰過程
離散的氣泡
連成一體 的氣泡
机械工程学院 22
續
連成一體 的氣泡
氣泡
氣體薄膜層 壁面
机械工程学院 23
H Wang. Microscopic Exploration of Phase-Change and Interfacial Transport Phenomena
自然對流
大空間自然對流 有限空間自然對流
混合對流 有相變 沸騰換熱
混合對流 大容器沸騰 管內沸騰
1.對流換熱分類
對事物進行分類的目的：更好 得認識、瞭解和把握問題
凝結換熱
管外凝結 管內凝結
4類對流換熱形式及應用場合
1
管內強制對流換熱
換熱器管內
2
管外強制對流換熱
換熱器管束外
3
自然對流換熱
煙囪、容器與管道的保溫
f
/ w
0.14
推薦採用Gnielinski 公式(1976)
机械工程学院 10
在不同應用場合的修正
1
入口段 非圓截面
d /l
4倍面積 當量直徑 = 濕潤周長
2
4 R 2 2R D 2R

3
螺旋管(盤管)
机械工程学院 11
管內層流對流換熱
机械工程学院 12
層流條件下換熱係數的特徵
請敘述隨著換熱熱流的增加，沸騰換熱所經歷的4中 不同流動(相變)狀態。 查詢資料手冊，請討論說明對於空氣換熱，溫度範圍 在多少傳熱各物性可忽略溫度的影響。
27
2
3
机械工程学院
The End！
Example
水流過長5 m壁溫為40 ℃均勻的直圓管, 入口溫度為25℃。 管子內徑為20 mm, 平均水流速為2 m/s，請採用不同的經驗 關聯式計算圓管出口溫度(至少採用兩種)。
41
1000 2
980
1
960 0
Density (l, kg/m3) Viscosity (l, Pa*s)
0 60
O
20
40
80
100
% (mPa*s)
(kg/m3)
0.70 4220 4210
Cp (l, J/kg*K) Therm. Cond. (l, W/m*K)
T ( C)
0.65
1
換熱係數與雷諾數無關；
2
當量直徑與湍流情況下的作用不同； 圓管層流換熱係數是常數 (Nu=3.66)；
解析(準確)解，非實驗關聯式。
3
4
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橫掠單管對流換熱實驗關聯式
流動特徵
机械工程学院 14
換熱特徵
“綜合”效果
机械工程学院 15
橫掠管束對流換熱
机械工程学院 16
3. 自然對流換熱