工程热力学和传热学16对流换热计算

解： t 200 30 q裸管＝ 1700W m 2 1 1 10 q绝缘 t 50 30 200W m 2 1 1 10
4、尺寸为 100cm 80cm的大玻璃窗，玻璃厚 104cm, 0.762W (m K )。室 内空气与玻璃板的换热 系数 1＝10W (m 2 K )，室外空气与玻璃板的 换热系数 2 ＝20W (m 2 K )。室内空气温度为 20C，室外大气温度为－ 20C。试求通过该玻 璃窗的热流量Q和热流密度q。
tf1＝20°C q
α1 tt
w1
α2 tf2＝－20°C
tw2
1
1 2
1
教材P155 中（ 13 - 8式） ：k
1

1 是错误的。 2
1．火管锅炉炉胆的热流密度为48000Ｗ／ｍ２，钢板 制成的炉胆厚度为２０ｍｍ，试求其内外壁面的温差, 设:(1)炉胆两侧没有污垢；(2)在水的一侧积有1.5㎜ 厚的水垢；(3)在水的一侧积有1.5㎜，另一侧积有２ ㎜厚的烟灰。
2．蒸汽管的外径为108ｍｍ,管外包以λ＝0.1Ｗ/(m·K)的绝热材料,蒸汽温度为 330℃(由于蒸汽与管壁间的对流热阻和管壁的导热热阻要比绝热材料的热阻小得多, 可略去不计,所以可近似地认为绝热层内壁的温度等于蒸汽的温度)。若要使绝热层外 壁面的温度不超过40℃,每米管长的热损失不超过ql＝150Ｗ/m,试求绝热层的最小厚 度应为多少。 d 330 40 d （330 40） 2 0.1 1.215 解：qmin ln 2 ＝1.215 2 e d d1 150 d1 ln 2 d1 2 d2 1 d 2 d1 d1 e1.215 1 min＝ d1 0.108 ＝0.128m 2 2 2 解说：
边界层的成长和脱体决定 了外掠圆 管换热的 特征 。
可采用以下分段幂次关联式：
; 式中：C及n的值见下表；定性温度为 (tw t )/ 2 特征长度为管外径； Re 数的特征速度为来流速度 u 。
Nu C Ren Pr1 / 3
tw 21 ~ 1046 ℃。 实验验证范围： t 15.5 ~ 982 ℃ ，
Nuf 0.023 Ref Pr l R t
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 ，特征长度为 f 管内径。 实验验证范围： Re 104 ~ 1.2 105 , Prf 0.7 ~ 120,
f
l / d 60。
1、画出模拟图。 2、错：d 2 d1 , d 对：d 2 d1 2 , d 2 , 3、注意公式ln d 2 d1 2
d2 : d 2 外径, d1 内径 d1
第一节 受迫对流换热
管内紊流换热实验关联式 实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：
第十六章 各种对流换热过程 的特征及计算公式
第一节 受迫对流换热 第二节 自然对流换热
第三节
第四节
蒸汽凝结换热
液体沸腾换热
2、 包扎柴油机排气管的绝 缘材料厚度是以表层温 度不得大于50C为准。当 不包绝缘材料时裸管的 表层温度为 200C，机舱空气温度为 30C，表层对空气的 总换热系数为 ＝10W (m 2 K ) .求两种不同情况的热流 密度q。
q
t 1 Rt
t
1
1 2

20 (20) 2 257 . 65 W m 1 0.4 10－2 1 10 0.762 20
Q＝Fq 100 80 10－4 257. 65＝206.12W 请注意： q kAt 其中：传热系数 k 1 1

大温差情形，可采用下式计算。
对气体被加热时，
t ( )0.5
tw
tf
当气体被冷却时，
t 1
m 0.11 m 0.25
液体受热时 液体被冷却时
对液体
f m t ( ) w
外部流动强制对流换热实验关联式
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。 一. 横掠单管换热实验关联式 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。
解：（ 1 ）取 钢＝50W m C , 水垢＝1W m C , 烟垢＝0.1W m C , q t 0.02 t qRt 48000 ＝19.2C Rt 50
0.02 1.5 10－3 （2）t qRt 48000 （ ＋ ）＝91.2C 50 1 2 10－3 0.02 1.5 10－3 （3）t qRt 48000 （ ＋ ＋ ＋）＝ 1051 .2C 0.1 50 1
对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也 可采用 Nu C Ren Pr1 / 3 注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 L是计算 Re 数及Nu 数时用的特征长度。
此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。
短管修正
入口段的热边界层薄，对流换热系数高。 紊流时:
x /
l / d e 50，称为短管。
x /


层流
紊流
从图中可以看出， x ( x长度上平均大于x处的 x ) 乘上一修正系数 l， l 值应大于 1
弯管修正
螺线管强化了换热。对此有 弯管修正系数：
d 3 对于气体 R 1 10.3( ) R d 对于液体 R 1 1.77 R
大温差修正 无粘性， 速度分布源自无畸变 有粘性，速度分布有畸变 粘性越大，畸变越严重。
实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度 分布发生畸变。 一般在关联式中引进修正系数来考虑不均匀物性 场对换热的影响。