第6章单相流体对流换热

2）管内流体平均温度

管断面流体平均温度 全管长流体平均温度
定性温度
①管断面流体平均温度（按焓值计算） ② 全管长流体平均温度（由热平衡关系计算）
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不同边界条件下全管长流体平均温度 （常热流边界和常壁温边界）

q=const时，dtf/dx=const

从入口开始，tf呈线性变化，全管长平均温度为进出口
一、 外掠单管
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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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 衡量脱体绕流的程度：速度 衡量脱体绕流的准则数：Re
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第六章
单相流体对流换热
传热学 Heat Transfer
本章教学内容
6-1 管内受迫对流换热 6-2 外掠圆管对流换热 6-3 自然对流换热
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§6-1 管内流体受迫对流换热
一、一般分析
受迫在管内对流换热时，应考虑管内流动及换热的 4 个特
是先用定性温度确定物性，再可确定计算式中的准则数。
f 3.15 104 N s m 2 ; Pr 1.95
t w =115℃： w 2.48 10 4 N s m 2
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则 Ref um d
f
0.017 0.85 4 4.43 10 6 0.326 10
0 .8 0 .6 0 .4 p 0 .8
流速和密度影响最大
0 .4
,d
0 .2
)
其他条件相同，u 越大，h 越大；d 越小，h 越大。
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管内对流换热解题步骤


判断l/d>>10；
定性温度→查物性，下标f由tf确定，下标w由twFra bibliotek确定；

由Re判断流态； 据Re选择准则关联式计算Nuf； 计算h。
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段，在热边界层汇合之 前也就必然存在热进口段。
热充分发展段特征：无量纲温度随管长保持不 变；常物性流体h保持不变。
t - tw t 0 r r R h const x t w t f tw t f λ
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例6-1
一台壳管式蒸汽热水器，水在管内流速u m =0.85 m s ， 全管水的平均温度t f =90℃，管壁温度t w =115℃，管长 1.5m，管内径d=17mm，试计算它的表面传热系数。
解：本题 l d 10符合式（6-5）的管长条件。解题的思路 物性由附录3查取，水在t f 及t w 下的物性数据： t f =90℃： f 0.326 10 6 m 2 s ; f 0.680 W (m K）
优点：阻力较小，清洗较方便；
缺点：流体与管子之间的扰动较弱

叉排：
优点：扰动较强
缺点：阻力大，不好清洗
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1 、流动边界层
层流： Re<103 ； 混合流 ： Re=500-2×105 ； 紊流 ： Re>2×105 。
2 、换热特征
1）顺排换热弱于叉排； 2）后排强于前排；
f
0.659 10 m /s
管内流动为旺盛紊流。
Nuf 0.023 Re Pr
0.8 f
0.4 f
91.4
0.635W/(m K) h Nuf 91.4 5804W / m 2 K d 0.01m
f
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§6-2 外掠圆管对流换热
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。
断面平均温度的算术平均值；

充分发展段，q，h=const，tw线性变化，tw和tf变化率 一致，△t沿管长不变。全管长流体与管壁平均温差为 △t’和△t’’的算术平均值。
tw=const，流体与壁面的温差沿管长按对数曲线
变化。
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管内换热时流体温度变化 （a）常热流； （b）常壁温
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管内局部表面传热系数及平均h的变化 （a）层流； （b）紊流
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分析上图可得：

流动进口段与热进口段长度不一定相等，取决于 Pr： Pr>1时，流动进口段短；
Pr<1时，流动进口段长。

在进口处边界层最薄，hx最大，随后降低； 入口效应：入口h比充分发展段大，入口段有强化 传热作用（短管强化传热）； 在层流时hx趋于不变值的距离较长；
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2. 公式的修正
1）温差修正 当流体与管壁之间的温差较大时，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，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。
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2）非圆管修正
流体在流通截面形状不规则的槽道中流动：取当量直径作 为特征尺度： 当量直径(de) ：过流断面面积的四倍与湿周之比称为当量直 径


紊流曲线出现两次低谷：
层流向紊流转变；
紊流边界层与壁脱体绕流。
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局部表面传热系数最低的地方，换热最差。
分析局部表面传热系数的变化规律，对高
温换热设备的设计、研究和运行均有指导
意义。
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3、外掠单管准则关联式
可采用以下分段幂次关联式：
2.管内流体平均流速及平均温度
1）管内流体平均流速 特征速度：Re数中的流体速度
流体外掠平板或绕流圆柱：取来流速度 u
管内流动：取截面上的平均速度 u m
流体绕流管束：取最小流通截面的最大速度
u max
um
udf
0
f
f
2 V πrudr 2 πR 0 f
R
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殊因素：

进口段与充分发展段； 平均速度与平均温度； 物性场的不均匀性； 管子的几何特征。
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1.进口段和充分发展段
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，即进口段和流动 充分发展段
进口段：管子进口到边界层汇合处的这段管长。 充分发展段：流动进入定型流动的区域。
f
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3. 管内层流换热计算公式
当雷诺数Re<2300时管内流动处于层流状态，由于
层流时流体的进口段比较长，因而管长的影响通常
直接从计算公式中体现出来。
d Nu 1.86 Re Pr l
1
3
f w

0.14
适用范围：0.48<Pr<16700;0.0044< 如果管子较长，在热充分发展段
1 t f 15 C 65 C 40C 2
从附录中水的物性表中可查得
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λf=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31
管内雷诺数为 Ref ud 1m/s 0.01m 1.52 104 6 2
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3、外掠管束的实验关联式
Pr f Nu f( Re , Pr , Pr w
0 .25
S1 S 2 , , ,ε z ) d d
Pr f Nu C Re Pr Pr w
n m

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流动充分发展段的流态判断： um d Re 2300 — — 层流区 4 Re 2300， ） — — 过渡区 （ 10
Re 104 — — 紊流区
流动充分发展段特征：
u 0; v 0 x
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热进口段和热充分发展段
f w

<9.75
Nuf=4.36(q=const);Nuf=3.66(tw=const)
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例题 在一冷凝器中，冷却水以1m/s的流速流过内 径为10mm、长度为3m的铜管，冷却水的进、出口温 度分别为15℃和65℃，试计算管内的表面传热系数。 解： 由于管子细长，l/d 较大，可以忽略进口段的 影响。冷却水的平均温度为
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分析上图可知：


热边界条件有常壁温和常热流两种：
在常热流条件下，充分发展段，流体与壁
面温差沿管长保持不变；

在常壁温条件下，流体与壁面温差沿管长
按对数规律变化。
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在常热流条件下，可取管的进出口断面平均温度 的算术平均值作为流体平均温度，即：
4f de U
f —— 过流断面面积，m2
U —— 湿周，m
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3）入口修正 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 ，即
h短＝cl h长
总之：
h f(u ,λ ,c ,ρ ,μ
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二、管内受迫对流换热计算
先计算Re判断流态，再选择公式 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下面推荐的准则关系式。
Nu 0.023 Re Pr
0.8
n
适用条件：（l/d）>>10; Re≥104；Pr=0.7~160；流体与壁面 具有中等以下温度差，加热流体n=0.4；冷却流体n=0.3 定性温度：全管长流体平均温度 定型尺寸：管内径d
0.8
为紊流，由式（6-5） Nu f 0.023Ref 155 Pr f ( f w )
13 0.14
0.023(4.43 104 ) 0.81.951 3 (3.15 2.48) 0.14
0.680 2 h Nu f 155 6200W (m K） d 0.017
在常壁温条件下，流体与壁面间的温度差将沿管长 按对数曲线规律变化，流体平均温度用下式计算：
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3.物性场不均匀（高粘性流体）

曲线1为等温流； 对液体，t↑，粘度↓
冷却时，管壁处粘度高，粘
滞力大，u分布低于等温流， 分布为曲线2；
加热时，u分布为曲线3；
4.管子的几何特征
Nu f Pr
0 .37 f
式中：
Pr f Pr w

0 .25
C Ren f
C及n的值见表； 定性温度为主流温度； 特征长度为管外径；
特征速度为管外流速最大值
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当Prf>10时，Prf的幂次应该为0.36。 上述关联式的适用范围：
0.7<Prf <500;1<Ref<106;
对于空气近似取Prf=0.7，故Prf0.37=0.88
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二、外掠管束对流换热
外掠管束对流换热时，应考虑排列方式、 管间距及管排数等特殊因素。
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图 流体横掠管束的流动可视化图象
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排列方式分类

顺排：
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2、分析上图：

脱体现象：从壁面的某一位臵开始速度梯度达到0 （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 的边界层被破坏。 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。 层流、紊流脱体点不同。

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流动进口段长度：
L L 层流： 0.05 Re; 紊流 : 60 d d
热进口段长度： l 层流： ) l 0.05 Re Pr(t w const ); ( d l ( ) l 0.07 Re Pr( qw const ) d
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