管内受迫对流换热PPT课件

t r
r R
h
const
tw t f
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1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态） ➢ 换热的主要特点：
换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。
• Pr＝1 相等 • Pr>1 流动入口段 < 热入口段 • Pr<1 流动入口段 > 热入口段长
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态）
➢ 换热的主要特点：
入口段长度 l： 层流： l/d ≈ 0.05RePr (常壁温); l/d ≈ 0.07RePr (常热流);
湍流 ： l/d ≈ 10~45d
入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。
层流底层
紊流层
计算h时， 注意管长 的适用性！
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1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
对数平均温差Δtm：
tm
(tw
tf ) (tw ln (tw tf )
(tw tf )
tf )
t t ln t
t
t 全管长流体平均温度： f tw tm
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1.1 一般分析
三、 物性场不均匀性
当流体与管壁之间的温差较大时，管截面上流体温度变化较大； 尤其是黏性随温度的变化，导致管截面上流体速度的与等温流动 不同，进而影响流体与管壁之间的热量传递。
二、 紊流换热修正关联式
1） 不均匀物性--粘度明显变化的情况
希得-塔特关联式：
Nu f
0.027
Re0f.8
Pr1f /3
f w
0.14
2） 不均匀物性—多样物性变化的情况
格尼林斯基关联式：
1 气体：
Nu f
0.0214(Re0f.8
100)
Pr
0.4 f
[1
(
d l
)
2
/
3
T ](
f
Tw
上式沿管长0到x积分： ln(tw
tf
)x
x 0
=
x 0
2hxdx
c pum R
2hx
c pum R
tw tw
tf ,x t f ,0
exp
2hx
cpumR
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
常壁温边界（tw=const）：
流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化，那么全管长流体与壁面平 均温差Δtm：
f
dx
2hx (tw t f )x
c pum R
dt f 2q const
dx cpumR
在常热流边界条件下，充分发展段管壁温度、流体温度均呈线性变化，且两者变化 速率相等；进口段受边界层影响，h不断变小，故流体与壁面温差逐渐变大。
在计算平均温差时，取进口和出口两端温差Δt’和Δt’’的算术平均值作为全管长流体
第六章 单相流体对流传热
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
6.1 管内受迫对流换热
内部强制对流在工程上有大量应用： 暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等
内部强制对流与外部强制对流： 管槽内部强制对流受流道壁面的 约束，边界层的发展受到限制。
如何计算一台壳式蒸汽热水器的表面换热系数？ 2/27
) 0.45
适用条件：
2
液体：
Nu f
0.012(Re0f.87
280)
Pr
0.4 f
[1
(d l)源自2/3](
Prf Prw
)
0.11
适用条件：
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1.2 管内对流换热的实验关联式
dx 管段流体获得热量
对换热过程而言
d hx (tw t f )x 2 Rdx cpum R2dt f
d q2 Rdx 对微元体而言
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
（b）管长方向流体平均温度：
dt f
dx
2q
c pum R
分别整理方程式： 常热流边界（q=const）：
dt
1-等温流 2-冷却液体或加热气体 3-加热液体或冷却气体
温度的变化，还会引起密度不同，必然产生自然对流，从而影响 流动及换热，对大管径、低流速或大温差时应预关注。
四、 几何特征
特征长度， 管径，形状，粗糙度等等
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1.2 管内对流换热的实验关联式
一、 紊流换热关联式 通式（迪图斯－贝尔特公式）：
1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段 (状态)
概念：流体从进入管口开始，经过一段距离后，管内断面流速分布和流动状 态才能定型，这段距离称为进口段。此后即为流动充分发展段，其流动状态 由Re数确定。 ➢ 流动的主要特点： 1. 充分发展段流态由Re确定，管内临界雷诺数Rec＝2300。 Re<2300，层流；2300<Re<10000, 过渡状态；Re>10000，旺盛湍流区
2. 流动充分发展段：径向速度分量v为零，轴向速度 u 不再随 x 变化。
u 0；v 0 x
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1.1 一般分析
一、 进口段与充分发展段（状态） ➢ 换热的主要特点：
换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最
高而逐渐减弱
热充分发展段： 表面对流传热系数 hx 保持不变。
与壁面的平均温差：
t (t t) / 2
进口端：t tw tf
出口端：t tw tf
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1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
常壁温边界（tw=const）： dt f 2hx (tw t f )
dx
c pum R
齐次化： d (tw t f ) 2hx dx
(tw t f ) cpumR
Nu f 0.023Re0f.8 Prfn
加热流体 n＝0.4 冷却流体 n＝0.3
• 三大特征量
特征尺度：内径di 定性温度：全管长平均温度 tf =(tin+tout)/2
特征流速：管内平均流速
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1.2 管内对流换热的实验关联式
一、 紊流换热关联式
• 适用范围
➢ Re>104，旺盛湍流
➢ Pr=0.7160，包括空气、水、油
➢ (l/d)>>10，平均换热系数；如果是短管则需修正
➢ 边界条件：给定温度或给定热流边界均可
➢ △t = tw - tf
气≤50℃ 水≤20℃ 油≤10℃
中等温差，非tin - tout
➢ 不适用于液态金属，Pr~10-2
1.2 管内对流换热的实验关联式
➢ 1）流体的平均流速
um
f
u df／f
0
2 R
2
R
rudr
0
V f
➢ 2）流体的平均温度（确定物性及换热温差）：
（a）断面方向流体平均温度：须已知断面速度及温度分布
t f
cpt u df
f
cp u df
2 R2 um
R
t u r dr
0
f
1.1 一般分析
二、 平均流速与平均温度
（b）管长方向流体平均温度：