1、6-3 内部流动强制对流换热实验关联式1管槽内强制对流流动和换热的特征 1. 流动特点Re23002300Re1000010000Re层流：过渡区：旺盛湍流：由于流体有粘性，流体流过管内会形成速度边界层，从入口开始，边界层厚度逐渐增加，直到边界层的厚度 时，管内才是充分发展的层流（充分发展的紊流）。2d层流层流湍流湍流无论层流还是紊流，流体在管内流动都可分为两段：流动入口段和流动充分发展段起始段：0.065Reld2. 2. 对流换热特点当流体与管壁发生对流换热时，有热边界层形成，热边界层厚度不断增加，直至等于管半径处。热起始段特点： 0.05 Re PrLd湍流热边界层起始段长度: 60Ld
2、1）层流时，hx随t增加而下降（导热厚度大，下降）在层流向紊流过渡时， hx上升，故从加强换热的角度看，应使流动处于紊流。2）层流热边界层起始段长度:此后的平均换热系数不受入口起始段的影响。热充分发展段：xhconst2td当 以后的管长，温度分布已定型， 故在经验公式中讨论充分发展段。3. 3. 管壁与流体换热量的计算：由牛顿冷却公式：h At A流体与管壁的换热面积2r L122ffwfmfmtttttt 对不同的加热方式，温差的计算不一样。有恒热源加热和恒壁温加热。如图 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。对恒热流的情况，如果充分发展段足够长，则可取充分发展段的温差 tw-tf 作为计算
3、温差。对恒壁温的情况，截面上局部温差在整个换热面上是变化的，应取平均对数温差 特征速度及定性温度的确定 特征速度一般多取截面平均流速。 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）。 牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件，可取 作为 。 对于恒壁温条件，截面上的局部温差是个变值，应用对数平均温差计算 ：mt()wfttmtlnffmwfwfttttttt二. 管内湍流换热实验关联式 fmt0.80.023 RePrnfffNu 0.4n 0.3n1、紊流换热关联式：管内强制对流时，不同的流态，换热规律不同，所得的换热系数的计算式也不同。对于紊流强制对流换热，最常用的公式是迪图斯贝
4、尔特公式：加热流体时冷却流体时式中: 定性温度采用流体平均温度 ， 特征长度为管内径。122fffmttt实验验证范围： 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。45Re101.2 10,fPr0.7120,f/60Ld。00050203010tCtCtC 气体：水：油：大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1 1）迪贝斯贝尔特修正公式对气体被加热时，当气体被冷却时，对液体0.80.023 RePrnffftNuc0.5ftwTcT 。1tcmftwc0.11m0.25m液体受热时液体被冷却时（2）采用齐德泰特公式： 定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确定），管内径为特征长度。 实验验证范
5、围为：0.140.81 / 30.027 RePrffffwNuft/60L dPr0.716700,f。4Re10fwtw（3）采用米海耶夫公式： 定性温度为流体平均温度 ，管内径为特征长度。 实验验证范围为：0.250.80.43Pr0.021 RePrPrffffwNuft/50L dPr0.6700,f46Re101.7510f。2323(8)(Re 1000)Pr1 ( )1 12.78(Pr1)fuftffdNClf0.110.45PrPr0.0520PrPr0.5 1.5fftwwfftwwCTTCTT2(1.82lgRe 1.64)f（4）采用格尼斯基公式65Re2300 10
6、Pr0.6 10ff对液体：对气体：式中f为紊流流动时达西阻力系数：实验验证范围为：非圆形截面槽道 用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。式中： 为槽道的流动截面积；P 为湿周长。 注：对截面上出现尖角的流动区域，采用当量直径的方法会导致较大的误差。4ceAdPcA 0.71LdcL（1 1）短管修正 入口段的传热系数较高。对于通常的工业设备中的尖角入口，有以下入口效应修正系数：2、紊流换热关联式的修正当：601601lllCdlCd11.77rdcR3110.3rdcR（2 2）弯管修正 螺线管强化了换热。对此有螺线 管修正系数： 对于气体对于液体d管直径R曲率半径 0.5ttwTC
7、T0.11n （3 3）温差修正液体：由于温度变化引起粘度变化气体：由于温度变化引起、物性变化液体受热0.25n 液体冷却1tC nttwC液体被冷却气体被加热修正后的迪图斯贝尔特公式为0.80.023 RePrnfffLrtNuC C C以上所有方程仅适用于 的气体或液体。对 数很小的液态金属，换热规律完全不同。推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：均匀热流边界实验验证范围：均匀壁温边界实验验证范围：特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。Pr0.6Pr0.8274.820.0185ffNuPe35Re3.6109.0510 ,f241010fPe。0.85.00.025ffNuPe。10
8、0fPe3、影响管内强制对流换热的几个主要因素1）入口段的影响：对紊流，当L/d 60，平均h不再随管长变化。由实验得出h的经验公式，一般是对L/d60的长管，若对短管，需乘上修正系数CL。进口的断面形状对换热系数也有影响，也必须修正。2）流体物性变化的影响：当流体沿管道流动被壁面加热或冷却时，沿流动分析任一截面流体的温度会发生变化，温度变化引起物性参数的变化，特别是粘性变化使速度场改变。如图第五章 对流换热19 实际上来说，截面上的温度并不均匀，导致速度分发生畸变。一般在关联式中引进乘数 来考虑不均匀物性场对换热的影响。(/)Pr / Pr )nnfwfw（或换热时管内速度分布：1等温流2冷
9、却液体或加热气体3加热液体或冷却气体3）弯管的影响：当流体沿弯管流动时由于离心力的作用，管外侧的压力大于内侧，使外测流体流向内侧，形成二次回流。增强了边界层的扰动，加强了换热。其h值在直管的基础上进行修正，乘上修正系数cr。4）管壁粗糙度的影响：粗糙度越大，换热越强。工程上常采用内壁做成沙砾状的螺旋管加强换热。0.80.023 RePrnfffNu4、强化换热措施0.40.60.80.40.20.023()pCuhd由提高流速对强化换热效果显著三. 管内层流换热关联式充分发展的层流对流换热的结果很多，可查表选用。续表 由上两表得出：1）均匀热流条件下的Nu数比均匀壁温下的Nu数大.2）层流充分
10、发展段的换热与Re无关，但紊流却于Re数有关。3）使用当量直径作为特征长度，不同截面的管道层流充分发展段的Nu数不相等。 定性温度为流体平均温度 （ 按壁温 确定）管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。 实验验证范围为：实验验证范围为： 0.00449.75fw0.141/ 3Re Pr2/fffwldPr0.4816700,fftwwt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。0.141 / 3RePr1.86/ffffwNuLd对流换热问题的解题步骤：1）首先判别所求问题使哪一类？（自然对流、强制对流、外部流、内流、相变）2）判别流态。 为层流Re2300
11、3）取定性温度、特征尺寸，查物性参数。4）选择适当公式计算Nuh5）校核，Re、t 是否在所选用公式的范围内例：p195 5-36解：1）水被加热时，定性温度查表得：60.64150.6075 10Pr3.92512020704522ffftttC5Re395061.2 10vd可用（554）式0.80.420.023RePr189.16064/NuNuhW md2）水被冷却时，定性温度与上相同12020704522ffftttC0.80.320.023RePr164.95289/NuNuhW md1.147hh冷热例：p194 5-33定性温度12030504022fftttfC60.635
12、653.3 104174Pr4.31pc22()44 *420DddeRDdmmDd查物性参数当量直径：判流态：Re167022300evd紊流采用（556）式计算：10.80.1130.027RePr ()115.1ffwNu0100wwtC由 查得恒壁温加热，取对数平均温差：解得：采用（554）式计算：115.1 0.6353654.40.02eNuhd由热平衡式：21()pffmctth dL t212112()lnffpffwfwfttmctth dLtttt2.76Lm2(10050)182.7/qhKW m出口处的热流密度：2.762.5996.2%25%2.599L 2.599L
13、m0.80.40.023RePr98.573129.5ffeNuNuhd同理，用热平衡式算出5-8 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。510Re1.5 100080851、流动特点：在绕流过程中会出现边界层分离。分离点的位置取决于Re.当 时，附面层不分离当 时，分离点发生在 处。Re105Re1.5 100140当 时，分离点发生在 处。边界层的成长和脱体决定了外掠圆管的换热特性。2、换热特点
14、：分析图：无论是层流还是紊流边界层，在 之间换热系数 h 随着边界层厚度增厚而下降。 0080层流：边界层分离后，由于漩涡的扰动 h 增大。 紊流：曲线有两个拐点，第一个拐点是层流边界层转变为紊流边界层；第二个拐点是边界层分离点 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：式中：C 及 n 的值见下表；定性温度为特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度实验验证范围： ， 。1 / 3RePrnNuC()/ 2wttReu15.5982t211046wt3、单管横掠的Nu数RenC0.4 44 4040 40004000 4000040
15、000 4000000.9890.1930.02660.9110.6830.3300.3850.4660.6180.805 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上式。 注：指数C及n值见下表，表中示出的几何尺寸 是计算 数及 数时用的特征长度。LReNu 上述公式对于实验数据一般需要分段整理。 邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式。 式中：定性温度为 适用于 的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.312820001(0.4/Pr)Nu()/2,wttRe Pr0.2二. 横掠管束换热实验关联式 外掠管束在换热
16、器中最为常见。通常管子有叉排和顺排两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除 数外，还有：叉排或顺排；管间距；管束排数等。hh叉顺Re,Pr、RePrs1中心距s2排距d直径S2 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失。这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管束排数的因素作为修正系数。顺排特点：第一排管的流动与单管相同，第二排管前驻点的冲击力减弱，约在50度左右，冲击力最大，此时h上升。第三排管的冲击力更小，但紊流度增加，使得h上升。易于冲洗且阻力小。叉排特点：横向各排受到的冲击力与单管相似，由于流体不断收缩扩大，紊
17、流度增大，故换热效果好。但流动阻力大，不易清洗。 气体横掠10排以上管束的实验关联式为 式中：定性温度为 特征长度为管外径d， 实验验证范围： C和m的值见下表。maxuRemNuC()/2rwftttRe200040000f。Re数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速对顺排：对叉排：1max1suusd11221121()2 ()2 ()()2 ()2 ()susdsdsdsusdsdsd 对于排数少于10排的管束，平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数 的值引列在下表。 nhhnn 茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很宽的 数变化范围内更便于使用的公式。 式中：定性温度
18、为进出口流体平均流速； 按管束的平均壁温确定； 数中的流速取管束中最小截面的平均流速；特征长度为管子外径。 实验验证范围：PrPrwRePr0.6500。 v 01002wftttC201502ffftttC60.033223.13 10Pr0.688例：空气预热器由n=5排、d=38mm的圆管顺排组成，管间距s1=s2=3d，每排管子数为N=8根，如果空气进入预热器tf1=20，流出预热器温度tf2=80，管壁温度tw=150试问空气流速u=6m/s空气管束之间换热量=125KW时，管束管子的长度应取多少？解：流体的平均速度：定性温度：查物性参数510n RemNuC用572式计算再修正C、n查表57123ssdd由表570.2860.608cmmaxReud1max19/u sum ssd 82.86Nuhd修正：查表58，5排，n=0.92热流密度为所需面积为：216.4Amq必要的管长为：3.443.5ALmmdNnRe147860.6080.286 (14786)98Nu 82.86 0.9276.2h 2()7620/wfqh ttW m
