工程传热学第五章对流换热计算.ppt

*,*,华中科技大学热科学与工程实验室,HUST Lab,of Thermal,Science&Engineering,第五章 对流换热计算,5-1,管,(,槽,),内流体受迫对流换热计算,5-2,流体外掠物体的对流换热计算,5-3,自然对流换热计算,5-1,管,(,槽,),内流体受迫对流换热计算,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，即流动进口（或发展）区段和流动充分发展区段,1.,管,(,槽,),内流动换热的特点,进口区：流动和热边界层从零开始增长，直到汇合至管子中心线。管子进口到边界层汇合处的这段管长内的流动称为管内流动进口区。,充分发展区：边界层汇合于管子中心线以后的区域，即进入定型流动的区域。,如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进入充分发展区后也就继续保持层流流动状态，从而构成流体管内层流流动过程。,入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。,如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管内紊流流动过程。,如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个定值。,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的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。,随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流和紊流热边界层之分。,流动进口段：,热进口段长度：,热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。,对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变，有,x,t,入口段,充分发展段,t,f,t,w,恒热流时,t=C,管内流体截面上的平均温度,流体进口平均温度,x,t,t,w,=C,t,f,恒壁温时,当管壁温度为常数时，流体的温度随流动方向按如下指数规律变化,利用在整个管长内的流动换热平衡关系式,可得出计算表面传热系数的平均温差表达式,其中，,t,f,t,f,”,分别为进口、出口截面上的平均温度。,当出口与进口截面上的温差比,(,t,w,-t,f,)/(,t,w,-t,f,),在,0.5 2,之间时，可按如下算术平均温差计算，结果的差别在,4%,以内。,管内紊流换热准则关系式,当管内流动的雷诺数,Re10,4,时，管内流体处于旺盛的紊流状态。此时的换热计算可采用迪图斯,-,贝尔特（,Dittus-Boelter,）准则关系式,特征尺寸为,d,，特征流速为,u,m,，流体物性量采用的定性温度是 为流体的平均温度；流体被加热,n=0.4,流体被冷却,n=0.3,。,2.,管内强制对流换热的准则关系式,使用范围：,平直管，,Re,f,=10,4,1.210,5,Pr,f,=0.7,120,l/d,60,；温差,t,w,-t,f,较小，所谓小温差是指对于气体,50,；对于水,2030,，对于油类流体,10,。,当流体与管壁之间的温差较大时，因管截面上流体温度变化比较大，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导致管截面上流体速度的分布也发生改变，进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。,液体被加热或气体被冷却,液体被冷却或气体被加热,恒定温度的情况,管内流动温度对速度分布的影响示意图,大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项。,对于液体乘以,液体被加热,n=,0.11,，液体被冷却,n=,0.25(,物性量的下标表示取值的定性温度,),对于气体则乘以,:,气体被加热,n=,0.55,，气体被冷却,n=,0.0,（此处温度用大写字符是表示取绝对温标下的数值）。,弯曲管道流动情况示意图,弯曲的管道中流动的流体，在弯曲处由于离心力的作用会形成垂直于流动方向的二次流动，从而加强流体的扰动，带来换热的增强。,在平直管计算结果的基础上乘以一个大于,1,的修正系数,C,R,。,流体为气体时：,C,R,1+1.77(d/R),流体为液体时：,C,R,1+10.3(d/R),3,R,为弯曲管的曲率半径,当管子的长径比,l/d60,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,C,l,。,管内层流换热准则关系式,适用范围：,Re0.6,RePr d/L10,用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度与管内紊流换热准则关系式相同。,当雷诺数,Re2200,时管内流动处于层流状态，,Sieder-Tate,的准则关系式：,管内过渡流区换热准则关系式,当雷诺数处于,2200Re10,4,的范围内时，管内流动属于层流到紊流的过渡流动状态，流动十分不稳定。工程上常常避免采用管内过渡流动区段。,气体,:,液体,:,例,5-1,空气以,2m/s,的速度在内径为,10 mm,的管内流动，入口处空气的温度为,20,，管壁温度为,120,，试确定将空气加热至,60,所需管子的长度。,解,定性温度为,t,f,=(20+60)/2=40,，查出空气的物性参数为：,=1.128 kg/m,3,，,C,p,=1.005 kJ/kg,，,=2.76,10,-2,W/m,，,f,=19.1,10,-6,kg/m,s,，,Pr=0.699,。而当,t,w,=120,时，查得,w,=22.8,10,-6,kg/m,s,。,雷诺数,Re=1.18,10,3,10,由能量平衡有,:,代入数据得,hL=2.83,比较上述两步得到的结果，有,10.12L,-1/3,L=2.83,，最后解得,L,=0.148 m,。由于,L0.825 m,，前述假设是正确的。,得,h=10.12L,-1/3,。,层流流动 紊流流动,0 x,c,q,w,流体流过平板换热示意图,5-2,流体外掠物体的对流换热计算,1.,流体平行流过平板时的换热计算,当雷诺数 时，流动边界层为层流流动，其换热计算的准则关系式如下：,局部换热系数计算式,平均换热系数计算式,当雷诺数 时，流动边界层流动变为紊流流动，如果将整个平板都视为紊流状态，其换热计算的准则关系式如下：,局部换热系数计算式,平均换热系数计算式,于是综合计算关系式应为，,特征尺寸为,x,，表示平板前沿的,x=0,到平板,x,处的距离，如果计算整个平板的换热，则特征尺寸,x=L,；特征流速为,u,；而定性温度为膜温度,分离流动速度分布,边界层速度分布,u,t,流体绕流圆柱体,按照势流理论，流体在圆柱体的前部流速会逐步增大而压力会逐步减小；流体在圆柱体的后部流速会逐步减小而压力会逐步增大。,但是，因流体的黏性力的作用，在圆柱体的前部会形成流动边界层，速度会从势流流速逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变以消耗流体动量为代价的，这一过程特征会保持到势流流速达到最大值。,2.,流体横向掠过圆柱体,(,单管,),时的换热计算,在其后的增压减速过程，流场由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离。,分离流动速度分布,边界层速度分布,u,t,流体绕流圆柱体,绕流圆柱的流动当,Re10,5,时流动分离点在,=140,处。,雷诺数为 ，式中，,u,为来流速度，,d,为圆柱体外直径。,在圆柱体的前端,=0,处换热系数,h,最大，而在分离点,=82,处换热系数,h,最小；如果在边界层从层流变为紊流，那么转变点,=140,处有一个换热系数,h,的最低点，紊流边界层的分离点是另一个换热系数,h,的最低点,计算流体绕流圆柱体的平均换热系数的准则关系式,:,准则的特征流速为流体最小截面处的最大流速,u,max,；特征尺寸为圆柱体外直径,d,；定性温度除,Pr,w,按壁面温,t,w,取值之外，皆用流体的主流温度,t,f,；,是在选用,t,f,为定性温度时考虑热流方向不同对换热性能产生影响的一个修正系数。,如果流体流动方向与圆柱体轴线的夹角（亦称冲击角）在,30-90,的范围内时，平均表面传热系数可按下式计算,气流方向,管子方向,管束（长圆柱体束）是由多根长管（长圆柱体）按照一定的的排列规则组合而成的。,3.,流体横向流过管束的换热,管束的排列方式很多，最常见的有顺排和叉排两种,S,2,(1),叉排管束,(2),顺排管束,d,d,S,1,S,1,S,2,u,max,u,u,t,t,一般叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，扰动更剧烈，因而换热比顺排更强。,顺排则流动阻力小，易于清洗。,所以顺排和叉排的选择要全面权衡。,后排管的换热要好于第一排管，但从第三排管以后各排管之间的流动换热特征就没有多少差异了。实验结果表明，当管排排数超过,10,排之后，换热性能就基本稳定不变了。,平均表面传热系数,式中，,s,1,和,s,2,分别为垂直于流动方向和沿着流动方向上的管子之间的距离，而,z,为管排数目的修正系数。此公式考虑了管子排列和管排数目对换热的影响。准则关系式的特征尺寸为管外直径，特征流速为管排流道中最窄处的流速，定性温度为流体平均温度。,如果流体流动的方向与管束不垂直，也就是流体对管子的冲击角,10,9,时，自然对流边界层就会失去稳定而从层流状态转变为紊流状态。,c,、,n,值针对不同的自然对流换热问题给出。,定性温度：,t,m,=(t,w,+t,)/2,，此公式仅用于壁面温度保持常数，即,t,w,=const,。,特征尺寸：,竖板或竖管,(,圆柱体,),板,(,管,),高,水平放置圆管,(,圆柱体,),外直径,3.,大空间自然对流换热计算,4.,受限空间自然对流换热计算,有些自然对流换热过程受到固体表面的限制而形成受限空间中的自然对流换热。,t,w1,t,w2,t,w2,t,w1,t,w2,t,w1,(1),竖夹层,(2),水平夹层,(3),水平环缝,恒壁温条件下空气在竖夹层的准则关系式为：,定性温度为,竖夹层,水平夹层,水平夹层中在恒壁温情况下的空气自然对流换热计算公式为：,定性温度为,水平环缝,该公式适用于,定性温度为,例：热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，保温层外径为,400mm,壁温,t,w,为,50,，周围空气的温度,t,0,为,20,。试计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。,解：,这是一个自然对流换热问题。特征温度为,按此温度从附录中查得空气的物性参数值为,v,=16.58x10,-6,m,2,/s,=2.72x10,2,W/mk,Pr,=0.7,查得,c=0.53,n=1/4,单位管长的对流散热损失为,作业,习题：,5-9,