06章-单相流体对流传热

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CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热2/276.1管内受迫对流换热1.1一般分析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。（注意与外掠等温平板强制对流的区别）CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热3/27一、进口段与充分发展段1.流动亦分为层流和紊流，管内临界雷诺数Rec＝2300。Re2300，层流；2300Re10000,过渡区；Re10000，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。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。主要特点：00uvx；6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热4/27若存在热交换，管内流体平均温度tf将不断变化，壁面温度tw也将发生变化。变化规律取决于边界条件的类型（如常见的：恒热流和恒壁温）。与流动进口段一样，管内对流换热也存在热进口段和热充分发展段。热充分发展段性质：)(rfttttrrwfw0wfwttxxtt一、进口段与充分发展段wrRrRfwwfrRtttrconstrrttttrRwfthrconsttt常物性流体在热充分发展段性质：表面对流传热系数hx保持不变。流动进口段与热进口段长度取决于Pr数。Pr1，流动进口段短；Pr1，热进口段短。6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热5/27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≈10~45入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。层流Rex2300湍流一、进口段与充分发展段6.1管内受迫对流换热1.1一般分析层流底层紊流层CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热6/271）平均流速：二、管内流体平均流速与平均温度2002fRmVuudffrudrRf／2）平均温度（确定物性及换热温差）：RmfpfpfdrrutuRdfucdfutct022（1）断面方向平均温度：须已知断面速度及温度分布（2）管长方向平均温度：dx管段流体获得热量2()2xwfxpmfdhttRdxcuRdt2dqRdx2021murur6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热7/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向和管长方向）：2()22xwfxpmfdhttRdxcuRdtdqRdx（2）管长方向平均温度分别整理上式：22()fpmfxwfxpmdtqdxcuRdthttdxcuR常热流边界（q=const）：()wfqhttfwdtdtdxdx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与壁面的平均温差：2/)(tttwfwftttttt进口端：出口端：tf变化?6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热8/27二、管内流体平均流速与平均温度2）平均温度（断面方向和管长方向）：常壁温边界（tw=const）：2()fxwfxpmdthttdxcuR上式沿管长0到x积分：()2=()wfxxwfxpmdtthdxttcuR0022ln()=xxxwfxpmpmhdxhxttcuRcuR,,02expwfxwfpmtthxttcuR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：()()()()wfwfmwfwfttttttttttlnlnttt对数平均温差Δtm：fwmttt6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热9/27三、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。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。6.1管内受迫对流换热1.1一般分析CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热10/271.2管内对流换热的实验关联式通式（迪图斯－贝尔特公式）：nfffNuPrRe023.08.0式中：定性温度取为全管长平均温度；特征流速为管内平均流速；特征尺寸为管内径；非圆截面管，特征长度取为当量直径de＝4Ac/P（Ac为截面积，P为湿周）。加热流体n＝0.4冷却流体n＝0.3得到Nu或h后，即可根据牛顿冷却公式计算管内湍流强制对流换热量或热流密度。适用范围：1.l/d10的光滑圆管紊流流动充分发展段；2.流体与壁面具有中等以下的温差：气体≤50℃水≤20～30℃油≤10℃；3.Ref104，Prf＝0.7～160；4.对于恒壁温、恒热流边界条件均适用；5.不适用于Pr数很小的液态金属。一、紊流换热关联式6.1管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热11/27希得-塔特关联式：紊流换热修正关联式：一、紊流换热关联式0.140.81/30.027RePrffffwNu格尼林斯基关联式：45.03/24.08.0)]()(1[Pr)100(Re0214.0wffffTTldNu11.03/24.087.0)PrPr]()(1[Pr)280(Re012.0wffffldNu气体：液体：适用条件：适用条件：126.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热12/27nfffNuPrRe023.08.0根据光滑圆管紊流传热通用公式，可知：h的影响因素：1.密度和速度均为0.8次方，影响最大。2.影响较大的因素其次是导热系数，比热容；这也反映了同等条件下，水的对流换热系数要比空气大。3.在流速和温度不变前提下，小管径能提高换热系数，如圆管改成椭圆管。4.增加速度可提高换热系数，如流速由1m/s提高到1.5m/s，换热系数增加40%；然而，增加流速同时会引起流动阻力上升，须综合考虑。),,,,,(2.04.08.04.06.08.0dcufhp迪图斯－贝尔特公式：一、紊流换热关联式6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热13/27结题思路：1）首先根据给定条件选择合适的关联式：（a）管内流动；（b）壁面温度高于流体温度；（c）流体温度范围或流体与壁面温差是否满足迪图斯-贝尔特公式，不满足则用其他经验公式。2）根据关联式，确定定性温度、定型尺寸和物性参数，同时计算Re数判断流态；3）将参数带入关联式，计算Nu数，进而求出对流换热系数。例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速为um=0.85m/s，全管长水的平均温度tf=90℃，管壁面温度tw=115℃，管长为1.5m，管内径d=17mm，试计算其表面换热系数。6.1管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热14/27式中：定性温度取为进出口流体平均温度的算术平均值；特征流速为管内平均流速；特征长度为管内径；管内层流换热Nu（充分发展段）：管内流动入口段为层流。常见于微型动力设备、电器及仪表等空气冷却或加热过程。西得-塔特常壁温层流换热关联式：二、层流换热关联式14.03/13/13/1)()(PrRe86.1wffffldNu14.03/1)()(86.1wfffldPeNu4.36()3.66()ffwNuqconstNutconst6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热15/27【解】：确定定性温度tf=(20+60)/2=40℃，查物性参数：雷诺数：Re=1.18×1032300，故为层流。选用层流换热关联式：14.03/13/13/1)()(PrRe86.1wffffldNu2p()(''')4wfmffdhdlttuctt3-266=1.128kg/m1.005KJ/kgK2.7610W/mK19.110kg/ms22.810kg/msPr0.699fwcp，，，，例2：空气以2m/s速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为20℃，管壁温度为120℃，试确定将空气加热至60℃时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12l-1/3。根据能量平衡方程有：6.1管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热16/272p()(''')4wfmffdhdlttuctt例2：空气以2m/s速度在内径为10mm的管内流动，入口处的空气温度为20℃，管壁温度为120℃，试确定将空气加热至60℃时所需要的管长。将参数带入层流换热关联式，整理可得：h=10.12l-1/3。根据能量平衡方程有：整理上式可得：hl=2.83。联立两式，可计算出l=0.148m。6.1管内受迫对流换热CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热17/27三、管槽内部强制对流换热的强化：机理：减薄或消除热边界层。措施：增加流速、增加内壁粗糙度；内肋管、内螺纹管；弯管、扭曲管等。注意：强化传热的措施往往引起流动阻力的增加，其输送能耗必然增加，需要综合考虑。（对流传热场协同作用）nfffNuPrRe023.08.00.80.20.60.40.80.4(,,,,,)phfudc6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热18/27四、微细尺度通道内的流动与传热及纳米流体传热：MEMS:特征尺度10-6m～10-3m，流动与传热存在尺度效应。克努森数：Kn＝λ/lKn≤0.001，连续介质区0.001Kn0.1，速度滑移与温度跳跃区0.1Kn10，过渡区Kn≥10，自由分子区特点：1.控制过程的作用力影响显著变化；2.表面粗糙度影响显著变化；3.壁面导热影响明显；4.流体的可压缩性；5.气体的稀薄性。纳米流体：基础流体中添加纳米尺度颗粒构成的复合流体。式中，λ是流体分子平均自由程；L是系统的长度尺度6.1管内受迫对流换热1.2管内对流换热的实验关联式CUMT-SMCE传热学HeatTransfer6单相流体对流传热19/27作业：1、水以um=1.5m/s的速度流过内径d=25mm的加热管，管内壁温度保持恒定且tw=