§6-1§6-2管内受迫对流换热

HeatTransfer传热学建筑环境与设备工程专业主干课程之一!§6单相对流换热建筑环境与设备工程专业主干课程之一!Chapter6TheHeatTransferofSingle-phaseConvectionLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering1、式（1）与导热问题的第三类边界条件式（2）有什么区别？（1）（2）HeatTransfer0yytth)()(fwtthhtLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering（1）（2）式（1）中的h是未知量，而式（2）中的h是作为已知的边界条件给出，此外（2）中的为固体导热系数而此式为流体导热系数。HeatTransfer0yytth)()(fwtthhtLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering2、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性?HeatTransfer0yytthLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。HeatTransferLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering3、对流换热边界层微分方程组是否适用于粘性很大的油和Pr数很小的液体金属？为什么？HeatTransfer解：对于粘度很大的油类，Re数很低，速度边界层厚度与x为同一数量级，因而动量微分方程中与为同一量级，不可忽略，且此时由于δx~x速度u和v为同一量级，y方向的动量微分方程不能忽略。对于液态金属，Pr很小，速度边界层厚度与温度边界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界厚度，在边界层内，因而能量方程中不可忽略。因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大的油和Pr数很小的液态金属。22ux22uy2222ttxy22txLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransfer§6-1管内受迫对流换热学习对流换热的目的：会计算表面传热系数h,解决工程实际问题。各类热力管道（热水及蒸汽管道等）、换热器……一、定性分析（基本概念）1.进口段与充分发展段1.流动进口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此时：u=f（x,r）流动充分发展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发展。此时：r=0；u/x=0，但u/y≠0。HeatTransfer充分发展段的流态判断：2.对于换热状态热进口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后，热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。热充分发展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分发展，故称为～。热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将保持不变，即：0fwwttttx由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上式变为：fwRrRrfwwttrtttttrConsthttrtttttrfwRrRrfww将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有：上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。这是热充分发展段的重要特性。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering流动进口段与热进口段的长度不一定相等，这取决于Pr。(1)当Pr＞1时，流动进口段比热进口段短。(2)当Pr＜l时，情形正相反。(3)热进口段长度L（紊流：L/d≈10-45）：层流：在常壁温条件下L/d≈0.05RePr；在常热流条件下L/d≈0.07RePr。(4)在Pr＝1情况下，当流动达到充分发展时，换热也进入热充分发展段。在进口处，边界层最薄，hx具有最高值，随后降低。在层流情况下，hx趋于不变值的距离较长。在紊流情况下，当边界层转变为紊流后，hx将有一些回升，并迅速趋于不变值。HeatTransfer2.热边界层与换热特征分析Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering(5)入口段的热边界层薄，表面传热系数高。因此，注意在选择准则方程计算时要注意该方程适用的管长条件。HeatTransfer层流湍流2.热边界层与换热特征分析Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering1.特征速度及定性温度特征速度：计算Re数时用到的流速，一般多取截面平均流速。定性温度：计算物性的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）。在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后，采用下式确定该截面上流体的平均温度：HeatTransfer（二）管流平均温度换热平均温差fRmfVRfrudrudfu00221RffturdruRdfuctdfucmppft00022另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律与边界条件有关。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering2.热边界条件：均匀壁温（常壁温）与均匀热流（常热流）。HeatTransfer（二）管流平均温度换热平均温差*【湍流：除液态金属外，两种条件的差别可不计。层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。】**利用以上两个式子沿管长积分，即可求得全管长流体的平均温度。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering管内流体平均温度①常热流边界条件：如图，此时：twtf经分析：充分发展段后：tf呈线性规律变化tw也呈线性规律变化此时，管内流体的平均温度进口段充分发展段txtw/tf/tw//tf//2fffttt其中：tf/、tf//分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流体的平均温度记作tf。（二）管流平均温度换热平均温差Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering管内流体平均温度②常壁温边界条件：设进出口温差分别为△t/、△t/。经分析有：表明tf随x呈对数规律变化。△t//xRuchttmp2exptxtw=Consttf/tf//△t/此时twtftf（x）ttttttttmtlnlna.若△t//△t//2，则：b.若△t//△t//≥2，则：tf=tw±△tm其中：（二）管流平均温度换热平均温差Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering管流平均温差HeatTransfer（二）管流平均温度换热平均温差（1）常热流边界条件：（2）常壁温边界条件：)2exp(xRuchttmpLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering管流平均温度HeatTransfer（二）管流平均温度换热平均温差（1）常热流边界条件：（2）常壁温边界条件：mt称对数平均温差.Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransfer（三）物性场不均匀1.对于液体：主要是粘性随温度而变化t↑⇒μ↓流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却时的值。加热气体或冷却液体一般有：↑→曲线1变成2→边界层加厚→h↓冷却气体或加热液体一般有：↓→曲线1变成3→边界层变薄→h↑另外：t变化会引起、、cp等变化→h产生波动。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransfer（四）管子的几何特征1.管长入口段的长短对管道表面传热系数产生影响。一些经验公式对管长范围有规定，引入管长修正系数修正管长对换热的影响。2.管径在不改变流速和温度的条件下，采用小直径管能够提高表面传热系数。3.弯管弯管形成二次流，有利于换热，但阻力损失同时增加。4.粗糙管粗糙点能增强换热，但是阻力系数增加，泵的能耗增加。0.80.40.600.2.40.023piuCdLogo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering（1）实用上使用最广的是迪图斯－贝尔特公式：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。HeatTransfer0.80.023RePrnfffNu0.4n0.3nft二.管内对流换热实验关联式1.紊流换热Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering(/)Pr/Pr)nnfwfw或（HeatTransfer实验验证范围：此式适用于流体与壁面具有中等以下温差场合。在有换热条件下，截面上的温度并不均匀，导致速度分布发生畸变。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温差修正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。45Re101.210,f～Pr0.7120,f～/60ld。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransfer因此，在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项。Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering（2）采用齐德－泰特公式：HeatTransfer0.140.81/30.027RePrffffwNu/60,ldPr0.716700,f～4Re10f。ftwtw定性温度为流体平均温度（按壁温确定），管内径为特征长度。实验验证范围为：Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineering（3）采用米海耶夫公式：HeatTransfer0.250.80.43Pr0.021RePrPrffffwNu/50ld，Pr0.6700,f～46Re10~1.7510f。ft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：Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransfer（4）采用格尼林斯基公式：fft23f(f8)(Re-1000)PrdNu=1+cl1+12.7f8(Pr-1)对液体0.11ftwPrc=PrfwPrPr0.05~20对气体0.45ftwTc=TfwTT0.5~1.5Logo建筑工程系TheDepartmentofConstructionEngineeringHeatTransferl为管长;f为管内湍流流动的达尔西阻