单相流体对流换热

传热学单相流体对流传热特征数关联式HeatTransfer对流换热分类§6-1管内强迫对流传热§6-2外掠物体时的强迫对流传热§6-3自然对流传热第六章单相流体对流传热特征数关联式§6-1管内强迫对流传热一、综述管内单相流体强迫对流传热是工程上普遍的传热现象。如冷却水在内燃机气缸冷却水套中的对流传热、机油在机油冷却器中的对流传热、锅炉中水蒸气在过热器中的对流传热等。=hA(tf-tw)=hA过余温度=tf-tw一、湍流（Re104）强迫对流传热适用范围：Ref=104~1.2×105；Prf=0.7~120定性温度：tf=(tf’+tf’’)/2定型尺寸：圆管用管内径d（m）非圆形槽道用当量直径de=4A/P1.特征数关联式：RltrfefufcccPRN4.08.0023.0（Dittus-Boelter准则关系式）Ct——考虑边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系数；Cl——考虑短管管长对对流传热系数影响的短管修正系数；CR——考虑管道弯曲对对流传热系数影响的弯管修正系数。2.Ct－温度修正系数液体温度与壁温相差较大时，温度场影响速度场，从而影响对流传热系数。1—等温流动时的速度分布2—液体被冷却或气体被加热时的速度分布3—液体被加热或气体被冷却时的速度分布管内液体被冷却（气体被加热）时，流体温度沿径向降低，粘度变大，管壁流速降低，管中心流速增加，从而影响速度分布。反之，液体被加热（气体被冷却）时，粘度变小，管壁流速增加，管中心流速降低，从而影响速度分布。近壁处流速增加或减少，会使对流传热增强或削弱。11.0wftc液体被加热液体被冷却25.0wftc气体被加热55.0wftTTc气体被冷却1tc3.Cl—管长修正系数，Cl＞150dl必须考虑入口段对对流传热系数h的影响Cl可从P131图6—3中查得4.CR—弯管修正系数CR＞1流体在弯曲管道或螺旋管内流动时，在离心力作用下，形成二次环流，增强对流传热。对于气体RdciR77.11对于液体33.101RdciR式中：R－弯管的弯曲半径，mdi－管子内径，mRltpfRltpfRltfffcccdcdvhccccdvhdcccNu4.08.04.08.04.08.0023.0023.0PrRe023.0P162表6-7列出部分计算式供选择使用P132例6-1一台蒸汽轮机用冷凝器铜管根数n=6000，管外径23mm，壁厚1mm，冷却水进口处水温和管内壁温度分别为tf’=27.4℃，tw’=29.4℃，冷却水出口处水温和管内壁温度分别为tf”=34.6℃，tw”=35.6℃，冷却水流量qm=9×106kg/h。冷凝器内冷却水为两个流程。试计算管内壁与水之间的平均对流传热系数。解：查P322附录7有：。；；；；31.5Pr4.995107.7861079.062.03626ffffmkgsPasmkmW由tf=(tf’+tf”)/2=(27.4+34.6)/2=31℃⑴查物性参数smAqvvdfmff417.2426000021.04.995360010910425.61079.0021.0417.2ReRe22646其中：：数求由tw=(tw’+tw”)/2=(29.4+35.6)/2=32.5℃查P322附录7有：sPaw6104.764Ref104流动为紊流，选用P129式（6—5a）003.1104.764107.786766.31511003.131.510425.6023.0PrRe023.011.06611.04.08.044.08.0wftRltfffccccNu液体被加热）其中：温度修正系数（KmWdNuhf29322021.062.0766.31503.210931052.031251384052.02513849280003.1021.0417.203.2109661312222.08.02.08.0ffRltfttAKmWcccdvAhbP水其中：简化公式计算—式用二、层流强迫对流传热（Re2200）1.赛德尔－塔特关联式：14.03186.1wfrfefufldPRN使用范围：Ref＜2200，Prf=0.5-17000，8.9044.0wf10ldPRrfef与管内湍流类似，管内层流也分为入口段和充分发展段。要修正。时，Re05.0edl若可用豪森计算式：10ldPRrfef14.03204.010668.066.3wfrfefrfefufldPRldPRN三、过渡区（2200＜Ref＜104）强迫对流传热平均对流传热系数计算关联式为：14.03231321)125(116.0wferfefufldPRN式中：Recm－临界雷诺数mcecmxvR当Recm＝5×105，上式简化为318.0)23500(037.0rmelmumPRN五、管内强迫对流传热的强化管内强迫对流传热系数大致统一形式：Rltnemcccdvch1、提高流速2、减小管子当量直径（选用小管径管子、采用异型管扁圆管、椭圆管、采用内肋管）3、采用弯管或螺旋管4、采用短管5、选用系数c大的流体。空气改为水冷6、人为扰动。（壁面、超声波、内螺纹管等）§6-2外掠物体时的强迫对流传热一、纵掠平壁1、层流强迫对流传热3121664.0mrlmemumPRhlN特征数关联式：定性温度：tm=(tw+t∞)/2定型尺寸：板长l适用范围：0.6＜Prm＜50，Relm5×1052、湍流强迫对流传热平均传热系数关联式：3154037.0mrlmemumPRhlN3、复合边界层强迫对流传热平均传热系数关联式：)037.0037.0664.0(8.08.05.031ecmelmecmrmmRRRPlh318.0Pr23500Re037.0mlmmNu简化公式：二、横掠单管（或柱）时的强迫对流传热1.流动特点流体沿曲面流动会产生脱离现象，即产生涡流。产生涡流点与雷诺数的大小有关。圆管迎来流方向的最前点称为前驻点＝0。＝180°的点称为后驻点。边界层与管壁发生脱离的点称为分离点。分离点后出现涡流。Re1.4×105时边界层为层流，分离点在＝80°－85°；Re＜1，为蠕流不发生分离现象。Re=10，分离点在后驻点附近。Re1.4×105时边界层先变成湍流边界层，然后发生边界层分离，＝140°。恒热流时横掠单管的局部努塞尔数Nu随角和Re而变化。见P113图6—8一般只求平均对流换热系数。2.横掠单管平均传热系数关联式3131PrPrRemnmoomnmmoumdvcchdNc、n取值如下表：（P114表6—1）Remcn0.4～44～4040～40004000～4000040000～4000000.9890.9110.6830.1930.02660.3300.3850.4660.6180.805定性温度：tm=(tw+t∞)/2定型尺寸：圆管外径流体斜掠圆管且流动方向与圆管轴线交角小于90°时，涡旋区缩小，减小了圆管曲率对圆管后半部局部传热的强化作用。加以修正系数C1（P144表6—2）/（°）15304560708090C0.410.700.830.940.970.991.00纵掠单管时，近似用纵掠平壁时的有关关联式。特征尺寸为管长。三、横掠管束时的强迫对流传热流体横掠管束时的对流传热与管径、管距、管排数及排列方式有关。Re不大时叉排对流传热系数比顺排高，Re较高时顺排对流传热系数比叉排高。特征数关联式：zpkwfnfmffccsscNu21max,PrPrPrRe定性温度：tf=(tf’+tf’’)/2定型尺寸：圆管外径C,m,n,k,p－系数和指数见P149表6—3、4Cz－管排修正系数，z20时，Cz＝1C－流体斜向冲刷管事时的修正系数Ref,max——以管间最大流速计算的雷诺数。S1－横向节距，mS2－纵向节距，mmax,fv－管间最大流速,m/sfffdvmax,max,Re叉排时)(2,max'210110'maxoodssvdssvv2221'22sss其中：顺排时odssvv110'max对于气体，还要修正''maxmax,fffTTvvTf和Tf’分别为气体平均温度和入口温度若已知入口质流密度m［kg/(m2·s)］fofofffdmdvmaxmax,max,ReCz－管排修正系数，z20时，Cz＝1注：当流体沿管间纵掠时，用管内强迫对流计算，特征尺寸为当时直径§6-3自然对流传热一、大空间自然对流传热1、边界层的形成和发展边界层也分为层流边界层、过渡区、和紊流边界层。2、自然对流传热（1）恒壁温特征温度：tm=(tw+t∞)/2c、n见P155表6-6（2）恒热流密度（略）nmmGrcNuPr)(特征数关联式：二、有限空间自然对流（略）——壁面上边界层的发展受到限制时的自然对流传热。夹层中高温壁处的空气被加热沿壁面上升，从壁下端形成边界层并逐渐加厚。低温壁处的空气被冷却，沿壁面下降，从壁上端形成边界层并逐渐加厚。若夹层厚度远小于夹层高度H则两个边界层的形成会互相干扰。e－等效热导率，由特征数关联式求得。特征数关联式：knmemHGrcNuPr)(2000PrGrNu=151026000PrGr9141Pr)(197.0HGrNumm75101.1102PrGr9131Pr)(073.0HGrNumm适用范围Pr＝0.5-2，H/=11－42)(21ttqe计算式：本章作业6-7（ct=1）、6-9、6-11、6-21、6-27