第5章-对流传热的理论基础与工程计算[2].ppt
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1、5-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 管内单相流体强迫对流传热的热流量管内单相流体强迫对流传热的热流量1、流态及判断、流态及判断用雷诺数用雷诺数Re判别判别v层层 流:流:Re104 15-5 管内强迫对流传热的实验关联式管内强迫对流传热的实验关联式一、综述一、综述 由由牛牛顿顿冷冷却却公公式式,管管内内单单相相流流体体强强迫迫对对流流传传热的热流量热的热流量22、流动边界层的形成与发展、流动边界层的形成与发展v流流体体进进入入管管口口后后,开开始始形形成成边边界界层层,并并随随流流向向逐逐渐渐增增厚厚。在在稳稳态态下下,管管中中心心流流速速将将随随
2、边边界界层层的的增增厚厚而而增增加加,经经过过一一段段距距离离,管管壁壁两两侧侧的的边边界界层层将将在在管管中中心心汇汇合合,厚厚度度等等于于管管半半径径,同同时时管管断断面面流流速速分分布布和和流流动动状状态态达达到到定定型型,这这一一段段距距离离通通称称流流动动进进口口段段。之之后后,流流态态定定型型,流流动动达到充分发展,称为达到充分发展,称为流动充分发展段流动充分发展段。33、换热特征、换热特征 v热热边边界界层层同同样样存存在在进进口口段段与与充充分分发发展展段段,流流动动进进口口段段与与热热进进口口段段的的长长度度不不一一定定相相等等,这这取取决决于于Pr:当当Pr1时,流动进口段
3、比热进口段短时,流动进口段比热进口段短当当Prl时,流动进口段比热进口段长时,流动进口段比热进口段长v热进口段长度热进口段长度L(L/d10-45)常壁温条件常壁温条件下:下:L/d0.05RePr常热流条件常热流条件下:下:L/d0.07RePr 43、换热特征、换热特征 v在在Pr1情情况况下下,当当流流动动达达到到充充分分发发展展时时,换换热热也也进进入入热热充充分分发发展展段段,无无因因次次温温度度分分布布达达到到定定型型,表表面面传传热热系系数数保保持持不不变变。在在进进口口处处,边边界界层层最最薄薄,hx具具有有最最高高值值,随随后后降降低低。在在层层流流情情况况下下,hx趋趋于于
4、不不变变值值的的距距离离较较长长。在在紊紊流流情情况况下下,当当边边界界层层转转变变为为紊紊流流后后,hx将将有有一一些些回回升升,并并迅迅速速趋趋于于不变值。不变值。5入口段的热边界层薄,表面传热系数高。层流入口段长度层流入口段长度:湍流时湍流时:层流层流湍流湍流6二、管内湍流强迫对流传热 定定性性温温度度采采用用流流体体平平均均温温度度tf;特特征征长长度度为为管管内径内径di;特征流速特征流速f。流体被加热时,流体被加热时,n=0.4;流体被冷却时,;流体被冷却时,n=0.3 适用条件:适用条件:温差范围:油温差范围:油10,水,水20,气体,气体50长、直管长、直管7否则,需要修正:否
5、则,需要修正:ct温度修正系数温度修正系数 cl短管管长修正系数短管管长修正系数 cR弯管修正系数。弯管修正系数。8v(1)温度的影响)温度的影响ctv液体:液体:主要是粘性随温度而变化主要是粘性随温度而变化v气体:气体:除了粘性,还有密度和热导率等除了粘性,还有密度和热导率等v1、影响对流换热的几个因素影响对流换热的几个因素 当当流流体体温温度度tf和和壁壁面面温温度度tw相相差差较较大大时时,温温度度场场影影响响速速度度场场,从从而而影影响响对对流流传传热热系系数数。主主要要影影响响流流体体的的粘粘度度,同同时时管管道道的的安安放放位位置置及及热热流流密密度度的方向不同,速度分布也不同。的
6、方向不同,速度分布也不同。9v下列温差范围需要修正气体:tw-tf50水:tw-tf20油类:tw-tf10v液体被加热v液体被冷却v气体被加热v气体被冷却10(2)入口效应影响)入口效应影响cl 流流体体进进入入管管道道后后,从从入入口口处处开开始始,沿沿流流动动方方向向边边界界层层逐逐渐渐增增厚厚,并并由由层层流流边边界界层层转转变变为为湍湍流流边边界界层层,最最后后边边界界层层在在管管道道中中心心处处汇汇合合,边边界界层层厚厚度度等于管半径,而进入充分发展段。等于管半径,而进入充分发展段。hx的的变变化化:入入口口段段的的hx比比充充分分发发展段展段的的hx大大对于对于L/d 50短管,
7、应进行修正:短管,应进行修正:v修正系数见图修正系数见图6-3v采用公式采用公式11v(3)弯管效应)弯管效应离心力离心力二次环流二次环流换热增强换热增强修正系数:修正系数:气体:气体:液体:液体:122 2、非圆形截面槽道、非圆形截面槽道 用用当当量量直直径径作作为为特特征征尺尺度度应应用用到到上上述述准则方程中去。准则方程中去。式式中中:为为槽槽道道的的流流动动截截面面积积;P P 为为湿周长。湿周长。注注:对对截截面面上上出出现现尖尖角角的的流流动动区区域域,采采用当量直径的方法会导致较大的误差。用当量直径的方法会导致较大的误差。133 3、其它形式的关联式、其它形式的关联式希德希德泰勒
8、公式:稠油、高含蜡原油泰勒公式:稠油、高含蜡原油格尼林斯基公式:计算确定度最高格尼林斯基公式:计算确定度最高144 4、强化传热措施、强化传热措施d,h ,h,但要考虑经济性,但要考虑经济性 弯管(螺旋管)、短管弯管(螺旋管)、短管选用比热大的流体(空气冷却、氢冷、水冷)选用比热大的流体(空气冷却、氢冷、水冷)加强扰动加强扰动15三、管内层流强迫对流传热三、管内层流强迫对流传热 从从入入口口开开始始,边边界界层层沿沿程程不不断断加加厚厚,边边界界层层的的流流速速较较小小。为为了了保保证证流流量量不不变变,边边界界层层外外流流速速增增加加,边边界界层层急急需需增增厚厚,最最后后在在管管中中心心线
9、线汇汇合合,整整个个管管子子被被层层流流边边界界层占据。层占据。入口段:入口段:充分发展段:充分发展段:hx的变化的变化:入口段的:入口段的hx比充分发展段的比充分发展段的hx大大16 实际工程换热设备中,层流时的换热常常处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。可采用下列于入口段的范围。可采用下列齐德泰特公式:齐德泰特公式:适用条件:17四、管内过渡区强迫对流传热四、管内过渡区强迫对流传热18五、计算步骤五、计算步骤确定特征温度确定特征温度(有时需假设有时需假设),查物性参数,查物性参数计算计算Re,判别流动形态(若不能求得,判别流动形态(若不能求得Re数,数,先先假设流态假设
10、流态计算,再校核)计算,再校核)根据流态选关联式,考虑修正(知道的先修根据流态选关联式,考虑修正(知道的先修正,未知的先正,未知的先假设假设为为1,再校核),再校核)求求Nu和和h利用利用能量守恒定律能量守恒定律,求其它物性参数,求其它物性参数校核校核19说明:说明:求管长求管长:求出换热系数后,由能量守恒公式求出换热系数后,由能量守恒公式 如何从质量流量求速度如何从质量流量求速度 20v例例题题5-1:在在流流体体的的物物性性和和流流道道截截面面的的周周长长相相同同的的条条件件下下,圆圆管管和和椭椭圆圆管管内内单单相相流流体体的的受受迫迫紊紊流换热流换热,何者换热系数大何者换热系数大?为什么
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