管内受迫对流换热.pptx

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1、1/27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。6.1 管内受迫对流换热如何计算一台壳式蒸汽热水器的表面换热系数？第第1页页/共共20页页2/27一、进口段与充分发展段(状态)1.充分发展段流态由Re确定，管内临界雷诺数Rec2300。Re2300，层流；2300Re10000，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

2、流动状态由Re数确定。流动的主要特点：1.1一般分析第第2页页/共共20页页3/27热充分发展段：热充分发展段：表面对流传热系数表面对流传热系数 hxhx 保持不变。保持不变。一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：换热入口段：换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱第第3页页/共共20页页换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。Pr1相等相等Pr1流动入口段流动入口段热入口段热入口段Pr热入口段长热入口段长一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：第第4页页/共共20页页5/27入

3、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 1045d入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。层流底层紊流层一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：计算计算h时，时，注意管长注意管长的适用性！的适用性！第第5页页/共共20页页1.1一般分析1）流体的平均流速二、平均流速与平均温度2）流体的平均温度（确定物性及换热温差）：（a）断面方向流体平均温度：须已知断面速度及温度分布第第6页页/共共20页页1.1一般分析二、平均流速与平均温度（b）管长方向流体平均温度：dx 管段流体获得热量对微元体而言对微元体而言对换热过

4、程而言对换热过程而言第第7页页/共共20页页8/27分别整理方程式：常热流边界（q=const）：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t和t的算术平均值作为全管长流体与壁面的平均温差：1.1一般分析二、平均流速与平均温度（b）管长方向流体平均温度：第第8页页/共共20页页常壁温边界（tw=const）：1.1一般分析二、平均流速与平均温度齐次化：上式沿管长0到x积分：第第9页页/共共20页页10/27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

5、壁面平均温差tm：对数平均温差tm：常壁温边界（tw=const）：1.1一般分析二、平均流速与平均温度全管长流体平均温度：第第10页页/共共20页页11/27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。1.1一般分析三、物性场不均匀性四、几何特征特征长度，特征长度，管径，形状，粗糙度等等管径，形状，粗糙度等等第第11页页/共共20

6、页页12/27通式（迪图斯贝尔特公式）：加热流体 n0.4冷却流体 n0.3一、紊流换热关联式1.2管内对流换热的实验关联式三大特征量三大特征量特征尺度：内径特征尺度：内径di定性温度：定性温度：全管长平均温度 tf=(tin+tout)/2特征流速：特征流速：管内平均流速第第12页页/共共20页页适用范围适用范围Re104，旺盛湍流，旺盛湍流Pr=0.7 160，包括空气、水、油，包括空气、水、油(l/d)10，平均换热系数；如果是短管则需修正，平均换热系数；如果是短管则需修正边界条件：给定温度或给定热流边界均可边界条件：给定温度或给定热流边界均可一、紊流换热关联式1.2管内对流换热的实验关

7、联式不适用于液态金属，不适用于液态金属，Pr10-2t=tw-tf气气50水水20油油10中等温差，非中等温差，非tin-tout第第13页页/共共20页页14/27希得-塔特关联式：格尼林斯基关联式：气体：液体：适用条件：适用条件：12二、紊流换热修正关联式1.2管内对流换热的实验关联式1）不均匀物性-粘度明显变化的情况2）不均匀物性多样物性变化的情况第第14页页/共共20页页3).弯管弯管(螺旋管螺旋管)气体气体 液体液体 d-管直径；管直径；R-螺旋管曲率半径。螺旋管曲率半径。二、紊流换热修正关联式1.2管内对流换热的实验关联式修正系数：修正系数：第第15页页/共共20页页二、紊流换热修

8、正关联式1.2管内对流换热的实验关联式4）非圆截面非圆截面当量直径当量直径de(equivalent)第第16页页/共共20页页17/27h 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。三、紊流换热关联式应用1.2管内对流换热的实验关联式第第17页页/共共20页页18/27 管槽内部强制对流换热的

9、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）三、紊流换热关联式应用1.2管内对流换热的实验关联式第第18页页/共共20页页19/27解题思路：1）由定性温度，确定物性；由定性温度，确定物性；2）计算计算Re，判断流态；，判断流态；3）选用合适的准则关联式；选用合适的准则关联式；（流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管）（流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管）4）计算计算Nuf和对流换热系数和对流换热系数hf。重点：确定定性温度：（定热流，还是定壁温？）重点：确定定性温度：（定热流，还是定壁温？）例例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。例题：第第19页页/共共20页页20/27感谢您的观看。感谢您的观看。第第20页页/共共20页页