工程傳熱學(xué)：第五章 對(duì)流換熱計(jì)算

1、2022/8/101第五章 對(duì)流換熱計(jì)算 5-1 管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算 5-2 流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算5-3 自然對(duì)流換熱計(jì)算5-4 液體沸騰換熱計(jì)算5-5 蒸汽凝結(jié)換熱計(jì)算2022/8/1025-1 管(槽)內(nèi)流體受迫對(duì)流換熱計(jì)算 1 管(槽)內(nèi)流動(dòng)換熱的特點(diǎn) 流體在管內(nèi)流動(dòng)屬于內(nèi)部流動(dòng)過程，其主要特征是，流動(dòng)存在著兩個(gè)明顯的流動(dòng)區(qū)段，即流動(dòng)進(jìn)口（或發(fā)展）區(qū)段和流動(dòng)充分發(fā)展區(qū)段 2022/8/103進(jìn)口區(qū)：流動(dòng)和熱邊界層從零開始增長(zhǎng)，直到匯合至管子中心線。管子進(jìn)口到邊界層匯合處的這段管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)稱為管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)口區(qū)充分發(fā)展區(qū)：邊界層匯合于管子中心線以后的區(qū)域，即進(jìn)入定型流動(dòng)的區(qū)域

2、。2022/8/104如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體流動(dòng)仍然保持層流，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后也就繼續(xù)保持層流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)層流流動(dòng)過程。入口段熱邊界層較薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比充分發(fā)展段高，且沿主流方向逐漸降低。2022/8/105如果邊界層在管中心處匯合時(shí)流體已經(jīng)從層流流動(dòng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，那么進(jìn)入充分發(fā)展區(qū)后就會(huì)維持紊流流動(dòng)狀態(tài)，從而構(gòu)成流體管內(nèi)紊流流動(dòng)過程。如果出現(xiàn)湍流，湍流的擾動(dòng)與混合作用又會(huì)使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有所提高，再逐漸趨向一個(gè)定值。 2022/8/106當(dāng)流體溫度和管璧溫度不同時(shí)，在管子的進(jìn)口區(qū)域同時(shí)也有熱邊界層在發(fā)展，隨著流體向管內(nèi)深入，熱邊界層最后也會(huì)在管中心匯合，從

3、而進(jìn)入熱充分發(fā)展的流動(dòng)換熱區(qū)域，在熱邊界層匯合之前也就必然存在熱進(jìn)口區(qū)段。隨著流動(dòng)從層流變?yōu)槲闪?，熱邊界層亦有層流和紊流熱邊界層之分?2022/8/107流動(dòng)進(jìn)口段熱進(jìn)口段長(zhǎng)度：2022/8/108熱邊界條件有均勻壁溫和均勻熱流兩種。對(duì)于管壁熱流為常數(shù)時(shí)，流體溫度隨流動(dòng)方向線性變化，且與管壁之間的溫差保持不變，有 xt入口段充分發(fā)展段tftw恒熱流時(shí)t=C管內(nèi)流體截面上的平均溫度 流體進(jìn)口平均溫度 2022/8/109xttw = Ctf恒壁溫時(shí)當(dāng)管璧溫度為常數(shù)時(shí)，流體的溫度隨流動(dòng)方向按如下指數(shù)規(guī)律變化 利用在整個(gè)管長(zhǎng)內(nèi)的流動(dòng)換熱平衡關(guān)系式可得出計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的平均溫差表達(dá)式2022/8/

4、1010其中，tf, tf”分別為進(jìn)口、出口截面上的平均溫度。當(dāng)出口與進(jìn)口截面上的溫差比(tw - tf)/(tw - tf)在0.5 2之間時(shí)，可按如下算術(shù)平均溫差計(jì)算，結(jié)果的差別在4%以內(nèi)。2022/8/10112 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的準(zhǔn)則關(guān)系式管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)Re104時(shí)，管內(nèi)流體處于旺盛的紊流狀態(tài)。此時(shí)的換熱計(jì)算可采用迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）準(zhǔn)則關(guān)系式 特征尺寸為d，特征流速為um，流體物性量采用的定性溫度是 為流體的平均溫度；流體被加熱n=0.4,流體被冷卻 n=0.3。2022/8/1012使用范圍：Ref = 104 1.2105,

5、Prf = 0.7 120, l/d 60；溫差tw-tf較小，所謂小溫差是指對(duì)于氣體 50；對(duì)于水2030 ，對(duì)于油類流體10。2022/8/1013當(dāng)流體與管壁之間的溫差較大時(shí)，因管截面上流體溫度變化比較大，流體的物性受溫度的影響會(huì)發(fā)生改變，尤其是流體黏性隨溫度的變化導(dǎo)致管截面上流體速度的分布也發(fā)生改變，進(jìn)而影響流體與管壁之間的熱量傳遞和交換。 液體被加熱或氣體被冷卻液體被冷卻或氣體被加熱恒定溫度的情況管內(nèi)流動(dòng)溫度對(duì)速度分布的影響示意圖2022/8/1014大溫差情況下計(jì)算換熱時(shí)準(zhǔn)則式右邊要乘以物性修正項(xiàng) 。對(duì)于液體乘以 液體被加熱n=0.11，液體被冷卻n=0.25(物性量的下標(biāo)表示取值

6、的定性溫度) 對(duì)于氣體則乘以:氣體被加熱n=0.55，氣體被冷卻n=0.0（此處溫度用大寫字符是表示取絕對(duì)溫標(biāo)下的數(shù)值）。 2022/8/1015彎曲管道流動(dòng)情況示意圖彎曲的管道中流動(dòng)的流體，在彎曲處由于離心力的作用會(huì)形成垂直于流動(dòng)方向的二次流動(dòng)，從而加強(qiáng)流體的擾動(dòng)，帶來?yè)Q熱的增強(qiáng)。2022/8/1016在平直管計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)大于1的 修正系數(shù) CR。流體為氣體時(shí) ： CR1+1.77(d/R)流體為液體時(shí) ： CR1+10.3(d/R)3R為彎曲管的曲率半徑 當(dāng)管子的長(zhǎng)徑比l/d60時(shí)，屬于短管內(nèi)流動(dòng)換熱，進(jìn)口段的影響不能忽視。此時(shí)亦應(yīng)在按照長(zhǎng)管計(jì)算出結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)

7、Cl。圖5-5顯示了不同的入口條件對(duì)入口段局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響 2022/8/1017管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 適用范圍 ：Re0.6，RePr d/L10,用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性溫度與管內(nèi)紊流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式相同。當(dāng)雷諾數(shù)Re2300時(shí)管內(nèi)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，由于層流時(shí)流體的進(jìn)口段比較長(zhǎng)，因而管長(zhǎng)的影響通常直接從計(jì)算公式中體現(xiàn)出來。這里給出Sieder-Tate的準(zhǔn)則關(guān)系式： 2022/8/1018管內(nèi)過渡流區(qū)換熱準(zhǔn)則關(guān)系式 當(dāng)雷諾數(shù)處于2300Re104的范圍內(nèi)時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)屬于層流到紊流的過渡流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)十分不穩(wěn)定。工程上常常避免采用管內(nèi)過渡流動(dòng)區(qū)段。 氣體: 2022/8/1

8、019液體: 2022/8/1020例5-1 空氣以2m/s的速度在內(nèi)徑為10 mm的管內(nèi)流動(dòng)，入口處空氣的溫度為20，管壁溫度為120，試確定將空氣加熱至60所需管子的長(zhǎng)度。 解 定性溫度為tf =(20+60)/2=40，查出空氣的物性參數(shù)為： =1.128 kg/m3，Cp=1.005 kJ/kg， =2.7610-2 W/m， f=19.110-6 kg/ms，Pr=0.699。而當(dāng)tw =120時(shí)，查得 w =22.810-6 kg/ms。 雷諾數(shù)Re=18/1021由能量平衡有: 代入數(shù)據(jù)得hL=2.83 比較上述兩步得到的結(jié)果，有10.12L-1/3 L

9、=2.83 ，最后解得L=0.148 m。由于L0.825 m，前述假設(shè)是正確的。 得h=10.12L-1/3。 2022/8/10225-2 流體外掠物體的對(duì)流換熱計(jì)算1 流體平行流過平板時(shí)的換熱計(jì)算層流流動(dòng) 紊流流動(dòng)0 xc qw x流體流過平板換熱示意圖邊界層層流流動(dòng)換熱可以通過邊界層微分方程組的求解獲得相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式而紊流問題也可以通過求解邊界層積分方程而得出相應(yīng)的準(zhǔn)則關(guān)系式。2022/8/1023當(dāng)雷諾數(shù) 時(shí)，流動(dòng)邊界層為層流流動(dòng)，其換熱計(jì)算的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 局部換熱系數(shù)計(jì)算式 平均換熱系數(shù)計(jì)算式 當(dāng)雷諾數(shù) 時(shí)，流動(dòng)邊界層流動(dòng)變?yōu)槲闪髁鲃?dòng)，如果將整個(gè)平板都視為紊流狀態(tài)，其換熱計(jì)算

10、的準(zhǔn)則關(guān)系式如下： 局部換熱系數(shù)計(jì)算式 平均換熱系數(shù)計(jì)算式 2022/8/1024實(shí)際上流體流過平板時(shí)都是逐步從層流過渡到紊流的，因而計(jì)算整個(gè)平板的換熱時(shí)，必須將前面一段按照層流計(jì)算，而后面一段按照紊流計(jì)算。于是綜合計(jì)算關(guān)系式應(yīng)為， 以上準(zhǔn)則關(guān)系式中的無量綱準(zhǔn)則的特征尺寸為x，表示平板前沿的x=0到平板x處的距離，如果計(jì)算整個(gè)平板的換熱，則特征尺寸x=L；特征流速為u；而定性溫度為膜溫度 2022/8/1025例5-2 溫度20的空氣，以10 m/s的速度流過平板，分別確定從平板前緣算起，進(jìn)入過渡區(qū)（Re1=2105）和進(jìn)入紊流區(qū)（Re2=5105）的距離。 解 查出20時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為=1

11、5.0610-6 m2/s 假設(shè)進(jìn)入過渡區(qū)的距離為L(zhǎng)1，由雷諾數(shù)Re1=uL1/ =2105, 計(jì)算出L1=0.30m； 假設(shè)進(jìn)入紊流區(qū)的距離為L(zhǎng)2, 由雷諾數(shù)Re2= uL2/ =5105, 計(jì)算出L2=0.75m。 2022/8/1026分離流動(dòng)速度分布邊界層速度分布ut流體繞流圓柱體按照勢(shì)流理論，流體在圓柱體的前部流速會(huì)逐步增大而壓力會(huì)逐步減?。涣黧w在圓柱體的后部流速會(huì)逐步減小而壓力會(huì)逐步增大。 但是，因流體的黏性力的作用，在圓柱體的前部會(huì)形成流動(dòng)邊界層，速度會(huì)從勢(shì)流流速逐步改變到壁面上的零速度，這種速度改變以消耗流體動(dòng)量為代價(jià)的，這一過程特征會(huì)保持到勢(shì)流流速達(dá)到最大值。 2 流體橫向掠

12、過圓柱體(單管)時(shí)的換熱計(jì)算 2022/8/1027在其后的增壓減速過程，流場(chǎng)由壓力轉(zhuǎn)變來的動(dòng)量會(huì)逐步地再轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲌?chǎng)的壓力，此時(shí)近壁流體不但會(huì)因動(dòng)量的耗散而沒有足夠的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為壓力，而且和會(huì)在逆向壓力的作用下產(chǎn)生逆向流動(dòng)，從而導(dǎo)致流體在邊界層發(fā)生分離。 分離流動(dòng)速度分布邊界層速度分布ut流體繞流圓柱體2022/8/1028實(shí)際上，由于邊界層的發(fā)展，勢(shì)流區(qū)的外形已經(jīng)不是圓形，因而使流動(dòng)的增壓減速過程提前，也就使流動(dòng)分離位置提前。如果流體在分離之前流動(dòng)邊界層已經(jīng)從層流發(fā)展到紊流，由于紊流邊界層中紊流動(dòng)量交換的加強(qiáng)，從而使邊界層流動(dòng)的分離向后推移。2022/8/1029繞流圓柱的流動(dòng)當(dāng)Re105時(shí)流

13、動(dòng)分離點(diǎn)在=140處。 雷諾數(shù)為 ，式中，u為來流速度，d為圓柱體外直徑。 2022/8/1030在圓柱體的前端=0處換熱系數(shù)h最大，而在分離點(diǎn)=82處換熱系數(shù)h最小；如果在邊界層從層流變?yōu)槲闪?，那么轉(zhuǎn)變點(diǎn)=140處有一個(gè)換熱系數(shù)h的最低點(diǎn)，紊流邊界層的分離點(diǎn)是另一個(gè)換熱系數(shù)h的最低點(diǎn)。抗聯(lián)歌詞：火烤胸前暖，風(fēng)吹背后涼2022/8/1031計(jì)算流體繞流圓柱體的平均換熱系數(shù)的準(zhǔn)則關(guān)系式 :準(zhǔn)則的特征流速為流體最小截面處的最大流速umax；特征尺寸為圓柱體外直徑d；定性溫度除Prw按壁面溫tw取值之外皆用流體的膜溫度tf ；是在選用tf為定性溫度時(shí)考慮熱流方向不同對(duì)換熱性能產(chǎn)生影響的一個(gè)修正系數(shù)。

14、2022/8/1032如果流體流動(dòng)方向與圓柱體軸線的夾角（亦稱沖擊角）在300- 900的范圍內(nèi)時(shí)，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可按下式計(jì)算 氣流方向管子方向3 流體橫向流過管束的換熱 管束（長(zhǎng)圓柱體束）是由多根長(zhǎng)管（長(zhǎng)圓柱體）按照一定的的排列規(guī)則組合而成的。 2022/8/1033管束的排列方式很多，最常見的有順排和叉排兩種 ddS1S1S2S2umaxuutt(1)叉排管束 (2)順排管束2022/8/1034一般叉排時(shí)流體在管間交替收縮和擴(kuò)張的彎曲通道中流動(dòng)，擾動(dòng)更劇烈，因而換熱比順排更強(qiáng)。順排則流動(dòng)阻力小，易于清洗。所以順排和叉排的選擇要全面權(quán)衡。后排管的換熱要好于第一排管，但從第三排管以后各排管

15、之間的流動(dòng)換熱特征就沒有多少差異了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)管排排數(shù)超過10排之后，換熱性能就基本穩(wěn)定不變了。 2022/8/1035平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 式中，s1和s2分別為垂直于流動(dòng)方向和沿著流動(dòng)方向上的管子之間的距離，而z為管排數(shù)目的修正系數(shù)。此公式考慮了管子排列和管排數(shù)目對(duì)換熱的影響。準(zhǔn)則關(guān)系式的特征尺寸為管外直徑，特征流速為管排流道中最窄處的流速，定性溫度為流體平均溫度。 2022/8/1036如果流體流動(dòng)的方向與管束不垂直，也就是流體對(duì)管子的沖擊角109時(shí)，自然對(duì)流邊界層就會(huì)失去穩(wěn)定而從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)。3 大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算 c、n值針對(duì)不同的自然對(duì)流換熱問題給出。公式物性量取值

16、的定性溫度為tm=(tw+t)/2，此公式僅用于壁面溫度保持常數(shù)，即tw=const.。對(duì)豎板或豎管（圓柱體），特征尺寸為板（管）高，對(duì)水平放置圓管（圓柱體），特征尺寸為外直徑。2022/8/10474 受限空間自然對(duì)流換熱計(jì)算 有些自然對(duì)流換熱過程受到固體表面的限制而形成受限空間中的自然對(duì)流換熱。 tw1 tw2 tw2 tw1 tw2 tw1(1)豎夾層 (2)水平夾層 (3)水平環(huán)縫2022/8/1048恒壁溫條件下空氣在豎夾層的準(zhǔn)則關(guān)系式為： 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 豎夾層 2022/8/1049水平夾層 水平夾層中在恒壁溫情況下的空氣自然對(duì)流換熱計(jì)算公式為： 公式中準(zhǔn)則的定性溫度為 2022/8/1050水平環(huán)縫 該公式適用于 2022/8/1051例5-3 熱電廠中有一水平放置