第六章無相變對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式

第六章無相變對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程式適用范圍就是:Ref＝1×104～２×105;Ｐrf＝0、7～120;管長(zhǎng)L與管徑之比L/D＞５0。式中n值,當(dāng)加熱液體或冷卻氣體時(shí)(粘度降低),取n＝０、４;當(dāng)冷卻液體或加熱氣體時(shí)(粘度增大),取n＝０、３,之所以有這個(gè)差別,則就是因?yàn)橹髁鳒囟认嗤猛环N流體換熱時(shí),層流底層得溫度必然高于冷卻時(shí)層流底層得溫度。當(dāng)流體與壁面之間存在較大溫差時(shí),希德和泰特建議采下列公式:Ｎuf＝0、027Ｒef0、8Ｐrf1/3(μf/μw)0、14

(6-2)該式適用于Ref＞10４,Prf＝0、7～16700,L/D＞50,直管。式中除μw取壁溫下tw得動(dòng)力粘度外,其她物性均取流體平均溫度tf下得。定型尺寸取管內(nèi)徑D,特征速度為V。物性修正系數(shù)式(6-2)與式(6-1)相比較,可以看出式(6-2)多了一個(gè)修正項(xiàng)(μf/μw)0、14,這就是因?yàn)榭紤]到溫差較大時(shí),管軸心處和近壁處得溫度不同,引起物性變化,特別就是粘度得差異,使流體受熱和被冷卻時(shí)得速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及邊界層得厚度不同,最終影響換熱系數(shù)α得不同。圖6-1示出了粘度隨溫度變化對(duì)速度場(chǎng)得影響。曲線1就是等溫流動(dòng)時(shí)得情況,曲線2為冷卻液體或加熱氣體時(shí)(粘度增大)得情況,曲線3就是加熱液體或冷卻氣體時(shí)(粘度降低)得情況。

管長(zhǎng)修正系數(shù)對(duì)于短管而言,換熱系數(shù)α通常要比長(zhǎng)得直管得要高些。大體上就是當(dāng)L>50D之后,α大致不再隨管長(zhǎng)L而變。L≤50D時(shí),就認(rèn)為就是短管,需對(duì)上兩式進(jìn)行修正,通常就是右端乘以一修正系數(shù)εl(管長(zhǎng)修正系數(shù)),其值如表6-1所示;或由εl＝１＋(D/Ｌ)0、7修正。

彎曲(管)修正系數(shù)εR需要指出:上面兩式都就是對(duì)流體在光滑得圓形直管內(nèi)而言得。工程上也會(huì)碰到彎管流動(dòng)。

在彎曲段,由于離心力得作用,使流體在管道內(nèi)形成二次環(huán)流,加強(qiáng)了流體得擾動(dòng)和混合,強(qiáng)化了換熱,在準(zhǔn)則方程式中應(yīng)乘以彎曲(管)修正系數(shù)εR加以修正。管道彎曲修正系數(shù)εR可采用下面得式子計(jì)算獲得。對(duì)于氣體εＲ＝1＋1、77(Ｄ/Ｒ)(6-3)對(duì)于液體εＲ＝1＋10、3(Ｄ/Ｒ)3(6-4)式中R為彎管得曲率半徑,D為管子內(nèi)徑。2管內(nèi)層流換熱準(zhǔn)則式

當(dāng)Re＜2000～2320時(shí),管內(nèi)流體得流態(tài)呈層流。研究表明:當(dāng)管徑小、管內(nèi)流體與壁面得溫差較小時(shí),自然對(duì)流難于展開,管內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)格得層流。

9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流希德和泰特等人建議這種情況下得受迫對(duì)流換熱采用下面得經(jīng)驗(yàn)式:Ｎuf＝1、86Ｒef0、33Prf0、33(Ｄ/L)1/3(uf/μw)0、14(6-5)

其適用范圍就是:Ref＝13～2300;Ref·ＰrfＤ/L＞10。直管。需要指出,利用上式計(jì)算層流換熱時(shí),結(jié)果常會(huì)同實(shí)際情況有較大得出入,因?yàn)樵撌經(jīng)]有估計(jì)自然對(duì)流得影響,只適用于嚴(yán)格得層流?？删褪?在流速低,管徑大或溫差大得情況下,很難維持純粹得受迫層流,這時(shí)自然對(duì)流得影響不容忽略。關(guān)于這種情況時(shí)得換熱準(zhǔn)則關(guān)系式,請(qǐng)讀者在需要時(shí)參看其她傳熱學(xué)書藉或手冊(cè)中關(guān)于混合對(duì)流換熱得討論。

3管內(nèi)過渡流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式

管內(nèi)過渡流動(dòng)就是指介于層流和紊流之間得一種流動(dòng)狀態(tài),雷諾數(shù)Ref＝2300～10４。求解過渡流時(shí)換熱系數(shù)得計(jì)算公式,滿意得還不多。豪森等人推薦當(dāng)2300＜Ref＜104,Prf＞0、6時(shí),采用下面得經(jīng)驗(yàn)公式:

Ｎuf＝0、116(Ｒe2/3f－125)Ｐr1/3f

［1＋(Ｄ/L)２/３］(μf/μw)0、14(6-6)對(duì)流換熱系數(shù)和熱流量計(jì)算步驟確定定性溫度根據(jù)定性溫度查取物性參數(shù)確定定型尺寸、特征速度計(jì)算Re或(Ra=Gr×Pr),判斷流態(tài)選擇合適得準(zhǔn)則方程式根據(jù)具體情況確定修正項(xiàng)使用準(zhǔn)則方程式計(jì)算Nu計(jì)算α=Nu×λ/L計(jì)算Q=αA(tw-tf)6、2外繞面受迫對(duì)流換熱

一、沿平板受迫對(duì)流換熱

層流底層緩沖層紊流過渡流層流平板流動(dòng)得準(zhǔn)則方程二、橫掠單管和管束得換熱在工程應(yīng)用中,常常會(huì)碰到流體外繞物體得對(duì)流換熱問題。這里我們討論流體橫掠單管或管束時(shí)得換熱。所謂橫掠就是指流體與管軸成90°地從管外流過。流體橫向掠過單管時(shí)得流動(dòng)情況,及其局部換熱系數(shù)得變化規(guī)律,在5-2節(jié)已作了簡(jiǎn)要敘述,此處從略。工業(yè)計(jì)算中最重要得就是要求得整個(gè)管子表面得平均換熱系數(shù)。

流體外掠單圓管換熱時(shí)得準(zhǔn)則方程式為:

Ｎum＝ＣRemnＰrm1/3(6-11)

式中,定型尺寸取圓管外直徑D,定性溫度取tm＝(tf+tw)/2,Ｒem數(shù)中得特征速度為來流速度vf。系數(shù)C和指數(shù)n隨Rem而變,見表6-2所示。表6-2橫掠單圓管時(shí)準(zhǔn)則方程式中c和n值Remcn0、4～40、9890、3304～400、9110、38540～40000、6830、4664000～400000、1930、61840000～4000000、0270、805

上面介紹得經(jīng)驗(yàn)公式(6-11),就是對(duì)流體得流動(dòng)方向與管道軸線相垂直,即沖擊角φ＝９０°得情況而言得。若φ＜９０°(見圖6-4),則流體流過圓管時(shí),如圍繞橢圓管一樣,將使旋渦區(qū)域縮小,而且正對(duì)來流得沖擊減弱,這些都會(huì)促使平均換熱系數(shù)α降低。因此,在這種情況下,根據(jù)式(6-11)算出得α值,還應(yīng)乘以斜沖校正系數(shù)εφ,εφ得值可由圖6-5查出。

流體橫向流過管束時(shí)得換熱:在工程上應(yīng)用十分廣泛,各類型得換熱器中都經(jīng)常出現(xiàn)。下面我們只限于討論管子直徑都相等得管束。下面就是常見得兩種排列方式。叉排換熱情況比順排時(shí)好。計(jì)算順排或叉排管束得平均換熱系數(shù)得公式不少,其中之一比較常用得就是格里森綜合整理得經(jīng)驗(yàn)公式:Ｎum＝ＣRemnＰrm1/3(6-12)上式定性溫度取壁溫和流體溫度得平均溫度,即tm=(tf+tw)/2;定型尺寸取管子外徑D,系數(shù)C和指數(shù)n可查閱表6-3取得。特征流速應(yīng)取管間最大流速Vmax。

最大流速判斷由式(6-12)求出得平均換熱系數(shù)只用于10排以上得管事。如管排少于10,求得得換熱系數(shù)還須乘以管排校正系數(shù)εN,εN值由表6-4查得。

如果流體流動(dòng)得方向與管束軸向不相垂直,即束流得沖擊角φ＜90°時(shí),則由上述求得得換熱系數(shù)還需乘以斜沖校正系數(shù)εφ,εφ得值見表6-5。6、3自然對(duì)流換熱得準(zhǔn)則關(guān)系式在日常生活和技術(shù)設(shè)備中,自然對(duì)流換熱就是又一種常見得現(xiàn)象。例如,在冬季利用爐子或暖氣設(shè)備來取暖,就就是自然對(duì)流換熱得具體例子,在工業(yè)設(shè)備中,內(nèi)燃機(jī)外殼得冷卻等都屬自然對(duì)流換熱。

在自然對(duì)流得情況下,流體得流動(dòng)就是由于各處溫度不均勻所產(chǎn)生得浮升力引起得。自然對(duì)流換熱與流體所在得空間大小,流體得性質(zhì),溫差等有關(guān)。通常按流體所處空間得大小不同,分為大空間自然對(duì)流換熱和小空間自然對(duì)流換熱兩類。

一、大空間自然對(duì)流換熱所謂大空間就是指換熱面附近得流體得流動(dòng)沒有受到緊挨著得其她換熱表面得干擾。暖氣片散熱便就是典型得大空間自然對(duì)流換熱。

對(duì)于各種氣體和液體,各種形狀得換熱面,在大空間自然對(duì)流換熱時(shí),麥阿當(dāng)姆推薦用下列準(zhǔn)