工程传热学第五章对流换热计算-课件

第五章第五章 对流换热计算对流换热计算 5-1 管管(槽槽)内流体受迫内流体受迫对流流换热计算算 5-2 流体外掠物体的流体外掠物体的对流流换热计算算5-3 自然自然对流流换热计算算5-1 管管(槽槽)内流体受迫内流体受迫对流流换热计算算 流流体体在在管管内内流流动动属属于于内内部部流流动动过过程程，其其主主要要特特征征是是，流流动动存存在在着着两两个个明明显显的的流流动动区区段段，即即流流动动进进口口（或或发发展展）区区段段和和流流动动充充分分发发展展区段区段 1.1.管管(槽槽)内流动换热的特点内流动换热的特点进进口口区区：流流动动和和热热边边界界层层从从零零开开始始增增长长，直直到到汇汇合合至至管管子子中中心心线线。管管子子进进口口到到边边界界层层汇汇合合处处的的这这段段管管长长内内的的流流动动称称为为管管内流动进口区。内流动进口区。充充分分发发展展区区：边边界界层层汇汇合合于于管管子子中中心心线线以后的区域，即进入定型流动的区域。以后的区域，即进入定型流动的区域。如果边界层在管中心如果边界层在管中心处汇合时流体流动仍处汇合时流体流动仍然保持层流，那么进然保持层流，那么进入充分发展区后也就入充分发展区后也就继续保持层流流动状继续保持层流流动状态，从而构成流体管态，从而构成流体管内层流流动过程。内层流流动过程。入入口口段段热热边边界界层层较较薄薄，局局部部表表面面传传热热系系数数比比充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。如果边界层在管中心处如果边界层在管中心处汇合时流体已经从层流汇合时流体已经从层流流动完全转变为紊流流流动完全转变为紊流流动，那么进入充分发展动，那么进入充分发展区后就会维持紊流流动区后就会维持紊流流动状态，从而构成流体管状态，从而构成流体管内紊流流动过程。内紊流流动过程。如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会如果出现紊流，紊流的扰动与混合作用又会使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个使表面传热系数有所提高，再逐渐趋向一个定值。定值。当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口当流体温度和管璧温度不同时，在管子的进口区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管区域同时也有热边界层在发展，随着流体向管内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从内深入，热边界层最后也会在管中心汇合，从而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界而进入热充分发展的流动换热区域，在热边界层汇合之前也就必然存在热进口区段。层汇合之前也就必然存在热进口区段。随着流动从层流变为紊流，随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流热边界层亦有层流和紊流热边界层之分和紊流热边界层之分。流动进口段：流动进口段：热进口段长度：热进口段长度：热边界条件有热边界条件有均匀壁温均匀壁温和和均匀热流均匀热流两种。两种。对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方对于管壁热流为常数时，流体温度随流动方向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变，向线性变化，且与管壁之间的温差保持不变，有有 xt入口段入口段充分发展段充分发展段tftw恒热流时恒热流时 t=C管内流体截面上的管内流体截面上的平均温度平均温度 流体进口平均温度流体进口平均温度 xttw=Ctf恒壁温时恒壁温时当当管管壁壁温温度度为为常常数数时时，流流体体的的温温度度随随流流动动方方向向按按如如下指数规律变化下指数规律变化 利用在整个管长内的流动换热平衡关系式利用在整个管长内的流动换热平衡关系式可得出计算表面传热系数的平均温差表达式可得出计算表面传热系数的平均温差表达式其其中中，tf,tf”分分别别为为进进口口、出出口口截截面面上上的的平均温度。平均温度。当当出出口口与与进进口口截截面面上上的的温温差差比比(tw-tf)/(tw-tf)在在0.5 2之之间间时时，可可按按如如下下算算术术平平均均温差计算，结果的差别在温差计算，结果的差别在4%以内。以内。管内紊流换热准则关系式管内紊流换热准则关系式 当当管管内内流流动动的的雷雷诺诺数数Re104时时，管管内内流流体体处处于于旺旺盛盛的的紊紊流流状状态态。此此时时的的换换热热计计算算可可采采用用迪迪图图斯斯-贝尔特（贝尔特（Dittus-Boelter）准则关系式）准则关系式 特特征征尺尺寸寸为为d，特特征征流流速速为为um，流流体体物物性性量量采采用用的的定定性性温温度度是是 为为流流体体的的平平均均温度；流体被加热温度；流体被加热n=0.4,流体被冷却流体被冷却 n=0.3。2.2.管内强制对流换热的准则关系式管内强制对流换热的准则关系式使用范围：使用范围：平平直直管管，Ref=104 1.2105,Prf=0.7 120,l/d 60；温温差差tw-tf较较小小，所所谓谓小小温温差差是是指指对对于于气气体体50；对对于于水水2030，对于油类流体，对于油类流体10。当当流流体体与与管管壁壁之之间间的的温温差差较较大大时时，因因管管截截面面上上流流体体温温度度变变化化比比较较大大，流流体体的的物物性性受受温温度度的的影影响响会会发发生生改改变变，尤尤其其是是流流体体黏黏性性随随温温度度的的变变化化导导致致管管截截面面上上流流体体速速度度的的分分布布也也发发生生改改变变，进进而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。而影响流体与管壁之间的热量传递和交换。液体被加热或气体被冷却液体被加热或气体被冷却液体被冷却或气体被加热液体被冷却或气体被加热恒定温度的情况恒定温度的情况管内流动温度对速度分布的影响示意图管内流动温度对速度分布的影响示意图大大温温差差情情况况下下计计算算换换热热时时准准则则式式右右边边要要乘以物性修正项乘以物性修正项。对于液体乘以对于液体乘以 液液体体被被加加热热n=0.11，液液体体被被冷冷却却n=0.25(物性量的下标表示取值的定性温度物性量的下标表示取值的定性温度)对于气体则乘以对于气体则乘以:气气体体被被加加热热n=0.55，气气体体被被冷冷却却n=0.0（此此处处温温度度用用大大写写字字符符是是表表示示取取绝绝对对温温标标下的数值）。下的数值）。弯曲管道流动情况示意图弯曲管道流动情况示意图弯弯曲曲的的管管道道中中流流动动的的流流体体，在在弯弯曲曲处处由由于于离离心心力力的的作作用用会会形形成成垂垂直直于于流流动动方方向向的的二二次次流流动动，从从而而加加强强流流体体的的扰扰动动，带带来换热的增强。来换热的增强。在在平平直直管管计计算算结结果果的的基基础础上上乘乘以以一一个个大大于于1的修正系数的修正系数 CR。流体为气体时流体为气体时：CR1+1.77(d/R)流体为液体时流体为液体时：CR1+10.3(d/R)3R为弯曲管的曲率半径为弯曲管的曲率半径 当当管管子子的的长长径径比比l/d60时时，属属于于短短管管内内流流动动换换热热，进进口口段段的的影影响响不不能能忽忽视视。此此时时亦亦应应在在按按照照长长管管计计算算出出结结果果的的基基础础上上乘以相应的修正系数乘以相应的修正系数Cl。管内层流换热准则关系式管内层流换热准则关系式 适用范围适用范围：Re0.6RePr d/L10,用于平直管。特征尺寸、特用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度与管内紊流换热准则关征流速和定性温度与管内紊流换热准则关系式相同。系式相同。当当雷雷诺诺数数Re2200时时管管内内流流动动处处于于层层流流状状态，态，Sieder-Tate的准则关系式的准则关系式：管内过渡流区换热准则关系式管内过渡流区换热准则关系式 当当雷雷诺诺数数处处于于2200Re104的的范范围围内内时时，管管内内流流动动属属于于层层流流到到紊紊流流的的过过渡渡流流动动状状态态，流流动动十十分分不不稳稳定定。工工程程上上常常常常避避免免采用管内过渡流动区段。采用管内过渡流动区段。气体气体:液体液体:例例5-1 空空气气以以2m/s的的速速度度在在内内径径为为10 mm的的管管内内流流动动，入入口口处处空空气气的的温温度度为为20，管管壁壁温温度度为为120，试试确确定将空气加热至定将空气加热至60所需管子的长度。所需管子的长度。解解 定定性性温温度度为为tf=(20+60)/2=40，查查出出空空气气的的物物性性参参数数为为：=1.128 kg/m3，Cp=1.005 kJ/kg，=2.76 10-2 W/m，f=19.1 10-6 kg/m s，Pr=0.699。而而当当tw=120时时，查查得得 w=22.8 10-6 kg/m s。雷诺数雷诺数Re=1.18 10310由能量平衡有由能量平衡有:代入数据得代入数据得hL=2.83 比比较较上上述述两两步步得得到到的的结结果果，有有10.12L-1/3 L=2.83，最最后后解解得得L=0.148 m。由由于于L0.825 m，前前述述假假设设是是正正确的。确的。得得h=10.12L-1/3。层流流动层流流动 紊流流动紊流流动0 xc qw流体流过平板换热示意图流体流过平板换热示意图5-2 流体外掠物体的流体外掠物体的对流流换热计算算1.1.流体平行流过平板时的换热计算流体平行流过平板时的换热计算当当雷雷诺诺数数 时时，流流动动边边界界层层为为层层流流动，其换热计算的准则关系式如下：流流动，其换热计算的准则关系式如下：局部换热系数计算式局部换热系数计算式 平均换热系数计算式平均换热系数计算式 当雷诺数当雷诺数 时时，流动边界层流，流动边界层流动变为紊流流动，如果将整个平板都视为紊动变为紊流流动，如果将整个平板都视为紊流状态，其换热计算的准则关系式如下：流状态，其换热计算的准则关系式如下：局部换热系数计算式局部换热系数计算式 平均换热系数计算式平均换热系数计算式 于是综合计算关系式应为，于是综合计算关系式应为，特特征征尺尺寸寸为为x，表表示示平平板板前前沿沿的的x=0到到平平板板x处处的的距距离离，如如果果计计算算整整个个平平板板的的换换热热，则则特特征征尺尺寸寸x=L；特特征征流流速速为为u；而而定定性性温温度度为为膜温度膜温度 分分离离流流动动速度分布速度分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体按按照照势势流流理理论论，流流体体在在圆圆柱柱体体的的前前部部流流速速会会逐逐步步增增大大而而压压力力会会逐逐步步减减小小；流流体体在在圆圆柱柱体体的的后后部部流流速速会会逐逐步步减减小小而而压压力会逐步增大力会逐步增大。但但是是，因因流流体体的的黏黏性性力力的的作作用用，在在圆圆柱柱体体的的前前部部会会形形成成流流动动边边界界层层，速速度度会会从从势势流流流流速速逐逐步步改改变变到到壁壁面面上上的的零零速速度度，这这种种速速度度改改变变以以消消耗耗流流体体动动量量为为代代价价的的，这这一一过过程程特特征征会会保持到保持到势流流速达到最大值势流流速达到最大值。2.2.流体横向掠过圆柱体流体横向掠过圆柱体(单管单管)时的换热计算时的换热计算 在在其其后后的的增增压压减减速速过过程程，流流场场由由压压力力转转变变来来的的动动量量会会逐逐步步地地再再转转变变为为流流场场的的压压力力，此此时时近近壁壁流流体体不不但但会会因因动动量量的的耗耗散散而而没没有有足足够够的的动动量量转转化化为为压压力力，而而且且和和会会在在逆逆向向压压力力的的作作用用下下产产生生逆逆向向流流动动，从而导致流体在从而导致流体在边界层发生分离边界层发生分离。分分离离流流动动速速度度分布分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体绕绕流流圆圆柱柱的的流流动动当当Re105时时流流动动分分离离点点在在=140处处。雷诺数为雷诺数为 ，式中，式中，u为来流速度，为来流速度，d为圆柱体外直径。为圆柱体外直径。在在圆圆柱柱体体的的前前端端=0处处换换热热系系数数h最最大大，而而在在分分离离点点=82处处换换热热系系数数h最最小小；如如果果在在边边界界层层从从层层流流变变为为紊紊流流，那那么么转转变变点点=140处处有有一一个个换换热热系系数数h的的最最低低点点，紊紊流流边边界界层层的的分分离离点点是是另另一一个个换换热热系数系数h的最低点的最低点 计计算算流流体体绕绕流流圆圆柱柱体体的的平平均均换换热热系系数数的的准准则则关系式关系式:准准则则的的特特征征流流速速为为流流体体最最小小截截面面处处的的最最大大流流速速umax；特特征征尺尺寸寸为为圆圆柱柱体体外外直直径径d；定定性性温温度度除除Prw按按壁壁面面温温tw取取值值之之外外，皆皆用用流流体体的的主主流流温度温度tf；是是在在选选用用tf为为定定性性温温度度时时考考虑虑热热流流方方向向不不同同对对换换热热性性能能产产生生影影响响的的一一个个修修正系数。正系数。如如果果流流体体流流动动方方向向与与圆圆柱柱体体轴轴线线的的夹夹角角（亦亦称称冲冲击击角角）在在30-90的的范范围围内内时时，平平均均表表面面传传热系数可按下式计算热系数可按下式计算 气流方向管子方向管管束束（长长圆圆柱柱体体束束）是是由由多多根根长长管管（长长圆圆柱柱体）按照一定的的排列规则组合而成的体）按照一定的的排列规则组合而成的。3.3.流体横向流过管束的换热流体横向流过管束的换热管管束束的的排排列列方方式式很很多多，最最常常见见的的有有顺顺排排和和叉叉排排两种两种 S2(1)(1)叉排管束叉排管束 (2)(2)顺排管束顺排管束ddS1S1S2umaxuutt一一般般叉叉排排时时流流体体在在管管间间交交替替收收缩缩和和扩扩张张的的弯弯曲曲通通道道中中流流动动，扰扰动动更更剧剧烈烈，因因而而换换热热比比顺顺排更强排更强。顺排则流动阻力小，易于清洗顺排则流动阻力小，易于清洗。所以顺排和叉排的选择要全面权衡。所以顺排和叉排的选择要全面权衡。后后排排管管的的换换热热要要好好于于第第一一排排管管，但但从从第第三三排排管管以以后后各各排排管管之之间间的的流流动动换换热热特特征征就就没没有有多多少少差差异异了了。实实验验结结果果表表明明，当当管管排排排排数数超超过过10排排之之后，换热性能就基本稳定不变了后，换热性能就基本稳定不变了。平均表面传热系数平均表面传热系数 式式中中，s1和和s2分分别别为为垂垂直直于于流流动动方方向向和和沿沿着着流流动动方方向向上上的的管管子子之之间间的的距距离离，而而z为为管管排排数数目目的的修修正正系系数数。此此公公式式考考虑虑了了管管子子排排列列和和管管排排数数目目对对换换热热的的影影响响。准准则则关关系系式式的的特特征征尺尺寸寸为为管管外外直直径径，特特征征流流速速为为管管排排流流道道中中最最窄窄处处的的流流速速，定定性性温度为温度为流体平均温度流体平均温度。如如果果流流体体流流动动的的方方向向与与管管束束不不垂垂直直，也也就就是是流流体体对对管管子子的的冲冲击击角角109时时，自自然然对对流流边边界界层层就就会会失失去去稳定而从稳定而从层流状态层流状态转变为转变为紊流状态紊流状态。c、n值针对不同的自然对流换热问题给出。值针对不同的自然对流换热问题给出。定定性性温温度度：tm=(tw+t)/2，此此公公式式仅仅用用于于壁壁面温度保持常数，即面温度保持常数，即tw=const。特征尺寸特征尺寸：竖板或竖管竖板或竖管(圆柱体圆柱体)板板(管管)高高 水平放置圆管水平放置圆管(圆柱体圆柱体)外直径外直径3.3.大空间自然对流换热计算大空间自然对流换热计算4.4.受限空间自然对流换热计算受限空间自然对流换热计算有有些些自自然然对对流流换换热热过过程程受受到到固固体体表表面面的的限制而形成受限空间中的自然对流换热。限制而形成受限空间中的自然对流换热。tw1 tw2 tw2 tw1 tw2 tw1(1)(1)竖夹层竖夹层 (2)(2)水平夹层水平夹层 (3)(3)水平环缝水平环缝恒恒壁壁温温条条件件下下空空气气在在竖竖夹夹层层的的准准则则关关系系式为：式为：定性温度为定性温度为 竖夹层竖夹层 水平夹层水平夹层 水平夹层中在恒壁温情况下的空气自然水平夹层中在恒壁温情况下的空气自然对流换热计算公式为：对流换热计算公式为：定性温度为定性温度为 水平环缝水平环缝 该公式适用于该公式适用于 定性温度为定性温度为 例例：热热电电厂厂中中有有一一水水平平放放置置的的蒸蒸汽汽管管道道，保保温温层层外外径径为为400mm,壁壁温温tw为为50，周周围围空空气气的的温温度度t0为为20。试计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。试计算蒸汽管道外壁面的对流散热损失。解：解：这是一个自然对流换热问题。特征温度为这是一个自然对流换热问题。特征温度为 按此温度从附录中查得空气的物性参数值为按此温度从附录中查得空气的物性参数值为 v=16.58x10-6m2/s,=2.72x102W/mk,Pr=0.7查得查得,c=0.53,n=1/4单位管长的对流散热损失为单位管长的对流散热损失为