传热学青岛科技大学第五章.ppt

第五章单相对流传热的实验关联式 第五章对流换热 1 第五章对流换热 2 5 1内部流动强制对流换热实验关联式 管槽内强制对流流动和换热的特征1 流动有层流和湍流之分层流 过渡区 旺盛湍流 第五章对流换热 3 2 入口段的热边界层薄 表面传热系数高 层流入口段长度 湍流时 层流 湍流 第五章对流换热 4 3 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种 湍流 除液态金属外 两种条件的差别可不计层流 两种边界条件下的换热系数差别明显 第五章对流换热 5 4 特征速度及定性温度的确定特征速度一般多取截面平均流速 定性温度多为截面上流体的平均温度 或进出口截面平均温度 5 牛顿冷却公式中的平均温差对恒热流条件 可取作为 对于恒壁温条件 截面上的局部温差是个变值 应利用热平衡式 第五章对流换热 6 式中 为质量流量 分别为出口 进口截面上的平均温度 按对数平均温差计算 第五章对流换热 7 二 管内湍流换热实验关联式实用上使用最广的是迪贝斯 贝尔特公式 加热流体时 冷却流体时 式中 定性温度采用流体平均温度 特征长度为管内径 实验验证范围 此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合 第五章对流换热 8 实际上来说 截面上的温度并不均匀 导致速度分布发生畸变 一般在关联式中引进乘数来考虑不均匀物性场对换热的影响 第五章对流换热 9 大温差情形 可采用下列任何一式计算 1 迪贝斯 贝尔特修正公式对气体被加热时 当气体被冷却时 对液体 液体受热时液体被冷却时 第五章对流换热 10 2 采用齐德 泰特公式 定性温度为流体平均温度 按壁温确定 管内径为特征长度 实验验证范围为 第五章对流换热 11 3 采用米海耶夫公式 定性温度为流体平均温度 管内径为特征长度 实验验证范围为 第五章对流换热 12 上述准则方程的应用范围可进一步扩大 1 非圆形截面槽道用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去 式中 为槽道的流动截面积 P为湿周长 注 对截面上出现尖角的流动区域 采用当量直径的方法会导致较大的误差 第五章对流换热 13 3 螺线管螺线管强化了换热 对此有螺线管修正系数 对于气体对于液体 2 入口段入口段的传热系数较高 对于通常的工业设备中的尖角入口 有以下入口效应修正系数 第五章对流换热 14 以上所有方程仅适用于的气体或液体 对数很小的液态金属 换热规律完全不同 推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式 均匀热流边界实验验证范围 均匀壁温边界实验验证范围 特征长度为内径 定性温度为流体平均温度 第五章对流换热 15 三 管内层流换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多 第五章对流换热 16 续表 第五章对流换热 17 第五章对流换热 18 定性温度为流体平均温度 按壁温确定 管内径为特征长度 管子处于均匀壁温 实验验证范围为 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 可采用下列齐德 泰特公式 例题5 1 第五章对流换热实验关联式 19 初温为30 的水 以0 875kg s的流量流经一套管式换热器的环形空间 该环形空间的内管外壁温维持在100 换热器外壳绝热 内管外径为40mm 外观内径为60mm 求把水加热到50 时的套管长度 在管子出口截面处的局部热流密度是多少 解 已知 水在套管式换热器环形空间对立换热相关的几何参数和物性参数 求 1 套管长度 2 管子出口处的局部热流密度 第五章对流换热 20 第五章对流换热 21 例题5 214号润滑油流经内径d 16mm 壁温tw 50 的圆管 油的入口温度ti 130 出口温度降至to 70 如果油的流量为um 0 4m s 求油与管壁间的表面传热系数 总换热量以及管子的总长度 解 已知 油的恒壁温管内流动换热 求 表面传热系数 总换热量以及管子总长度 假设 稳态管内对流换热 常物性流体不可压缩 忽略动能和孰能的变化 第五章对流换热 22 第五章对流换热 23 本题为管内层流强制对流传热问题 需注意定性温度和特征尺寸的选取 而本题中实验关联式中包含有未知的管长 因此需要采用先假设 再验证的迭代方法 在选用实验关联式进行计算时 要特别注意管长与对流换热充分发展段的关系 一味迭代下去 会得出不合逻辑的结果 第五章对流换热 24 5 3外部流动强制对流换热实验关联式 外部流动 换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发展 不会受到邻近壁面存在的限制 一 横掠单管换热实验关联式 横掠单管 流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面 流动具有边界层特征 还会发生绕流脱体 第五章对流换热 25 边界层的成长和脱体决了外掠圆管换热的特征 第五章对流换热 26 虽然局部表面传热系数变化比较复杂 但从平均表面换热系数看 渐变规律性很明显 第五章对流换热 27 可采用以下分段幂次关联式 式中 C及n的值见下表 定性温度为特征长度为管外径 数的特征速度为来流速度实验验证范围 第五章对流换热 28 对于气体横掠非圆形截面的柱体或管道的对流换热也可采用上式 注 指数C及n值见下表 表中示出的几何尺寸是计算数及数时用的特征长度 第五章对流换热 29 上述公式对于实验数据一般需要分段整理 邱吉尔与朋斯登对流体横向外掠单管提出了以下在整个实验范围内都能适用的准则式 式中 定性温度为适用于的情形 第五章对流换热 30 二 横掠管束换热实验关联式 外掠管束在换热器中最为常见 通常管子有叉排和顺排两种排列方式 叉排换热强 阻力损失大并难于清洗 影响管束换热的因素除数外 还有 叉排或顺排 管间距 管束排数等 第五章对流换热 31 气体横掠10排以上管束的实验关联式为式中 定性温度为特征长度为管外径d 数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速 实验验证范围 C和m的值见下表 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面传热系数的影响直到10排以上的管子才能消失 这种情况下 先给出不考虑排数影响的关联式 再采用管束排数的因素作为修正系数 第五章对流换热 32 第五章对流换热 33 对于排数少于10排的管束 平均表面传热系数可在上式的基础上乘以管排修正系数 的值引列在下表 第五章对流换热 34 茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很宽的数变化范围内更便于使用的公式 式中 定性温度为进出口流体平均流速 按管束的平均壁温确定 数中的流速取管束中最小截面的平均流速 特征长度为管子外径 实验验证范围 第五章对流换热 35 第五章对流换热 36 例题5 5测定流速的热线风速仪是利用流速不同对圆柱体的冷却能力不同 从而导致电热丝温度及电阻值不同的原理造成的 用电桥测定电热丝的阻值可推得其温度 今有直径为0 1mm的电热丝垂直于气流方向放置 来流温度为20 电热丝温度为40 加热功率为17 8W m 试确定此时的流速 略去其他的热损失 解 已知 电热丝直径 温度及加热功率 来流温度求 来流的流速 假设 电热丝与气流间为稳态换热 电热丝表面温度均匀忽略其他热损失 第五章对流换热 37 第五章对流换热 38 例题5 6某锅炉厂生产的220t h的高压锅炉 其低温段空气预热器的设计参数为 叉排布置 s1 76mm s2 44mm 管子为 40mm 1 5mm 平均温度为150 的空气横向冲刷管束 流动方向的总排数为44 在管排中心线截面上的空气流速 即最小截面上的流速 为6 03m s 试确定管束与空气间的平均表面传热系数 管壁平均温度为185 解 已知 锅炉叉排管束的有关数据求 管束与空气间的平均表面传热系数假设 常物性 散热损失忽略不计 忽略空气的辐射换热 第五章对流换热 39