传热学第五章课件 5-4-5.ppt

传热学,Heat Transfer,华北电力大学,5-7,内部流动强制对流换热实验关联式,管内强制对流换热流动和换热的特征,管槽内湍流换热实验关联式,管槽内层流换热关联式,本节小结,传热学,Heat Transfer,一、管内强制对流换热流动和换热的特征,1.,管内的流动状态,层流,过渡区,湍流,采用雷诺数判断,传热学,Heat Transfer,2.,流动和换热的入口段及充分发展段,传热学,Heat Transfer,流动入口段,流动充分发展段,换热入口段,换热充分发展段,流动入口段长度,l,的确定,层流：,湍流：,传热学,Heat Transfer,3.,局部表面传热系数,h,x,的变化,请同学解释这么画的依据,传热学,Heat Transfer,4.,常见的两种换热条件,管子表面的换热条件有均匀热流和均匀壁温两种典型的情况。,(1),均匀热流,壁面和流体温度随管长的变化,较高要求：给出在换热充分发展阶段 的具体表达式。,t,x,0,t,w,t,f,传热学,Heat Transfer,(2),均匀壁温,较高要求：该问题也可采用非稳态导热的集总参数法计算公式计算流体的出口温度，请同学思考为什么？并给出计算公式。,t,x,0,t,w,t,f,壁面和流体温度随管长的变化,传热学,Heat Transfer,二、管槽内湍流换热实验关联式,1.,迪图斯,-,贝尔特（,Dittus-Boelter,）,关联式：,适用的参数范围：,式中取流体平均温度作为定性温度；取管子内径,d,为特征尺度；取,截面的平均流速作特征速度,。,气体：,水：,油：,传热学,Heat Transfer,2.,迪图斯,-,贝尔特关联式应用范围的扩展,（,1,）温差超过推荐的幅度值,对于液体：主要是粘性随温度而变化。,对于气体：除了粘性，还有密度和导热系数等。,当温差超过推荐的幅度值后，流体热物性将发生变化，从而对换热产生影响。,修正方法：,传热学,Heat Transfer,（,2,）非圆形截面通道,对于方形、椭圆形、环形等形状的截面情况，可以用当量直径作为特征尺度从而应用以上的准则方程。,式中：,A,c对为槽道的流动截面积，,P,为润湿周长。,传热学,Heat Transfer,（,3,）对于短管（考虑入口效应）,对于较短的管子及常见的尖角入口，推荐以下的修正系数：,考虑温度和短管修正后的迪图斯,-,贝尔特关联式,:,传热学,Heat Transfer,（,4,）对于弯管的修正,由于管道弯曲改变了流体的流动方向，离心力的作用会在流体内产生如图所示的,二次环流,，结果增加了扰动，使对流换热得到强化。,对于气体：,对于液体：,传热学,Heat Transfer,3.,其它的实验关联式,（,1,）,齐德,-,泰特（,Sieder,-Tate,）,关联式：,评价：误差大；近似适用于液体被加热的情况2,）,格尼林斯基（,Gnielinski,）,关联式：,评价：准确，与实验数据的均方根偏差为 。,该式也适用于过渡区,传热学,Heat Transfer,三、管槽内层流换热关联式,适用的参数范围：,1.,齐德,泰勒（,Sieder,-Tate,）,关联式,管子处于均匀壁温,传热学,Heat Transfer,2.,层流充分发展换热的,Nu,数,教材表,5-3,给出了不同截面形状的管槽内层流充分发展换热的,Nu,数。,对于圆管：,传热学,Heat Transfer,四、本节小结,在本节我们首先分析了管内流动和换热的特征；然后给出了湍流情况下的实验关联式，重点是其中的,迪图斯,-,贝尔特关联式；对层流情况分别给出了处于入口段和充分发展段的关联式。,（,1,）实际问题的主要特征,；,（,2,）实验关联式的适用条件；,（,3,）特征尺度、特征速度和定性温度的确定。,1.,注意：,传热学,Heat Transfer,（,1,）利用雷诺数判断流动的状态,;,（,2,）选用合适的实验关联式,;,（,3,）计算出努塞尔数，进一步得到表面传热系数,;,（,4,）根据牛顿冷却公式计算出对流换热量。,2.,管槽内对流换热的一般步骤,传热学,Heat Transfer,例题：在一冷凝器中，冷却水以,1m/s,的流速流过内径为,10mm,、,长度为,3m,的铜管，冷却水的进、出口温度分别为,15,和,65,，试计算管内的表面传热系数。,从附录中水的物性表中可查得,W/(m,K),，,m,2,/s,，,解：由于管子细长，,l/d,较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为,传热学,Heat Transfer,W/(m,2,K),以上计算没考虑流体物性场不均匀的影响。如果考虑物性场不均匀的影响，必须求出壁面温度，以确定修正项 。可以首先根据冷却水的温升确定换热量，再用上面计算的表面传热系数,h,，由 计算。自己计算，并将计算结果进行比较。,传热学,Heat Transfer,按照概述中的分类，外部流动的强制对流换热主要有,纵掠平板,、,外掠单管,和,外掠管束,等情况。,5-8,外部流动强制对流换热实验关联式,传热学,Heat Transfer,一、横掠单管换热实验关联式,1.,流动的特征,流体横向绕流单管时的流动除了具有边界层的特征外，还要发生绕流脱体，而产生回流、漩涡和涡束。,传热学,Heat Transfer,边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。,低雷诺数时，回升点反映了绕流脱体的起点。,高雷诺数时，第一次回升是层流转变成湍流的原因，第二次回升约在 处，,则是由于脱体的缘故。,2.,换热的特征,传热学,Heat Transfer,3.,平均表面传热系数,h,计算的关联式,对于高温气流冲刷的管子，若壁温过高，可能发生爆管现象，在管子的那一点易发生？,式中,C,、,n,之值见教材表,5-5,定性温度取,特征长度取管外径,d,特征流速取来流速度,传热学,Heat Transfer,二、外掠管束换热实验关联式,1.,流动和换热的特征,顺排,叉排,管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排中的流动扰动比顺排时要剧烈，因此换热也较强。此外，管束的间距,s,1,和,s,2,及,管排数,也影响换热强度。,最小截面,传热学,Heat Transfer,2.,平均表面传热系数,h,计算的关联式,式中,C,、,m,之值见教材表,5-7,上式主要用于气体，因此,Pr,数的影响归到了系数,C,中。,定性温度取 特征长度取管外径,d,特征流速取,管束中最窄截面处的流速,对于排数少于,10,排的管束，需要利用管排修正系数修正。,该问题也可以采用表,5-9,和,5-10,给出的关联式计算。,传热学,Heat Transfer,5-9,自然对流换热及其实验关联式,自然对流换热：其产生原因是由于固体壁面与流体间存在温差，使流体内部温度场不均匀，导致密度场的不均匀，于是在重力场作用之下产生浮升力而促使流体发生流动，引起热量交换。,传热学,Heat Transfer,一、流体沿竖壁自然对流换热的分析,竖壁表面自然对流换热是非常典型的问题，对它的分析有助于对自然对流换热的理解。,(1),不均匀的温度场只是在壁面附近的薄层内。,(2),原则上速度场与温度场的边界层重合。,(3),流动状态也有层流和湍流之分。,(4),局部表面传热系数的变化如图所示。,传热学,Heat Transfer,二、流体沿竖壁自然对流换热的数学分析,5-2,节中给出的二维对流换热微分方程组（,5-8,）,（,5-10,）也适用于热竖壁引起的自然对流换热。并且，边界层概念的分析也可用于该问题。,x,方向动量方程式可表示为如下形式：,浮升力,由此方程可推导出与自然对流换热中雷诺数作用相当的格拉晓夫数,Gr,传热学,Heat Transfer,三、大空间自然对流换热的实验关联式,大空间自然对流,有限空间自然对流,式中,C,、,n,之值见教材表,5-12,（表,6,10,，第四版）,常用的关联式：,自然对流换热分类：,传热学,Heat Transfer,水平大平板上下不同的自然对流状态示意图,传热学,Heat Transfer,1.,在地球上设计的一个自然对流换热实验装置，是否同样可以在宇宙飞船上进行实验？,传热学,Heat Transfer,2.,在对流温差大小相同的情况下，在夏季与冬季，屋顶天花板内侧的对流换热是否相同？为什么？,传热学,Heat Transfer,四、有限空间自然对流换热,竖,直夹层,水平夹层,传热学,Heat Transfer,本章作业,5-2,、,5-16,、,5-20,、,5-42,、,5-29,、,5-31,、,5-55,、,5-67,（第三版）,5-2,、,6-1,、,6-5,、,6-25,、,6-12,、,6-14,、,6-38,、,6-50,（第四版）,5-1,、,5-35,、,5-50,、,5-79,、,5-80,（第三版）,5-1,、,6-18,、,6-33,、,6-64,、,6-65,（第四版）,一、基本要求,二、较高要求,传热学,Heat Transfer,