管内受迫对流换热.pptx

1/27内部强制对流在工程上有大量应用：暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器等内部强制对流与外部强制对流：管槽内部强制对流受流道壁面的约束，边界层的发展受到限制。6.1 管内受迫对流换热如何计算一台壳式蒸汽热水器的表面换热系数？第第1页页/共共20页页2/27一、进口段与充分发展段(状态)1.充分发展段流态由Re确定，管内临界雷诺数Rec2300。Re2300，层流；2300Re10000，旺盛湍流区2.流动充分发展段：径向速度分量v为零，轴向速度 u 不再随 x 变化。概念：流体从进入管口开始，经过一段距离后，管内断面流速分布和流动状态才能定型，这段距离称为进口段。此后即为流动充分发展段，其流动状态由Re数确定。流动的主要特点：1.1一般分析第第2页页/共共20页页3/27热充分发展段：热充分发展段：表面对流传热系数表面对流传热系数 hxhx 保持不变。保持不变。一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：换热入口段：换热入口段：热边界层厚度由零发展到汇合于通道中心，换热强度由最高而逐渐减弱第第3页页/共共20页页换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。换热入口段与流动入口段的长度不一定相等。Pr1相等相等Pr1流动入口段流动入口段热入口段热入口段Pr热入口段长热入口段长一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：第第4页页/共共20页页5/27入口段长度 l：层流：l/d 0.05RePr(常壁温);l/d 0.07RePr(常热流);湍流：l/d 1045d入口段热边界层厚度薄，局部表面传热系数大。层流底层紊流层一、进口段与充分发展段（状态）1.1一般分析换热的主要特点：计算计算h时，时，注意管长注意管长的适用性！的适用性！第第5页页/共共20页页1.1一般分析1）流体的平均流速二、平均流速与平均温度2）流体的平均温度（确定物性及换热温差）：（a）断面方向流体平均温度：须已知断面速度及温度分布第第6页页/共共20页页1.1一般分析二、平均流速与平均温度（b）管长方向流体平均温度：dx 管段流体获得热量对微元体而言对微元体而言对换热过程而言对换热过程而言第第7页页/共共20页页8/27分别整理方程式：常热流边界（q=const）：在常热流边界条件下，充分发展段管壁温度、流体温度均呈线性变化，且两者变化速率相等；进口段受边界层影响，h不断变小，故流体与壁面温差逐渐变大。在计算平均温差时，取进口和出口两端温差t和t的算术平均值作为全管长流体与壁面的平均温差：1.1一般分析二、平均流速与平均温度（b）管长方向流体平均温度：第第8页页/共共20页页常壁温边界（tw=const）：1.1一般分析二、平均流速与平均温度齐次化：上式沿管长0到x积分：第第9页页/共共20页页10/27流体与壁面间温差沿管长呈指数曲线变化，那么全管长流体与壁面平均温差tm：对数平均温差tm：常壁温边界（tw=const）：1.1一般分析二、平均流速与平均温度全管长流体平均温度：第第10页页/共共20页页11/27当流体与管壁之间的温差较大时，管截面上流体温度变化较大；尤其是黏性随温度的变化，导致管截面上流体速度的与等温流动不同，进而影响流体与管壁之间的热量传递。1-等温流2-冷却液体或加热气体3-加热液体或冷却气体温度的变化，还会引起密度不同，必然产生自然对流，从而影响流动及换热，对大管径、低流速或大温差时应预关注。1.1一般分析三、物性场不均匀性四、几何特征特征长度，特征长度，管径，形状，粗糙度等等管径，形状，粗糙度等等第第11页页/共共20页页12/27通式（迪图斯贝尔特公式）：加热流体 n0.4冷却流体 n0.3一、紊流换热关联式1.2管内对流换热的实验关联式三大特征量三大特征量特征尺度：内径特征尺度：内径di定性温度：定性温度：全管长平均温度 tf=(tin+tout)/2特征流速：特征流速：管内平均流速第第12页页/共共20页页适用范围适用范围Re104，旺盛湍流，旺盛湍流Pr=0.7 160，包括空气、水、油，包括空气、水、油(l/d)10，平均换热系数；如果是短管则需修正，平均换热系数；如果是短管则需修正边界条件：给定温度或给定热流边界均可边界条件：给定温度或给定热流边界均可一、紊流换热关联式1.2管内对流换热的实验关联式不适用于液态金属，不适用于液态金属，Pr10-2t=tw-tf气气50水水20油油10中等温差，非中等温差，非tin-tout第第13页页/共共20页页14/27希得-塔特关联式：格尼林斯基关联式：气体：液体：适用条件：适用条件：12二、紊流换热修正关联式1.2管内对流换热的实验关联式1）不均匀物性-粘度明显变化的情况2）不均匀物性多样物性变化的情况第第14页页/共共20页页3).弯管弯管(螺旋管螺旋管)气体气体 液体液体 d-管直径；管直径；R-螺旋管曲率半径。螺旋管曲率半径。二、紊流换热修正关联式1.2管内对流换热的实验关联式修正系数：修正系数：第第15页页/共共20页页二、紊流换热修正关联式1.2管内对流换热的实验关联式4）非圆截面非圆截面当量直径当量直径de(equivalent)第第16页页/共共20页页17/27h 的影响因素：1.密度和速度均为0.8次方，影响最大。2.影响较大的因素其次是导热系数，比热容；这也反映了同等条件下，水的对流换热系数要比空气大。3.在流速和温度不变前提下，小管径能提高换热系数，如圆管改成椭圆管。4.增加速度可提高换热系数，如流速由1m/s提高到1.5m/s，换热系数增加40%；然而，增加流速同时会引起流动阻力上升，须综合考虑。三、紊流换热关联式应用1.2管内对流换热的实验关联式第第17页页/共共20页页18/27 管槽内部强制对流换热的强化：机理：减薄或消除热边界层。措施：增加流速、增加内壁粗糙度；内肋管、内螺纹管；弯管、扭曲管等。注意：强化传热的措施往往引起流动阻力的增加，其输送能耗必然增加，需要综合考虑。（对流传热场协同作用）三、紊流换热关联式应用1.2管内对流换热的实验关联式第第18页页/共共20页页19/27解题思路：1）由定性温度，确定物性；由定性温度，确定物性；2）计算计算Re，判断流态；，判断流态；3）选用合适的准则关联式；选用合适的准则关联式；（流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管）（流态；温差；管型；粗糙管；螺旋管）4）计算计算Nuf和对流换热系数和对流换热系数hf。重点：确定定性温度：（定热流，还是定壁温？）重点：确定定性温度：（定热流，还是定壁温？）例例1：一台管壳式蒸汽换热器，管内水的流速为um=0.85m/s，全管长水的平均温度tf=90，管壁面温度tw=115，管长为1.5m，管内径d=17mm，试计算其表面换热系数。例题：第第19页页/共共20页页20/27感谢您的观看。感谢您的观看。第第20页页/共共20页页