流体在管内受迫对流换热

§4-3 流体在管内受迫对流换热
学习对流换热的目的：学会解决实际问题；会计算表面传热系数h
工程上、日常生活
中有大量应用：
暖气管道、各类热
水及蒸汽管道、换
热器
图5-17 管内流动局部表面传热系数h
的变化(1)层流;(2)湍流
x
（3）热边界条件——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。

（2）流体热物性变化对换热的影响
对于液体：主要是粘性随温度而变化
流体平均温度相同的条件
下，液体被加热时的表面
传热系数高于液体被冷却
加热时的值
↓
⇒↑μ t 对于气体：除了粘性，还有密度
和热导率等
↑
↓↑⇒↑λρμ，，
t
计及流体热物性对换热的影响，用热边界层的平均温度t m 作定性温度；引入温度修正系数：
n w f n w f n w f T T ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Pr Pr 、、μμ（3）弯管效应
离心力二次环流换热增强
修正系数：()
3
3.101 R d C R +=液体：()
R d C R 77.11
+=气体：][
];[m d m R 管直径—螺旋管曲率半径—
（4）管壁粗糙度的影响
粗糙管：铸造管、冷拔管等
湍流：粗糙度Δ>层流底层厚度δ时: 换热增强
层流：影响不大
粗糙度Δ<层流底层厚度δ时:
影响不大
有时利用粗糙表
面强化换热—强
化表面
（2）当温度超过以上推荐值时，则可以采用下面任一个公式计算
a 给迪图斯-贝尔特关联式加一个修正系数 ct (a) 气体被加热时： (b) 气体被冷却时： (c)
⎛ Tf ⎞ ⎟ ct = ⎜ ⎜T ⎟ ⎝ w⎠ ct = 1
n
0.5
⎛ μf ⎞ 液体：ct = ⎜ ⎟ ⎜μ ⎟ ⎝ w⎠
⎧n = 0.11 液体被加热时 ⎨ ⎩n = 0.25 液体被冷却时
式中 μ f 和μ w 分别是按流体平均温度及壁面温度下的动力粘度


b 齐德-泰特（Sieder-Tate）关联式，考虑了物性
Nu f = 0.027 Re
0. 8 f
L ≥ 60 适用的参数范围： Re f ≥ 10 ; 0.7 ≤ Pr f ≤ 16700; d
4
⎛μf ⎞ Pr ⎜ ⎜μ ⎟ ⎟ ⎝ w⎠
1/ 3 f
0.14
定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf 特征长度：管内径d
Pr f ⎞ ⎟ c 米海耶夫关联式，考虑了物性 Nu f = ⎟ Pr w ⎝ ⎠ L 4 6 10 ≤ Re f ≤ 1.75 × 10 ; 0.6 ≤ Pr f ≤ 700; ≥ 50 适用的参数范围： d 0.021 Re 0f.8
定性温度：进出口截面流体平均温度的算术平均值 tf 特征长度：管内径d
0.43 ⎛ Pr f ⎜ ⎜
0.25


几点说明： (1) 非圆形截面的槽道，采用当量直径de作为特征尺度 (2) 入口段效应则采用前面介绍的修正系数乘以各关联式 (3) 对于螺旋管中的二次环流的影响，也采用前面的修正 系数乘以各关联式即可 (4) 以上关联式仅适用Pr >0.6的气体和液体.


4 管内层流换热关联式
(Re < 2300 )
层流换热的发展已经比较充分，并总结了如下结论： (1) 层流对流换热中需要考虑热边界条件的影响 (2) 充分发展段的Nu与Re无关 (3) 层流中当量直径仅是一个几何参数，不用它来统一不同截面通道的换 热与阻力计算的表达式
工程换热设备中，层流换热常处于入口段范围，此时，推荐 采用下面的齐德－泰特的实验关联式计算平均Nu
d 1/ 3 ⎛ η f ⎞ ⎟ Nu f = 1.86(Re f Pr f ) ⎜ ⎜ ⎟ l η w ⎝ ⎠
适用的参数范围：
0.14
Re f < 2300; 0.48 < Pr f < 16700;
d 1/ 3 ⎛ η f (Re f Pr f ) ⎜ ⎜η l ⎝ w
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0.14
≥2


定性温度：流体平均温度 tf 特征长度：管内径d 管子处于均匀壁温
微尺度换热简介：空间微尺度，时间微尺度和结构微尺度 1997年，美国创办了国际微尺度热物理工程杂志，标志着 微尺度传热已经成为了一个新的热点


作业:pp.121, 23, 26


§4.4 外部流动强制对流换热实验关联式
外部流动的定义：换热 壁面上的流动边界层与 热边界层能自由发展， 不会受到临近壁面的限 制，例如，流体外掠平 板就是一种 本节以横掠单管和横掠管束为例 1 横掠单管换热实验关联式 (1)横掠单管的定义： (2)特性：除了边界层外，还会产生绕流脱体，从而产生回 流、漩流和涡束


(3) 绕流脱体的产生 过程
Stagnation point
Separation point
Favorable pressure gradient
Adverse pressure gradient
∂P <0 ∂x
∂P >0 ∂x


(4) 脱体的位置：取决于Re，即：
Re < 10时，不产生脱体 10 < Re < 1.5 × 105 时，流动是层流，产生在80～85°C Re > 1.5 × 105 时，流动是湍流，产生在140°C左右


(5) 外掠单管的当地对流换 热系数的变化 可见，影响外部流动换热 的因素，除了以前各项 外，还要考虑绕流脱体的 发生位置 (6) 平均表面传热系数，推 荐采用分段幂次关联式：
13 Nu m = C Re n m Prm ⎡ t ∞ = 15.5 ~ 982°C ⎤ ⎢ t = 21 ~ 1046°C ⎥ ⎥ Valid for : ⎢ w ⎢ 0.7 < Prm < 500 ⎥ 5 ⎢ ⎣0.4 < Re m < 4 × 10 ⎥ ⎦

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