传热学基本定律和计算

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1、传热学基本定律和计算HeatTransfer 学习内容 第一章绪论第二章导热基本定律和稳态导热第三章非稳态导热第四章对流换热原理第五章单相流体对流换热特征数关联式第六章热辐射基本定律第七章辐射换热计算 第五章对流换热准则关联式 5 1管内强迫对流换热5 2外掠物体时的强迫对流换热5 3自然对流传热 5 1 1湍流 5 1管内强迫对流换热 1 流动和换热分析 分类 换热分析 管内局部对流换热系数hx沿程变化情况 湍流 2 管内流动换热计算 适用条件 流体与壁面具有中等以下温度差的场合 介质为空气时 介质为水时 迪图斯 贝尔特 Dittus Boelter 公式 当管内流动的雷诺数Re 104时

2、管内流体处于旺盛的紊流状态 注意 流体被加热n 0 4 流体被冷却n 0 3 定性温度 用来确定流体物性的温度 定型尺寸 管内径d 非圆管采用当量直径de 特征流速 um 在换热条件下 由于管中心和靠近管壁的流体温度不同 因而管中心和管壁处的流体物性也会存在差异 特别是粘度的不同将导致有温差时的速度场与等温流动时有差别 温差修正系数 它是考虑到流体与壁面间存在较大温差时 对关联式作的修正 对气体被加热时 当气体被冷却时 对液体 液体受热时m 0 11 液体受冷时m 0 25 管长修正系数 当时 称之为长管 虽然进口处的h较大 但管较长 可忽略进口段的影响 而对于的短管 就必须予以考虑 弯管修正

3、系数 考虑到流体在弯曲管道或螺旋管内流动时 在离心力的作用下 形成二次流后 对换热所起的增强作用 对于气体 对于液体 5 1 2层流 1 流动和换热分析 管内层流边界层的形成和发展 管内局部对流换热系数hx沿程变化情况 层流 2管槽内层流强制对流换热关联式 管槽内层流强制对流换热理论分析工作比较充分 已经有许多结果可供选用 续表 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 定性温度为流体平均温度tf w按壁温tw确定 特征长度为管内径 管子处于均匀壁温 实验验证范围为 且管子处于均匀壁温 在工程中 除了圆管 扁管和椭圆管也是用的比较多的换热管 圆管和椭圆管相

4、比 在流过横截面积相等的情况下 椭圆管的当量直径小于圆管直径 因此椭圆管内的换热性能要优于圆管 但是 椭圆管的制造工艺复杂且承压能力有限 这一问题也限制了椭圆管翅片式换热器的普及应用 椭圆管 扁管的应用 汽车中冷器 对于扁管和椭圆管这样的非圆形截面通道 上述的公式都是能用的 只是定型尺寸 也就是当量直径要采用下式进行计算 a b 对于扁管 A 流通截面积 m2 P 湿周 m 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 补充 1两种热边界条件 均匀壁温和均匀热流 2流体平均温度以及流体与壁面的平均温差 在用实验方法测定了同一截面上的速度及温度分布后 采用下式确

5、定该截面上流体的平均温度 定性温度 计算物性的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 采用实验方法来测定时 应在测温点前设法将截面上各部分的流体充分混和 牛顿冷却公式中的平均温差 对恒热流条件 可取作为 对恒壁温条件 截面上的局部温差是个变值 应利用热平衡式 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 当流体进口截面与出口截面的温差比在0 5 2之间时 可用算术平均温差代替对数平均温差 求管长 求出换热系数后 利用公式 如何从质量流量求速度 例 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

6、和65 试计算管内的表面传热系数 解 由于管子细长 l d较大 可以忽略入口段的影响 冷却水的平均温度为 从附录中水的物性表中可查得 f 0 635W m k vf 0 659x10 6m2 s Pr 4 31 管内雷诺数为 管内流动为旺盛紊流 5 2 1纵掠平壁 5 2外掠物体对流换热时的强迫对流换热 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 层流底层 定性温度 边界层的平均温度 1 层流准则关联式 定型尺寸 板长l x 适用条件 临界雷诺数 对于这里讲的紊流指的是从平壁x 0处就开始直接形成湍流边界层的情况 当然这是一个假象的情况 即当紊流的湍流度很

7、大的情况 来流在外掠平板前流过绕流格栅 Colburn利用比拟法得出了hx和h的准则关联式 2 紊流准则关联式 适用条件 3 混合边界层的准则关联式 在恒壁温条件下 h是以xc为界分两部分积分再求平均值 即 适用条件 5 2 2横掠单管 流体沿着垂直于管子轴线的方向绕流管子这样的圆柱外表面时 最大的特点就在于边界层流体压力沿流动方向将发生变化 从而导致流体横掠单管的特殊边界层流动现象 边界层分离 1 流动特点 边界层的分离 黏性流体流经曲面时 边界层外边界上沿曲面的速度是改变的 所以曲面边界层内的压力也发生变化 对边界层的流动产生影响 当流体流经曲面前驻点时 沿上表面的流速先增加一直到曲面某一

8、点 然后降低 根据伯努利方程 相应压力先降低后增加 曲面的加速降压段 流体有足够动能继续前进 曲面的降速升压段 动能要转化为势能 又要克服粘滞力的影响 动能损耗大 其结果是从壁面的某一位置O开始速度梯度达到0 壁面流体停止向前流动 并随即向相反的方向流动 以致从O点开始壁面流体停止向前流动 并随即向相反的方向流动 该点称为绕流脱体的起点 或称分离点 Re 10蠕动流 2 换热特征 沿圆管局部表面传热系数的变化 边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征 层流 湍流 一个实际问题 内部均匀加热的圆柱放在空气中风机吹风冷却 圆柱表面何处温度最高 温度最高点 湍流 层流 虽然局部表面传热系数变化比较

9、复杂 但从平均表面换热系数看 渐变规律性很明显 分段幂次关联式 式中 定性温度为 特征长度为管外径 Re数的特征速度为来流速度 实验验证范围 3 圆管表面传热系数的关联式 5 2 3横掠管束 横掠管束实例一 管壳式换热器 管式空气预热器 空气 高温烟气 跟单管相比 横掠管束时不仅受管径 流速的影响 还受到管间距 管排数以及管束排列方式等因素的影响 因此比换热过程要比单管复杂多了 1 管束的排列方式及其对流动与传热的影响 管束的排列方式叉排 换热强 阻力损失大 难于清洗顺排 一排 处于与主流方向相同位置的一些管子 横向间距s1 同一排管子相邻两管轴线的间距纵向间距s2 前后排管子相邻两管轴线的间

10、距 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 影响管束换热的因素Re Pr数 Re数中的特征流速取管束中的最大流速 排列方式及管间距 影响流速管排数 当流过主流方向的管排数达到一定数目后 流动与换热会进入周期性充分发展阶段 在该局部区域 每排管子的平均表面传热系数保持为常数 2 影响管束平均传热性能的因素 物性修正 流体进入管束的温度变化较大时 需考虑 可采用物性修正因子 Fluent模拟的温度场和速度场 顺排和叉排时的流动现象 排列方式 管排数N 管径 管间距s1 s2都是在分析时所要考虑的因素 这些影响因素在我们推荐的准则关联式中都应该有所反映 准则关联式 适用条件

11、定性温度 流体的算术平均温度 定型尺寸 管外径do 计算流速 管间最大流速umax 顺排 叉排 管翅式换热器 5 3自然对流传热 1 概述 自然对流 不依靠泵或风机等外力推动 由流体自身温度场的不均匀所引起的流动 流动起因 由于不均匀的温度场 引起密度的不均匀 并在重力下产生浮升力 工程背景 1 暖气管散热 4 冰箱 冰箱里食物不要装得太满 2 室外变压器散热 3 事故条件下核反应堆散热 5 电子器件冷却 在各种对流换热方式中 自然对流换热的热流密度最低 但安全 经济 无噪音 设板温高于流体的温度 板附近的流体被加热因而密度降低 与远处未受影响的流体相比 向上运动并在板表面形成一个很薄的边界层

12、 2 自然对流换热现象的特点 A流动边界层中的速度与温度分布 自然对流边界层中的速度分布与强制流动时有原则的区别 壁面上粘滞力造成的无滑移条件依然存在 同时自然对流的主流是静止的 因此在边界层的某个位置 必定存在一个速度的局部极值 就是说 自然对流边界层内速度剖面呈单驼峰形状 温度分布曲线与强制流动时相似 呈单调变化 波尔豪森分析解与施密特 贝克曼实测结果 竖板层流自然对流边界层理论分析与实测结果的对比 B层流与湍流 流动特征在壁的下部 流动刚开始形成 是有规则的层流 若壁面足够高 则上部流动转变为湍流 层流边界层随着厚度的增加 局部换热系数将逐渐降低 当边界层内层流向湍流转变时局部换热系数h

13、x趋于增大 研究表明 在常壁温或常热流边界条件下当达到旺盛紊流时 hx将保持不变而与壁的高度无关 换热特征 层流时 换热热阻主要取决于薄层的厚度 Gr称为格拉晓夫数 在物理上 Gr数是浮升力 粘滞力比值的一种量度 Gr数的增大表明浮升力作用的相对增大 若对自然对流的能量方程做类似推导 可得出另外一个无量纲准则 称为瑞利数 层流向湍流转变的依据 采用Gr数 自然对流换热准则方程式为 格拉晓夫数 3 大空间自然对流换热的实验关联式 A大空间与有限空间自然对流换热 自然对流换热可分成大空间和有限空间两类 大空间自然对流 流体的冷却和加热过程互不影响 边界层不受干扰 有限空间自然对流 边界层的发展收到

14、干扰 或流动受到限制 大空间的相对性 B均匀壁温条件下的大空间自然对流 工程中广泛使用的是下面的关联式 式中 定性温度采用Gr数中的为与之差 对于符合理想气体性质的气体 特征长度的选择 竖壁和竖圆柱取高度 横圆柱取外径 对液态工质 需考虑物性变化的校正因子 常见自然对流换热的定性尺寸和C n 恒热流 工程上有时会遇到自然对流传热表面热流密度为常数的情况 如电子元器件表面的自然对流冷却 C均匀热流边界条件 2 采用专用形式 式中 定性温度取平均温度tm 特征长度对矩形取短边长 按此式整理的平板散热的结果示于下表 1 采用常壁温公式 对于高度为L的竖直平板的均匀热流加热情形 取平板中点的壁温作为确

15、定Gr数中的温差和牛顿冷却公式中的壁面温度 1 这里流动比较复杂 不能套用层流及湍流的分类 表1给出式 1 中的常数B和m 对于自然对流湍流 展开关联式 指数为n 1 3 后 两边的定型尺寸可以消去 表明自然对流湍流的表面传热系数与定型尺寸无关 该现象称自模化现象 模型实验的 自模化 现象 利用这一特征 湍流换热实验研究就可以采用较小尺寸的物体进行 只要求实验现象的Gr Pr值处于湍流范围 4 有限空间自然对流换热 在生活和工业应用里也经常能看见一些相对狭窄空间中的自然对流换热现象 寒冷地区广泛使用的双层玻璃窗 平板太阳能集热器的集热板与盖板之间的空气夹层 用于变压器油冷却的扁盒自然对流冷却器

16、 热力管道或电缆线管沟中空气的自然对流等 此类问题大多希望求出从高温表面到低温表面的表面传热系数和传热量 因受到狭窄空间形状以及各相邻表面的约束 流体的流动和换热状况往往比较复杂 仅讨论如图所示的竖的和水平的两种封闭夹层的自然对流换热 封闭夹层示意图 夹层内流体的流动 主要取决于以夹层厚度 为特征长度的Gr数 当极低时换热依靠纯导热 对于水平夹层 当 对于竖直夹层 当 随着的提高 会依次出现向层流特征过渡的流 环流 层流特征的流动 湍流特征的流动 对竖夹层 纵横比对换热有一定影响 对于竖空气夹层 推荐以下实验关联式 式中 定性温度采用 温差采用 特征尺寸采用冷热表面间的距离 对于水平空气夹层 推荐以下关联式 式中 定性温度均为数中的特征长度均为 实际上 除了自然对流外 夹层中还有辐射换热 此时通过夹层的换热量应是两者之和 对竖空气夹层 的实验验证范围 混合对流的实验关联式这里不讨论 推荐一个简单的估算方法 两种流动方向相同时取正号 相反时取负号 n之值常取为3 式中 NuM为混合对流时的Nu数 而NuF NuN则为按给定条件分别用强制对流及自然对流准则式计算的结果 例 温度tf2 90