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1、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25-1 内部流动强制对流换热实验关联式内部流动强制对流换热实验关联式一一.管槽内强制对流流动和换热的特征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流动有层流和湍流之分 v层流：层流：v过渡区：过渡区：v旺盛湍流：旺盛湍流：第五章 对流换热32. 2. 入口段的热边界层薄，表面传热系数高。入口段的热边界层薄，表面传热系数高。 层流入口段长度层流入口段长度: 湍流时湍流时:层流层流湍流湍流第五章 对流换热43. 3. 热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种热边界条件有均匀壁温和均匀热流两种。 湍流：湍流：除液态金属外，
2、两种条件的差别可不计除液态金属外，两种条件的差别可不计 层流：层流：两种边界条件下的换热系数差别明显。两种边界条件下的换热系数差别明显。第五章 对流换热54. 4. 特征速度及定性温度的确定特征速度及定性温度的确定 特征速度特征速度一般多取截面平均流速。一般多取截面平均流速。 定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的的平平均均温温度度（或或进进出出口口截截面面平均温度）。平均温度）。5. 5. 牛顿冷却公式中的平均温差牛顿冷却公式中的平均温差 对对恒热流恒热流条件，可取条件，可取 作为作为 。 对对于于恒恒壁壁温温条条件件，截截面面上上的的局局部部温温差差是是个个变变值值，应应利利用热平
3、衡式：用热平衡式：第五章 对流换热6 式中，式中， 为质量流量；为质量流量； 分别为出口、进口截面上分别为出口、进口截面上 的平均温度；的平均温度； 按对数平均温差计算：按对数平均温差计算：第五章 对流换热7二二. . 管内湍流换热实验关联式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：实用上使用最广的是迪贝斯贝尔特公式： 加热流体时加热流体时 ， 冷却流体时冷却流体时 。 式中式中: : 定性温度采用流体平均温度定性温度采用流体平均温度 ，特征长度为，特征长度为 管内径。管内径。 实验验证范围：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此式适用与流体与壁面具有中等
4、以下温差场合。第五章 对流换热8v实实际际上上来来说说，截截面面上上的的温温度度并并不不均均匀匀，导导致致速速度度分分布布发发生生畸变。畸变。v一般在关联式中引进乘数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。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。大温差情形，可采用下列任何一式计算。（1 1）迪贝斯贝尔特修正公式）迪贝斯贝尔特修正公式对气体被加热时，对气体被加热时，当气体被冷却时，当气体被冷却时，对液体对液体液体受热时液体受热时液体被冷却时液体被冷却时第五章 对流换热10（2 2）采用齐德泰特公式：）采用齐德泰特公式： 定性温度为流体
5、平均温度定性温度为流体平均温度 （ 按壁温按壁温 确确 定），管内径为特征长度。定），管内径为特征长度。 实验验证范围为：实验验证范围为：第五章 对流换热11（3 3）采用米海耶夫公式：）采用米海耶夫公式： 定性温度为流体平均温度定性温度为流体平均温度 ，管内径为特征长度。，管内径为特征长度。 实验验证范围为：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。上述准则方程的应用范围可进一步扩大。（1 1）非圆形截面槽道）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。用当量直径作为特征尺度应用到上述准则方程中去。 式中：式中： 为槽道的流动截面积；为槽道的流
6、动截面积；P P 为湿周长。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。方法会导致较大的误差。第五章 对流换热13 （3 3）螺线管）螺线管 螺线管螺线管强化了换热。对此有螺线强化了换热。对此有螺线 管修正系数：管修正系数： 对于气体对于气体对于液体对于液体（2 2）入口段）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：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以上所有方程仅适用于 的气体或液体
7、。的气体或液体。对对 数很小的液态金属，换热规律完全不同。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：推荐光滑圆管内充分发展湍流换热的准则式：均匀热流边界均匀热流边界实验验证范围：实验验证范围：均匀壁温边界均匀壁温边界实验验证范围：实验验证范围：特征长度为内径，定性温度为流体平均温度。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15三三. . 管内层流换热关联式管内层流换热关联式层流充分发展对流换热的结果很多。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定性温度为流体平
8、均温度 （ 按壁温按壁温 确定），管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。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。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
9、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
10、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245-3 5-3 外部流动强制对流换热实验关联式外部流动强制对流换热实验关联式 外部流动：外部流动：换热壁面上的流动边界层与热边界层能自由发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。展，不会受到邻近壁面存在的限制。 一一. . 横掠单管换热实验关联式横掠单管换热实验关联式 横掠单管：横掠单管：流体沿着流体沿着 垂直于管子轴线的方垂直于管子轴线的方 向流过管子表面。流向流过管子表面。流
11、 动具有边界层特征，动具有边界层特征， 还会发生绕流脱体。还会发生绕流脱体。第五章 对流换热25 边边界界层层的的成成长长和和脱脱体体决决了了外掠圆管换热的特征。外掠圆管换热的特征。第五章 对流换热26 虽虽然然局局部部表表面面传传热热系系数数变变化化比比较较复复杂杂，但但从从平平均均表表面面换热系数看，渐变规律性很明显。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：可采用以下分段幂次关联式：式中：式中：C C及及n n的值见下表；定性温度为的值见下表；定性温度为特征长度为管外径；特征长度为管外径； 数的特征速度为来流速度数的特征速度为来流速度实验验证范围：实验验
12、证范围： ， 。第五章 对流换热28 对对于于气气体体横横掠掠非非圆圆形形截截面面的的柱柱体体或或管管道道的的对对流流换换热热也也可采用上式。可采用上式。 注：注：指数指数C C及及n n值见下表，表中示出的几何尺寸值见下表，表中示出的几何尺寸 是计算是计算 数及数及 数时用的特征长度。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。上述公式对于实验数据一般需要分段整理。 邱邱吉吉尔尔与与朋朋斯斯登登对对流流体体横横向向外外掠掠单单管管提提出出了了以以下下在在整整个实验范围内都能适用的准则式。个实验范围内都能适用的准则式。 式中：定性温度为式中：定性温度为 适用于
13、适用于 的情形。的情形。第五章 对流换热30二二. . 横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式v外外掠掠管管束束在在换换热热器器中最为常见。中最为常见。v通通常常管管子子有有叉叉排排和和顺顺排排两两种种排排列列方方式式。叉叉排排换换热热强强、阻阻力力损失大并难于清洗。损失大并难于清洗。影响管束换热的因影响管束换热的因素除素除 数外，数外，还有：叉排或顺排；还有：叉排或顺排；管间距；管束排数管间距；管束排数等。等。第五章 对流换热31气体横掠气体横掠1010排以上管束的实验关联式为排以上管束的实验关联式为 式式中中：定定性性温温度度为为 特特征征长长度度为为管管外外径径d d， 数数中中的
14、的流流速速采采用用整整个个管管束束中中最最窄窄截截面面处处的流速。的流速。 实验验证范围：实验验证范围： C C和和m m的值见下表。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响直到1010排以上的管子才能消失。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，再采用这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用管管束排数束排数的因素作为修正系数。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 对对于于排排数数少少于于1010排排的的管管束束，平平均均表表面面传传热热系系数数可可在在上上式
15、的基础上乘以管排修正系数式的基础上乘以管排修正系数 。 的值引列在下表。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茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在很 宽的宽的 数变化范围内更便于使用的公式。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；式中：定性温度为进出口流体平均流速； 按管按管 束的平均壁温确定；束的平均壁温确定； 数中的流速取管束数中的流速取管束 中最小截面的平均流速；特征长度为管子外中最小截面的平均流速；特征长度为管子外 径。径。v实验验证范围：实验验证范围：第五章 对流换热35 v 第五章 对流换热36例题例题5
16、-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40mm1.5mm，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
