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1、第五章第五章 单相流体对流换热单相流体对流换热Single Phase Fluid Convective Heat Transfer 5-2 管内强迫对流换热管内强迫对流换热工程上、日常生活中有大量应用：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、换热器暖气管道、各类热水及蒸汽管道、换热器一、常物性流体管内强迫对流换热的特点一、常物性流体管内强迫对流换热的特点层流、湍流；临界雷诺数层流、湍流；临界雷诺数 Rec=23001、流动进口段与充分发展段、流动进口段与充分发展段 流动进口段：流动进口段： 流动充分发展段：流动充分发展段：层流充分发展段：层流充分发展段：圆管截面上速度分布
2、为抛物线形：圆管截面上速度分布为抛物线形：层流充分发展段：层流充分发展段：沿流动方向压力梯度不变沿流动方向压力梯度不变层流充分发展段：层流充分发展段：圆管截面上速度分布为抛物线形：圆管截面上速度分布为抛物线形：热进口段长度：热进口段长度：2、热进口段与充分发展段（、热进口段与充分发展段（Tw60的长管实验的长管实验数据综合得到的数据综合得到的对于对于l/d 层流底层厚度层流底层厚度 时时: 换热增强换热增强层流层流：影响不大：影响不大粗糙度粗糙度 层流底层厚度层流底层厚度 时时: 影响不大影响不大If water at 300K flows through a 3cm - diameterpi
3、pe at 5m/s, the thickness of the viscous sublayer isonly about 20 m有时利用粗糙表面强化换热有时利用粗糙表面强化换热强化表面强化表面例例题题 在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm、长长度度为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度分别为度分别为15和和65，试计算管内的表面传热系数。，试计算管内的表面传热系数。由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影响。较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为冷却水的平均温度为 从附录中水的物性表中可查
4、得从附录中水的物性表中可查得 例题例题5-2f=0.635W/(m)，vf=0.659x10-6m2/s，Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 管内流动为旺盛湍流管内流动为旺盛湍流 例例题题 水水在在直直径径d=6mm的的圆圆管管中中以以0.4m/s的的速速度度流流动动，管管壁壁温温度度为为常常数数且且等等于于50，假假定定水水在在进进口口处处的的平平均均温温度度Tf,in=10，试试求求水水的的出出口口温温度度Tf,out=20 时所需管长为多少？时所需管长为多少？ 解解： 流体在管内流动温度的升高，是得到来自壁面流体在管内流动温度的升高，是得到来自壁面加热的热量，根据热平衡关系加热的热量
5、，根据热平衡关系 一旦对流换热系数确定，则管道长度也就确定。一旦对流换热系数确定，则管道长度也就确定。因此本题的关键在于确定对流换热系数。因此本题的关键在于确定对流换热系数。 (1) 流态的判断流态的判断 对策：先选取一个长度，逐次逼近对策：先选取一个长度，逐次逼近 (2) 应用条件的判断应用条件的判断 由于本例流体的进出口平均温度已知，并且由于本例流体的进出口平均温度已知，并且温差不大，可以采用算术平均值作为定性温度。温差不大，可以采用算术平均值作为定性温度。 平均温度为平均温度为15 ，从附录中查水的物性从附录中查水的物性 根据能量守恒定律，管壁传给流体的热量等于根据能量守恒定律，管壁传给
6、流体的热量等于流体的焓增流体的焓增 (3) 假设值是否满足误差条件假设值是否满足误差条件 重复上述过程重复上述过程 与假设值不符。取与假设值不符。取 例例题题 水水在在直直径径d=6mm的的圆圆管管中中以以1.5m/s的的速速度度流流动动，管管长长与与管管径径之之比比L/d=25，管管壁壁温温度度为为常常数数且且等等于于60，假假定定水水在在进进口口处处的的平平均均温温度度Tf,in=40，试试求水的出口温度以及管壁和水之间的换热量求水的出口温度以及管壁和水之间的换热量 ？流体在管内流动温度的升高，是得到来自壁面流体在管内流动温度的升高，是得到来自壁面加热的热量，根据热平衡关系加热的热量，根据热平衡关系 乍看起来，上述热平衡式中有乍看起来，上述热平衡式中有3个未知量，即个未知量，即Tf,out, h, Tf但细想一下，这三个量之间存在一定的内在联系，对应但细想一下，这三个量之间存在一定的内在联系，对应一个一个Tf,out ，则可以得到，则可以得到Tf ，利用准则关联式也可以确定，利用准则关联式也可以确定h。因此本题的关键在于确定出口温度。因此本题的关键在于确定出口温度 平均温度差物性平均温度差物性经验公式经验公式 求解步骤：假设求解步骤：假设 热平衡关系热平衡关系 误差分析，逐次逼近误差分析，逐次逼近
