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1、Heat Transfer传热学传热学 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !6 单相对流换热单相对流换热 建筑环境与设备工程专业主干课程之一建筑环境与设备工程专业主干课程之一 !Chapter6 The Heat Transfer of Single-phase Convection L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering6-3 外掠圆管对流换热外掠圆管对流换热外部流动：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
2、存在的限制。自由发展，不会受到邻近壁面存在的限制。横掠单管：横掠单管：流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管流体沿着垂直于管子轴线的方向流过管子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。子表面。流动具有边界层特征，还会发生绕流脱体。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering1 、 流动边界层的形成与发展流动边界层的形成与发展 vRe10 Re10 蠕动流蠕动流vRe1.5Re1.51010 5 5层流层流 脱体现象脱体现象 尾迹流尾迹流 vRe 1.5Re 1.510105 5 层流层流 紊流紊流 脱体现象脱体现象
3、 尾迹流尾迹流 一一 、 外掠单管外掠单管L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv脱体现象：脱体现象： 流体的压强在管的前半部递降，而流体的压强在管的前半部递降，而后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先后又趋回升。与压强的变化相应，主流速度则先逐渐增加，而后又逐渐降低。特别要注意的是在逐渐增加，而后又逐渐降低。特别要注意的是在压强增大的区域内，流体需靠本身的动能来克服压强增大的区域内，流体需靠本身的动能来克服压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由压强的增长才能向前流动，而靠近壁面的流体由于粘滞力的影响
4、速度比较低，相应的动能也较小，于粘滞力的影响速度比较低，相应的动能也较小，其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到其结果是从壁面的某一位置开始速度梯度达到 0 0 壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流壁面流体停止向前流动，并随即向相反的方向流动。以致从动。以致从 0 0 点开始壁面流体停止向前流动，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并随即向相反的方向流动，该点称为绕流脱体的起点起点 ( ( 或称分离点或称分离点 ) ) 。 L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o
5、 g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 2 、换热特征、换热特征边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。边界层的成长和脱体决定了外掠圆管换热的特征。图图69 外掠圆管局部表面外掠圆管局部表面传热系数的变化图传热系数的变化图L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering()/ 2;wttu。 虽然局部表面传热系数变
6、化比较复杂，但虽然局部表面传热系数变化比较复杂，但从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。从平均表面换热系数看，渐变规律性很明显。可采用以下分可采用以下分4段幂次关联式：段幂次关联式：式中：式中：定性温度为定性温度为 特征长度特征长度为管外径；为管外径；数的数的特征速度特征速度为来流速度为来流速度RenfwfffCNuRe)PrPr(Pr25. 037. 03 、换热系数特征关联式、换热系数特征关联式L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department o
7、f Construction Engineering1/ 3RePrnNuC()/ 2;wttu。补充：可采用以下分段幂次关联式：补充：可采用以下分段幂次关联式：式中：式中：定性温度为定性温度为 特征长度特征长度为管外径；为管外径；数的数的特征速度特征速度为来流速度为来流速度ReC C及及n n的值见表的值见表2 2；L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering实验验证范围：实验验证范围： ， 。15.5982t211046wt L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Const
8、ruction Engineering 对于对于气体气体横掠横掠非圆形截面非圆形截面的柱体或管道的对流的柱体或管道的对流换热也可采用上式。换热也可采用上式。lReNu注：注：指数指数C C及及n n值见下表，表中示出的几何值见下表，表中示出的几何尺寸尺寸 是计算是计算 数及数及 数时用的特征数时用的特征长度。长度。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 式中：定性温度为式中：定性温度为
9、适用于适用于 的情形。的情形。4/55/81/21/32/3 1/40.62RePrRe0.311 (0.4/Pr)282000Nu()/ 2,wttRe Pr0.2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。 邱吉尔邱吉尔与与朋斯登朋斯登对流体横向外掠单管提出对流体横向外掠单管提出了以下在了以下在整个实验范围内都能适用的准则式整个实验范围内都能适用的准则式。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering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外掠管束在换热器中最为常
10、见。外掠管束在换热器中最为常见。v通常管子有通常管子有叉排叉排和和顺排顺排两种排列方式。叉排换两种排列方式。叉排换热强、阻力损失大并难于清洗。热强、阻力损失大并难于清洗。影响管束换热的因素除影响管束换热的因素除 数外，还有：数外，还有：叉排叉排或顺排或顺排；管间距管间距；管束排数管束排数等。等。Re Pr、L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 后排管受前排管尾流的扰动作用对平均表面后排
11、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传热系数的影响直到2020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这种情况下，先给出不考虑排数影响的关联式，再采用式，再采用管束排数管束排数的因素作为修正系数。的因素作为修正系数。 管束换热的关联式之一为：管束换热的关联式之一为：zpwfmnSSCNu2125. 0PrPrPrRe式中：式中：定性温度为流体在管束中的平均温度。定性温度为流体在管束中的平均温度。特征长度为管外径特征长度为管外径d；Re数中的流速采用整数中的流速采用整个管束中最窄截面处的流速。个管束中最窄截面处的流速。L o g oL
12、o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 上表上表6-2所列关联式适应于排数所列关联式适应于排数20排的情况，排的情况，对于对于20排的情况，用表排的情况，用表6-3的排数修正系数修正。的排数修正系数修正。L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering 茹卡乌斯卡斯茹卡乌斯卡斯对流体外掠管束换热总结出一套在对流体外掠管束换热总结出
13、一套在很宽的很宽的 数变化范围内更便于使用的公式如下数变化范围内更便于使用的公式如下表所示表所示。 式中：式中：定性温度定性温度为进出口流体平均流速；为进出口流体平均流速； 特征长度特征长度为管子外径。为管子外径。v实验验证范围：实验验证范围：PrPrwRePr0.6 500。按管束的平均壁温确定；按管束的平均壁温确定；数中的数中的流速流速取管束中最小截面的平取管束中最小截面的平均流速；均流速；补充：补充：L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering流体横掠顺排管束流体横掠顺排管束平均表面传热系数计算关联式（平均表面传热系数计算关联式（ 16排）排） L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering v L o g oL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering本节小结：本节小结：一一 、 外掠单管外掠单管 1 、 流动边界层的形成与发展流动边界层的形成与发展 2 、换热特征、换热特征 3 、换热系数特征关联式、换热系数特征关联式二二. 横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式 感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！感谢所有资料原始持有人的辛勤劳动！