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1、关于无相变对流换热准则方程式第一页，本课件共有42页1管内紊流换热准则式管内紊流换热准则式 当当Re10时时，对对于于光光滑滑的的直直管管，可可采采用用下下式式:uf0.023ef.rf n （6-1)式式(6-1)适用于流体与壁面存在中等以下温适用于流体与壁面存在中等以下温差的液体和气体差的液体和气体(油类油类10 ；水；水2030 ；气体；气体50)。定性温度为进、出口流体温度。定性温度为进、出口流体温度的算术平均温度的算术平均温度tf；定型尺寸取管内径；定型尺寸取管内径D；对于；对于非圆管，采用当量直径非圆管，采用当量直径de，特征速度取管内平均，特征速度取管内平均流速流速V。第二页，本
2、课件共有42页适用范围适用范围是：是：Ref1104105；rf0.7120；管长管长L与管径之比与管径之比L/D0。式式中中n值值，当当加加热热液液体体或或冷冷却却气气体体时时(粘粘度度降降低低），取取n.；当当冷冷却却液液体体或或加加热热气气体体时时（粘粘度度增增大大），取取n.，之之所所以以有有这这个个差差别别，则则是是因因为为主主流流温温度度相相同同的的同同一一种种流流体体换换热热时时，层层流流底底层层的的温温度度必然高于冷却时层流底层的温度。必然高于冷却时层流底层的温度。第三页，本课件共有42页当当流流体体与与壁壁面面之之间间存存在在较较大大温温差差时时，希希德德和和泰泰特建议采下列
3、公式：特建议采下列公式：uf0.027ef0.8rf1/3（f/w）0.14 (6-2)该式适用于该式适用于Ref10，Prf0.716700，L/D50，直管直管。式中除。式中除w取壁温下取壁温下t tw w的动力的动力粘度外，其它物性均取流体平均温度粘度外，其它物性均取流体平均温度tf下的。下的。定型尺寸取管内径定型尺寸取管内径D，特征速度为，特征速度为V。第四页，本课件共有42页物性修正系数物性修正系数 式式(6-2)(6-2)与与式式(6-1)(6-1)相相比比较较，可可以以看看出出式式(6-2)(6-2)多多了了一一个个修修正正项项（f/w）0.14，这这是是因因为为考考虑虑到到温温
4、差差较较大大时时，管管轴轴心心处处和和近近壁壁处处的的温温度度不不同同，引引起起物物性性变变化化，特特别别是是粘粘度度的的差差异异，使使流流体体受受热热和和被被冷冷却却时时的的速速度度场场、温温度度场场以以及及边边界界层层的的厚厚度不同，最终影响换热系数度不同，最终影响换热系数的不同。的不同。图图6-16-1示出了粘度随温度变化对速度场的影响。示出了粘度随温度变化对速度场的影响。曲线曲线1 1是等温流动时的情况，是等温流动时的情况，曲线曲线2 2为冷却液体或加热气体为冷却液体或加热气体 时时(粘度增大）的情况，粘度增大）的情况，曲线曲线3 3是加热液体或冷却气体是加热液体或冷却气体 时时(粘度
5、降低）的情况。粘度降低）的情况。第五页，本课件共有42页管长修正系数管长修正系数 对对于于短短管管而而言言，换换热热系系数数通通常常要要比比长长的的直直管管的的要要高高些些。大大体体上上是是当当L50D之之后后，大大致致不不再再随随管管长长L L而而变变。L50D时时，就就认认为为是是短短管管，需需对对上上两两式式进进行行修修正正，通通常常是是右右端端乘乘以以一一修修正正系系数数l（管管长长修修正正系系数数），其其值值如如表表6-6-1所所示示;或由或由l（D/）0.70.7修正。修正。第六页，本课件共有42页弯曲弯曲(管）修正系数管）修正系数R 需需要要指指出出：上上面面两两式式都都是是对对
6、流流体体在在光光滑滑的的圆圆形形直直管管内内而而言言的的。工工程程上上也也会会碰碰到到弯弯管管流动流动。第七页，本课件共有42页在在弯弯曲曲段段，由由于于离离心心力力的的作作用用，使使流流体体在在管管道道内内形形成成二二次次环环流流，加加强强了了流流体体的的扰扰动动和和混混合合，强强化化了了换换热热，在在准准则则方方程程式式中中应应乘乘以以弯弯曲曲(管管）修修正正系系数数R加加以以修修正正。管管道道弯弯曲曲修修正正系数系数R可采用下面的式子计算获得。可采用下面的式子计算获得。对对于气体于气体11.77（/)(6-3)(6-3)对对于液体于液体110.3（/）3 (6-4)(6-4)式中式中R
7、R为弯管的曲率半径，为弯管的曲率半径，D D为管子内径。为管子内径。第八页，本课件共有42页2 2管内层流换热准则式管内层流换热准则式 当当ReRe2000 2000 23202320时时，管管内内流流体体的的流流态态呈呈层层流流。研研究究表表明明：当当管管径径小小、管管内内流流体体与与壁壁面面的的温温差差较较小小时时，自自然然对对流流难难于展开，管内出现严格的层流。于展开，管内出现严格的层流。第九页，本课件共有42页希希德德和和泰泰特特等等人人建建议议这这种种情情况况下下的的受受迫迫对对流流换换热采用下面的经验式：热采用下面的经验式：uf 1.86ef0.33Prf0.33(/L)1/3(u
8、f/w)0.14 (6-(6-5)5)其适用范围是：其适用范围是：Ref132300；Refrf/L10。直管。直管。第十页，本课件共有42页需需要要指指出出，利利用用上上式式计计算算层层流流换换热热时时，结结果果常常会会同同实实际际情情况况有有较较大大的的出出入入，因因为为该该式式没没有有估估计计自自然然对对流流的的影影响响，只只适适用用于于严严格格的的层层流流。可可是是，在在流流速速低低，管管径径大大或或温温差差大大的的情情况况下下，很很难难维维持持纯纯粹粹的的受受迫迫层层流流，这这时时自自然然对对流流的的影影响响不不容容忽忽略略。关关于于这这种种情情况况时时的的换换热热准准则则关关系系式
9、式，请请读读者者在在需需要要时时参参看看其其他他传传热热学学书书藉藉或或手手册册中中关关于于混混合合对流换热对流换热的讨论。的讨论。第十一页，本课件共有42页3 3管内过渡流换热准则关系式管内过渡流换热准则关系式管管内内过过渡渡流流动动是是指指介介于于层层流流和和紊紊流流之之间间的的一一种种流流动动状状态态，雷雷诺诺数数ReRef f230023001010。求求解解过过渡渡流时换热系数的计算公式，满意的还不多。流时换热系数的计算公式，满意的还不多。豪豪森森等等人人推推荐荐当当2300Ref104，Prf0.6时时，采用下面的经验公式：采用下面的经验公式：uf0.116（e2/3f125）r1
10、/3f 1(/L)/（f/w）0.14 (6-6)第十二页，本课件共有42页对流换热系数和热流量计算步骤对流换热系数和热流量计算步骤1.确定定性温度确定定性温度2.根据定性温度查取物性参数根据定性温度查取物性参数3.确定定型尺寸、特征速度确定定型尺寸、特征速度4.计算计算Re或（或（Ra=GrPr），判断流态），判断流态5.选择合适的准则方程式选择合适的准则方程式6.根据具体情况确定修正项根据具体情况确定修正项7.使用准则方程式计算使用准则方程式计算Nu8.计算计算=Nu /L9.计算计算Q=A(tw-tf)第十三页，本课件共有42页第十四页，本课件共有42页第十五页，本课件共有42页第十六页
11、，本课件共有42页6.2 外绕面受迫对流换热外绕面受迫对流换热 一、沿平板受迫对流换热一、沿平板受迫对流换热层流底层层流底层缓冲层缓冲层紊流紊流过渡流过渡流层流层流第十七页，本课件共有42页平板流动的准则方程平板流动的准则方程第十八页，本课件共有42页第十九页，本课件共有42页二、横掠单管和管束的换热二、横掠单管和管束的换热 在工程应用中，常常会碰到流体外绕物在工程应用中，常常会碰到流体外绕物体的对流换热问题。这里我们讨论流体横掠体的对流换热问题。这里我们讨论流体横掠单管或管束时的换热。所谓横掠是指流体与单管或管束时的换热。所谓横掠是指流体与管轴成管轴成9090地从管外流过。流体横向掠过单地从
12、管外流过。流体横向掠过单管时的流动情况，及其局部换热系数的变化管时的流动情况，及其局部换热系数的变化规律，在规律，在5-25-2节已作了简要叙述，此处从略。节已作了简要叙述，此处从略。工业计算中最重要的是要求得整个管子表面工业计算中最重要的是要求得整个管子表面的的平均换热系数平均换热系数。第二十页，本课件共有42页流流体体外外掠掠单单圆圆管管换换热热时时的的准准则则方方程程式式为为:umRemnrm1/3 (6-11)式式中中，定定型型尺尺寸寸取取圆圆管管外外直直径径D D，定定性性温温度度取取tm(tf+tw)/2,em数数中中的的特特征征速速度度为为来来流流速速度度vf。系系数数C C和和
13、指指数数n n随随Rem而变，见表而变，见表6-26-2所示。所示。第二十一页，本课件共有42页表表6-2 横掠单圆管时准则方程式中横掠单圆管时准则方程式中c和和n值值Remcn0.4 4 40.9890.3304 440400.9110.3854040400040000.6830.4664000400040000400000.1930.61840000400004000004000000.0270.805第二十二页，本课件共有42页 上上面面介介绍绍的的经经验验公公式式(6-11)(6-11)，是是对对流流体体的的流流动动方方向向与与管管道道轴轴线线相相垂垂直直，即即冲冲击击角角的的情情况况
14、而而言言的的。若若（见见图图6-4)6-4)，则则流流体体流流过过圆圆管管时时，如如围围绕绕椭椭圆圆管管一一样样，将将使使旋旋涡涡区区域域缩缩小小，而而且且正正对对来来流流的的冲冲击击减减弱弱，这这些些都都会会促促使使平平均均换换热热系系数数降降低低。因因此此，在在这这种种情情况况下下，根根据据式式(6-11)(6-11)算算出出的的值值，还还应应乘乘以以斜斜冲冲校校正正系系数数，的的值值可由图可由图6-5查出。查出。第二十三页，本课件共有42页流流体体横横向向流流过过管管束束时时的的换换热热：在在工工程程上上应应用用十十分分广广泛泛，各各类类型型的的换换热热器器中中都都经经常常出出现现。下下
15、面面我我们们只只限限于于讨讨论论管管子子直直径径都都相相等等的的管管束束。下下面面是是常常见见的的两两种种排排列列方式。方式。叉排换热情况比顺排时好叉排换热情况比顺排时好。第二十四页，本课件共有42页计计算算顺顺排排或或叉叉排排管管束束的的平平均均换换热热系系数数的的公公式式不不少少，其其中中之之一一比比较较常常用用的的是是格格里里森森综综合合整整理的经验公式：理的经验公式：u um mReRem mn nr rm m1/31/3 (6-12)(6-12)上上式式定定性性温温度度取取壁壁温温和和流流体体温温度度的的平平均均温温度度，即即tm=(tf+tw)/2；定定型型尺尺寸寸取取管管子子外外
16、径径D，系系数数C和和指指数数n可可查查阅阅表表6-3取取得得。特特征征流流速速应应取取管管间最大流速间最大流速V Vmaxmax。第二十五页，本课件共有42页第二十六页，本课件共有42页最大流速最大流速判断判断第二十七页，本课件共有42页由由式式(6-12)(6-12)求求出出的的平平均均换换热热系系数数只只用用于于1010排排以以上上的的管管事事。如如管管排排少少于于1010，求求得得的的换换热热系系数数还还须须乘乘以以管管排排校校正正系系数数N,N值由表值由表6-46-4查得。查得。第二十八页，本课件共有42页如如果果流流体体流流动动的的方方向向与与管管束束轴轴向向不不相相垂垂直直，即即
17、束束流流的的冲冲击击角角9090时时，则则由由上上述述求求得得的的换换热热系系数数还还需需乘乘以以斜斜冲冲校校正正系数系数，的值见表的值见表6-56-5。第二十九页，本课件共有42页第三十页，本课件共有42页第三十一页，本课件共有42页6.3 6.3 自然对流换热的准则关系式自然对流换热的准则关系式 在在日日常常生生活活和和技技术术设设备备中中，自自然然对对流流换换热热是是又又一一种种常常见见的的现现象象。例例如如，在在冬冬季季利利用用炉炉子子或或暖暖气气设设备备来来取取暖暖，就就是是自自然然对对流流换换热热的的具具体体例例子子，在在工工业业设设备备中中，内内燃燃机机外外壳壳的的冷冷却却等等都
18、都属属自自然然对对流流换热。换热。第三十二页，本课件共有42页 在在自自然然对对流流的的情情况况下下，流流体体的的流流动动是是由由于于各各处处温温度度不不均均匀匀所所产产生生的的浮浮升升力力引引起起的的。自自然然对对流流换换热热与与流流体体所所在在的的空空间间大大小小，流流体体的的性性质质，温温差差等等有有关关。通通常常按按流流体体所所处处空空间间的的大大小小不不同同，分分为为大大空空间间自自然然对对流流换换热热和和小小空空间间自自然然对对流流换换热热两类。两类。第三十三页，本课件共有42页一、大空间自然对流换热一、大空间自然对流换热 所所谓谓大大空空间间是是指指换换热热面面附附近近的的流流体
19、体的的流流动动没没有有受受到到紧紧挨挨着着的的其其他他换换热热表表面面的的干干扰扰。暖暖气气片片散散热热便便是是典典型型的的大大空空间间自自然然对流换热。对流换热。第三十四页，本课件共有42页对对于于各各种种气气体体和和液液体体，各各种种形形状状的的换换热热面面，在在大大空空间间自自然然对对流流换换热热时时，麦麦阿阿当当姆姆推推荐荐用用下下列列准准则则方程式来计算平均放热系数方程式来计算平均放热系数 umC(rPr)mn （6-13)6-13)式式中中，定定性性温温度度采采用用流流体体与与壁壁面面的的平平均均温温度度tm(tftw)/2，定定型型尺尺寸寸以以及及系系数数C C和和指指数数n n
20、的的取取得得，可可根根据据换换热热表表面面的的形形状状，位位置置及及(GrPr)m的的数数值值范范围由表围由表6-6查取。查取。自然对流的流态是由瑞（雷）利数自然对流的流态是由瑞（雷）利数Ra=GrPr判断判断。第三十五页，本课件共有42页第三十六页，本课件共有42页第三十七页，本课件共有42页二、小空间自然对流换热二、小空间自然对流换热 小小空空间间自自然然对对流流换换热热指指的的是是流流体体处处在在较较小小的的空空间间内内进进行行的的自自然然对对流流换换热热。双双层层玻玻璃璃窗窗间间空空气气的的换换热热便便是是小小空空间间自自然对流换热的一个典型例子。然对流换热的一个典型例子。第三十八页，
21、本课件共有42页 在在小小空空间间内内，由由于于流流体体的的受受热热部部分分和和被被冷冷却却部部分分靠靠得得很很近近，相相互互影影响响而而不不能能分分得得很很清清楚楚。通通常常是是将将这这样样一一个个复复杂杂的的换换热热过过程程当当作作相相当当的的导导热热过过程程。并并引引入入一一个个当当量量导导热热系系数数，应应用用导导热热公公式式来来计算换热量。计算换热量。第三十九页，本课件共有42页pr第四十页，本课件共有42页本章小结：无相变对流换热 紊流紊流6-1;6-2(f/w)n;l ;R 管内管内 层流层流 6-5 过渡流过渡流 6-6受迫对流受迫对流 层流层流 6-9 平板平板 紊流紊流 6-10 层流紊流共存层流紊流共存 6-8 外绕外绕 单管单管 6-11 管束管束 6-12 ；N 大空间大空间 6-13自然对流自然对流 小空间小空间 6-14无无相相变变有有相相变变对对流流换换热热第四十一页，本课件共有42页感感谢谢大大家家观观看看第四十二页，本课件共有42页