单相流体对流换热及准则关联式课件.pptx
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- 单相 流体 对流 准则 关联 课件
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1、CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 1contentscontentsv6.1 6.1 管内受迫流动换热管内受迫流动换热 Forced convection in a tube v6.2 6.2 外掠圆管流动换热外掠圆管流动换热 Forced convection across cylinders v6.3 6.3 自然对流换热自然对流换热 Free convection CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical
2、and Practical Relations 2CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 3 管内对流属于有界流动,它与无界流动的最大区别在于,它的边界层的形成和发展受到壁面的限制和重要影响。它的流动和换热情况都呈现出外部流动所不具有的一些特征。 6.1 管内受迫流动换热 Forced convection in a tubeCCE BEFE6-1-1管内流动边界层 flow boundary-layer in a tube 流动的进口段 (hydrodynamic entry r
3、egion or developing region) 流动的充分发展段 (fully developed region) 入口段充分发展段充分发展段入口段(a)(b)LfddLf层流 紊流 一、流动状况分析从进口处至流动边界层汇合于管中心这一段管长速度分布定型层流充分发展段紊流充分发展段层流进口段紊流进口段CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 5Re2300旺盛湍流:旺盛湍流:过渡区:过渡区:层流:层流:流态判断(充分发展段充分发展段)410Re 410Re2300/Redum
4、层流充分发展段0 xu0截面平均速度截面平均速度速度分布(充分发展段)紊流充分发展段Velocity profile二次曲线非二次曲线CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 6二、截面平均速度二、截面平均速度 mean velocityf0R02mfVrudrR2udff1uCCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 7三、流动进口段长度三、流动进口段长度 flow ent
5、ry region层流进口段长度 Lf /d0.05Re紊流进口段长度 10(Lf /d)60 可以肯定它与Re数没有太密切的关系,而且比层流短得多入口段充分发展段充分发展段入口段(a)(b)LfddLf层流 紊流 近似范围CCE BEFE6-1-2管内热边界层和换热分析 管内热边界层和表面传热系数的变化管内热边界层和表面传热系数的变化(a)层流)层流 (b)紊流)紊流0(b)(a)0入口段充分发展段充分发展段入口段热边界层达到闭合前这一区段称为热进口段(Thermal entrance region) ,Lh以后称为热充分发展段(Thermal fully developed region)
6、 热进口段CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 9PrRe05. 0dLh常物性流体层流层流热进口段长度PrRe07. 0dLh流动进口段与热进口段的长度不一定相等,这取决于Pr,当Pr 1时,流动进口段比热进口段短;当Pr tf) 4 . 08 . 0PrRe02. 0Nufff冷却流体时(冷却流体时(tw 104 Prf =0.716700 l/d 10 计算时,若壁温未知,则须采用试算法进行,即先假定tw ,再用最后的结果进行校核。 修正项CCE BEFE第第6章章 单相流
7、体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 22西得-塔特(Sieder-Tate)关联式的修正液体: 气体: nwf)/(nwfTT)/(式中n0.11(加热时);n=0.25(冷却时) 式中n0.55(加热时);n=0(冷却时) 还有一些文献则建议,不管是液体或气体,都用(Prf/Prw)0.25作为修正项。当然,不同的修正方法,关联式右边的常数项可能不同。14. 03/18 . 0)/(PrRe027. 0NuwffffCCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empi
8、rical and Practical Relations 23 只要只要Pr0.7Pr0.7,对于紊流,常壁温,对于紊流,常壁温边界条件下的关联式亦可适用于常热边界条件下的关联式亦可适用于常热流边界条件。流边界条件。 迪图斯贝尔特(迪图斯贝尔特(Dittus-Boelter)公式)公式,西得-塔特(Sieder-Tate)公式:它们的偏差有可能高达25%之多但是:以上得到的关联式都只能应用在速度和温度场的充分发展段 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 24上述准则方程的应用范
9、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)非圆形截面槽道)非圆形截面槽道 用当量直径用当量直径(equivalent diameter)作为特征尺度应用到上作为特征尺度应用到上述准则方程中去。述准则方程中去。 式中:式中: U 为槽道的流动截面积;为槽道的流动截面积;f 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。Uf4deCCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Rela
10、tions 25 (2 2)螺旋管)螺旋管 螺旋管螺旋管强化了换热。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RdR1.771310.31RdRR螺旋管曲率半径,m。d管直径,m。 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 26迪图斯贝尔特(迪图斯贝尔特(Dittus-Boelter)公式:)公式: 加热流体时(加热流体时(tw tf) 4 . 08 . 0PrRe02. 0Nufff冷却流体时(冷却流体时(tw tf) 3 . 08
11、 . 0PrRe023. 0Nufff),(2 . 04 . 08 . 04 . 06 . 08 . 0dcufhp影响最大u: 1m/s15m/s,h: 增加40%左右。 展开,以观察实际各量的影响CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 27Example 6-1 一台管壳式蒸汽热水器,水在管一台管壳式蒸汽热水器,水在管内流速内流速m=0.85m/s,全管水的平均温,全管水的平均温度,度,tf=90,管壁,管壁tw=115不,管长不,管长1.5m,管内径,管内径d=17mm,试用
12、式(,试用式(65)计算表面传热系数。)计算表面传热系数。 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 28Example 6-2 某厂燃气某厂燃气空气加热器,已知管内径空气加热器,已知管内径d=0.051m,每根管内空气质流量,每根管内空气质流量M=0.0417kg/s,管长,管长l=2.6m,空气进口温,空气进口温度度tf=30,壁温保持,壁温保持tw=250,试计算该,试计算该加热器管内的表面传热系数。加热器管内的表面传热系数。CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关
13、联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 29Example 6-3v某厂在改进换热器时,把圆管改制成椭圆形某厂在改进换热器时,把圆管改制成椭圆形断面管(设改制后周长不变)。已知椭圆管断面管(设改制后周长不变)。已知椭圆管内的长半轴内的长半轴a=0.02m,短半轴短半轴b=0.012m,试计,试计算在同样流量及物性条件下,椭圆管与圆管算在同样流量及物性条件下,椭圆管与圆管相比,其管断面积,当量直径,流速,相比,其管断面积,当量直径,流速,Re,Nu,h及压降等的变化比。及压降等的变化比。 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及
14、准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 30二、层流换热(光滑管)14. 03/13/13/1)()(PrRe86. 1Nuwffffld14. 03/1)()Pe(86. 1Nuwfffld或 常壁温层流条件下的西得塔特公式 适用范围 0.48Pr16700)(wf0.0044 9.75 定性温度: 全管长流体平均温度tf 定型尺寸: 管内径d 没有考虑自然对流的影响,而在流速低、管径粗或温差大的情况下,很难维持纯粹的受迫层流,自然对流的影响不容忽略。 既包含入口段,又包含一部分充分发展段 2)()Pr(Re14. 03/1
15、wfldd必须满足 CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 3136. 4Nuf66. 3Nufq=const tw=const 层流热充分发展段管内常热流层流换热比常壁温约高20% (管子很长,进口段影响小)CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 32三、过渡流换热略四、粗糙管壁的换热粗糙管: 铸造管、冷拔管、热拉管和普通轧制钢板卷制的螺旋板换热器 须考虑粗糙度的影响
16、 采用两传类比方法计算表面传热系数! CCE BEFE2/CPrStf3/22/CPrStx ,f3/2x柯尔朋类比律22mudlfp管内流动摩擦系数与压降的关系: 24dpdlw力的平衡: ldpw428mwuf2/CuuchStf2wp2mwmpuuch8fSt 8Pr3/2fSt定性温度tf 雷诺类比Pr1Pr=1Pr1CCE BEFE第第6章章 单相流体对流换热及准则关联式单相流体对流换热及准则关联式 Empirical and Practical Relations 34摩擦系数 f 决定于壁面粗糙度和雷诺数Rem 274. 1)lg(2skRf也可用实验测定紊流时:粗糙度增加,摩擦
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