《对流换热原理》课件.ppt
5-7 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 1、横掠单管换热实验关联式横掠单管换热实验关联式 按照势流理论，流体在圆柱体的前部流速会逐步增大而压力会逐步减小；流体在圆柱体的后部流速会逐步减小而压力会逐步增大。但是，因流体黏性力的作用，在圆柱体的前部会形成流动边界层，速度会从势流流速逐步改变到壁面上的零速度，这种速度改变以消耗流体动量为代价的，这一过程特征会保持到势流流速达到最大值。分分离离流流动动速度分布速度分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体在其后的增压减速过程，流场中由压力转变来的动量会逐步地再转变为流场的压力，此时近壁流体不但会因动量的耗散而没有足够的动量转化为压力，而且和会在逆向压力的作用下产生逆向流动，从而导致流体在边界层发生分离。分分离离流流动动速度分布速度分布边界层速度分布边界层速度分布ut t流体绕流圆柱体流体绕流圆柱体实际上，由于边界层的发展，势流区的外形已经不实际上，由于边界层的发展，势流区的外形已经不是圆形，因而使流动的增压减速过程提前，也就使是圆形，因而使流动的增压减速过程提前，也就使流动分离位置提前。流动分离位置提前。如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展如果流体在分离之前流动边界层已经从层流发展到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，到紊流，由于紊流边界层中紊流动量交换的加强，从而使边界层流动的分离向后推移。从而使边界层流动的分离向后推移。绕绕流流圆圆柱柱的的流流动动:当当Re10Re10Re105 5时时流流动动分分离离点点在在=140=140处处。Re10时时，可忽略分离的影响，摩擦阻力对流动起决定作用。可忽略分离的影响，摩擦阻力对流动起决定作用。雷诺数为雷诺数为 ，式中，式中，u u为来流速度，为来流速度，d d为为圆柱体外直径圆柱体外直径。在在 圆圆 柱柱 体体 的的 前前 端端=0=0处处换换热热系系数数最最大大，而而在在分分离离点点=82=82处处换换热热系系数数最最小小；如如果果在在边边界界层层从从层层流流变变为为紊紊流流，那那么么转转变变点点=140=140处处有有一一个个换换热热系系数数的的最最低低点点，紊紊流流边边界界层层的的分分离离点点是是另另一一个个换换热系数热系数的最低点的最低点 流体外掠（横向掠过）流体外掠（横向掠过）单根圆管单根圆管换热的经验关系式换热的经验关系式:ReCn0.440.9890.334400.9110.3854040000.6830.4664000400000.1930.618400004000000.0270.805C C、n n的值见下表所示的值见下表所示流流体体绕绕流流圆圆柱柱体体的的平平均均换换热热系系数数也也可可采采用用以以下下朱朱考考斯卡斯斯卡斯经验公式计算经验公式计算:其其中中，特特征征流流速速为为流流体体最最小小截截面面处处的的最最大大流流速速u umaxmax；特特征征尺尺寸寸为为圆圆柱柱体体外外直直径径d d；定定性性温温度度除除PrPrw w按按壁壁面面温温t tw w取值之外，其余皆用流体的平均温度取值之外，其余皆用流体的平均温度t tf f ；是是考考虑虑在在选选用用t tf f为为定定性性温温度度时时，热热流流方方向向不不同会对换热性能产生影响的一个修正系数。同会对换热性能产生影响的一个修正系数。C C、m m的值见下表所示的值见下表所示ReCm1400.750.44010000.510.510002000000.260.62105 1060.0760.7适用范围：适用范围：0.7 Pr 5000.7 Pr 500；1 Re 1 Red d 100.2,0.2,则流体外掠单管的对流换热关联式还可写为则流体外掠单管的对流换热关联式还可写为:上式中，定性温度为（上式中，定性温度为（t tw+t+tf）/2./2.注注意意：如如右右图图所所示示，如如果果流流体体流流动动方方向向与与圆圆柱柱体体轴轴线线的的夹夹角角（亦亦称称冲冲击击角角）在在30300 0-90900 0的的范范围围内内时时，则则平平均均表表面面传传热热系系数数可可按按下式计算下式计算 气流方向管子方向2、横掠管束换热实验关联式横掠管束换热实验关联式 管管束束（长长圆圆柱柱体体束束）是是由由多多根根长长管管（长长圆圆柱柱体体）按按照照一一定定的的的的排排列列规规则则组组合合而而成成的的。管管束束的的排排列列方方式式很多，最常见的有顺排和叉排两种很多，最常见的有顺排和叉排两种。ddS1S1S2S2umaxuutt(1)(1)叉排管束叉排管束 (2)(2)顺排管束顺排管束一一般般叉叉排排时时流流体体在在管管间间交交替替收收缩缩和和扩扩张张的的弯弯曲曲通通道道中中流流动动，扰扰动动更更剧剧烈烈，因因而而叉叉排排换换热热比比顺顺排排更更强强。但但顺顺排排则则流流动动阻阻力力小小，易易于于清清洗洗。所所以以顺顺排排和和叉叉排排的选择要全面权衡。的选择要全面权衡。另另外外，一一般般说说来来，后后排排管管的的换换热热要要好好于于第第一一排排管管，但但从从第第三三排排管管以以后后各各排排管管之之间间的的流流动动换换热热特特征征就就没没有有多多少少差差异异了了。实实验验结结果果表表明明，当当管管排排排排数数超超过过1010排之后，换热性能就基本稳定不变了。排之后，换热性能就基本稳定不变了。影影响响管管束束换换热热的的因因素素除除了了Re、Pr数数外外，还还有有排排列列方式、管间距、管束排数等方式、管间距、管束排数等。气气体体外外掠掠管管束束对对流流换换热热的的平平均均表表面面传传热热系系数数 按按下下式式计计算算该该式式适适用用于于气气体体横横掠掠1010排排以以上上管管束束。式式中中，定定性性温温度度采采用用tm=(tw+tf)/2,其其中中，tf为为流流体体平平均均温温度度，特特征征尺尺寸寸为为管管外外直直径径，特特征征流流速速为为管管排排流流道道中中最最窄窄处处的的流流速速。C和m数值见P176页表5-7。适适用用范范围围为为Ref=2000 40000.对对于于排排数数少少于于10排排的的管管束束，平平均均表表面面换换热热系系数数应应在在上上式计算结果的基础上乘以一个小于式计算结果的基础上乘以一个小于1的管排修正系数。的管排修正系数。n n的值见表的值见表5-85-8。（1）*其其它它有有关关外外掠掠管管束束对对流流换换热热的的平平均均表表面面传传热热系系数数计计算式（朱考夫卡斯公式）算式（朱考夫卡斯公式）此此式式适适用用于于计计算算沿沿流流体体流流动动方方向向排排数数大大于于1616的的管管束束的的换换热热。式式中中，特特征征尺尺寸寸为为管管外外直直径径，特特征征流流速速为为管管排排流流道道中中最最窄窄处处的的流流速速，定定性性温温度度为为管管束束进进出出口口流流体体平平均均温温度度（有有书书上上认认为为是是来来流流温温度度）。Prw为为按按管管束束的的平平均均壁壁温温确确定定.适适用用范范围围：Pr Pr=0.6 0.6 500.500.其其中中，C C和和m m值由下表选取。值由下表选取。（2）结构Red,maxCm顺排103 21050.270.63叉排（ST/Sl 2)103 21050.400.60顺排2105 21060.0210.84叉排2105 21060.0220.84*例例1：空空气气水水换换热热器器的的传传热热问问题题。空空气气横横向向流流过过管管子子，在在流流动动方方向向上上布布置置有有7排排。考考虑虑叉叉排排管管束束，管管子子纵纵向向和和横横向向的的间间距距分分别别是是SL和和ST，管管子子外外径径。在在典典型型运运行行条条件件下下，上上游游空空气气的的温温度度和和速速度度分分别别是是15和和6m/s，管管子子的的表表面面温温度度是是70。试试分分析析空空气气侧侧的的对对流流换热系数是多少？换热系数是多少？如如取取来来流流温温度度为为定定性性温温度度，即即Tm=Tf=15，查查物物性性表表得得:=0.0253W/m K,=14.82 10-6m23,Pr=0.710.查查Tw=70时时Prw=0.701;分分析析：采采用用公公式式（2）计算计算由于：由于：(ST+D)/2因此，最大速度由下式计算因此，最大速度由下式计算代入有关数据，得代入有关数据，得于是得：于是得：又又因此根据朱考斯卡斯关联式，有因此根据朱考斯卡斯关联式，有因此因此计算得：计算得：于是最后可得：于是最后可得：例例2：锅锅炉炉中中，烟烟气气横横掠掠4排排管管组组成成的的顺顺排排管管束束。已已知知管管 外外 径径 d=60mm，s1/d=2,s2/d=2,烟烟 气气 平平 均均 温温 度度tf=600，管管束束表表面面tw=120。若若已已知知烟烟气气通通道道最最窄窄处处的平均流速的平均流速u=8m/s，试求管束平均表面传热系数。，试求管束平均表面传热系数。分分析析：若若取取定定性性温温度度 tm=(tw+tf)/2=360，则则可可查查得得烟烟气物性参数为气物性参数为=5.36 10-2W/m K，=54.6 10-6m2/s。于是得：于是得：雷诺数落在雷诺数落在2000 40000之间，可套式（之间，可套式（1）计算）计算。查表查表57，得：，得：由于由于s1/d=2,s2/d=2于是得换热系数得准则关联式为：于是得换热系数得准则关联式为：则，平均表面换热系数为则，平均表面换热系数为由由于于排排数数少少于于10，对对于于顺顺排排流流动动，考考虑虑管管排排修修正正，最后得管束平均表面传热系数为最后得管束平均表面传热系数为Exe:p197_5-50,5-51,5-55第第4章习题课。章习题课。
