10第三章 对流传热.docx

第3章对流传热3.5.2流体横掠管束的实验结果1、管束的排列方式及其对流动与传热的影响在实际应用中，单管换热的情况比较少，往往采用多管进行传热，通常有叉排和顺排 两种方式W(I图3.10叉排与顺排管束顺排沿流体流动方向非常规整，而叉排则是沿流体流动方向有意错开优点：叉排：流动扰动强烈，换热强度大原因：流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动顺排：易于清洗，阻力损失小原因：直接从管壁间绕流过去缺点：叉排：清洗困难，阻力损失大顺排：流体流动平直，换热强度小因此对多顺排及叉排的选择要作全面权衡2、影响管束平均传热性能的因素影响管束平均传热性能的因素很多，有流动雷诺数Re、流体的普朗特数Pr、管束的排 列方式（顺排与叉排）及管间距S「s2相对大小，管的外径d需要作进一步说明的是，当管排数达到一定数目后，流体的换热进入周期性的充分发展阶段，因此传热还与管束排数有关，但当管束超过16排以后一般不再受管排数的影响了, 即之后每排管子的平均表面传热系数保持为常数3、茹卡乌斯卡斯关联式P261表6-7、6-8分别为流体横掠管束顺排与叉排的平均表面传热系数计算关联式(n>16)o这些关联式适用于Pr=0.6〜500，定性温度为进出口流体的平均温度，Prw为管束 的平均壁温，Re为流速取管束中最小截面处的平均流速，特征长度为管子外径。

但是当管排数n<16时，需乘以小于1的修正系数£ ,表6-9为具体的修正系数比如Re=700,nn=11，顺排先找到n>16, Re=700顺排时的关联式：PrNu 二 0.52Re 0.5 Pr 0.36 (_f_)0.25n=11时的* 二 0.983nf f Pr Nu ' = s Nu w f n fPrNu ' = 0.983 x 0.52Re 0.5 Pr 0.36 ( c)0.25f f f PrwPr 宀 Pr 宀0.983 x 0.52Re 0.5 Pr 0.36 (匚)0.25 九 0.51Re 0.5 Pr 0.36 (匚)0.25 九f f Pr f f Prh = w = w d3.6大空间与有限空间内自然对流传热前面介绍的不管是管内流动还是沿管外流动，都是借助外力而引起的强制流动，都具 有各自的特点，都具有各自的数学描写，那么自然对流传热效应又是怎么样的？自然对流 传热有何特点，又有什么样的数学描写？先来介绍自然对流的概念所谓自然对流是指不依靠泵及风力等外力推动，仅由流体自身温度场的不均匀所引起 的流动温度场的不均匀性必然导致密度场的不均匀性，从而产生浮升力是自然对流运动 的动力。

这样的例子不少，比如暖气管道的散热、冰箱冷凝器的制冷是典型的自然对流现象 跟强制对流传热的状况不同，自然对流的优点包括：热流密度最低，安全、经济、无 噪声因此广泛应用于多种工业技术中3.6.1自然对流传热现象的特点1、边界层中的速度与温度分布假如将一块温度分布均匀的平板放置在流体空间中，平板附近形成自然对流，平板内 温度均匀分布，离平板很远的流体温度场也是均匀分布，因此，不均匀温度场仅发生在靠 近壁面的薄层内在贴壁处，流体的温度就是壁面的温度tw，在离开壁面方向上逐步降低, W直至达到周围环境温度仅由于温度变化不可能出现突变，是个逐步变化的过程，因此可 得到温度分布为：图3.11热竖壁附近流体中温度分布的示意图而对于薄层处的速度则存在两头小中间大的特点，其理由如下：紧贴壁面处，由于流 体受到壁面粘滞力作用，速度降为零，同时薄层外缘温度变得恒定，不均匀作用消失，因 而速度亦为零事实又表明，流体离开贴壁处之后是有速度的，而且速度的变化也应该是个连续过程，所以在薄层内某处必然存在一个速度最大值， 于是可画出速度分布图图3.12热竖壁附近流体中速度分布的示意图对于边界层中的速度及温度分布，波尔豪森的分析解及施密特一贝克曼实验测定结果 与理论分析是一致的。

2、层流与湍流只要是流体均有层流与湍流，自然对流也是一样的，以贴近一块热竖壁的自然对流为 例，分析其自下而上的流动状况，假定壁面是足够高，采用光学方法将与壁面平行的等温 条纹进行分析b)图3.13竖直热平板底端与上部的自然对流边界层从底下开始，图(a)、(b)显示等温条纹几乎与壁面平行，表面此时正处于层流阶段，越 往上，离底端越远，等温条纹变得扭曲，表明开始进入湍流状态，而且从图中可以看到,图 3.14热竖壁自然对流局部传热系数的变化随着高度的增加，层流薄层的厚度也逐步增加,BF面来分析局部表面传热系数hx的变化规律在最底端，层流薄层厚度为0此时传 热效果最好，局部表面对流传热系数最大，随着层流薄层厚度的增大，传热的效果开始减 弱，表面传热系数开始减小而随着到一定高度后层流转变为湍流，传热明显加强，传热 系数又开始升高，至旺盛湍流阶段后表面传热系数几乎是常量，用图示表示，见上图 原则上，自然对流准则方程为Nu=f(Gr,Pr)=C(Gr,Pr)n3.6.2大空间自然对流传热的实验关联式1、 大空间与有限空间自然对流自然对流传热区分为大空间自然传热与有限空间自然对流，又称为外部自然对流与内 部自然对流。

所谓大空间自然对流是指热边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流这 种对流并不拘泥于尺寸上的大小而有限空间自然对流是指热边界层的发展受到干扰或流 体的流动受到限制的自然对流流动2、 均匀壁温边界条件的大空间自然对流设壁面温度为t，环境温度为t,很显然，存在流体被加热及被冷却两种情况根据工 w •程上计算中广泛采用的对流实验关联式：Nu = C (Gr Pr) nm mNu 为平均表面传热系数所组成的Nu数，下角标m表示定性温度采用边界层的算 术平均温度t = 2(t +t )m 2 g 1 wGr数中的体胀系数为^ v = tP269表6-10为均匀壁温边界条件下不同加热表面形状说确 定的常数C和n的值，都由实验后确定特征长度的选择方案：竖壁和竖圆柱取高度，横 圆柱取外径，由表6-10可以看到，流态不同，C，n均发生变化，但是当为旺盛湍流时，系 数C及指数n都是一样的3、 均匀热流边界条件对于均匀热流边界条件下，自然对流传热的平均表面传热系数按两种方式计算，分别 是采用常壁温公式及专门公式最后需要说明的是，无论是均匀壁温还是均匀热流密度，自然对流湍流时的传热规律 说明表面传热系数是一个常量，与特征长度无关了。

3.6.3有限空间自然对流传热的实验关联式当自然对流发生在有限空间时，流体运动受到腔体的限制，流体的加热与冷却在腔体 内同时进行研究目的：计算热量由高温壁通过有限小空间传到低温壁的换热系数以垂直夹层为例，由于靠近热壁的流体密度小向上运动，相反对于靠近冷壁的流体因密度 大而向下运动，冷热两股热边界层将相互影响，相互结合，在一段距离内形成环流如果夹层的厚度8与高度h之比比较大，一般认为6/h>0.33,则冷热两壁的自然流动边 界层将会互不干扰，环流不会出现，可按大空间自然流动传热计算而当8/h<0.33时，冷 热两壁流动的相互干扰不能忽略，可看作有限空间自然传热若8/hfO,即很小时，可以 认为夹层内无流体流动发生，通过夹层的热量计算按流体的纯导热的过程计算为计算方便，通常把夹层换热的计算按平壁兼热计算方式处理，用当量导热系数九e的大小 来反映夹层内传热程度的强弱并把Nu§=彳作为特征数由前面的学习我们知道对于夹层的热流密度可用公式九q =三(t 一t )0 w1 w 2t 1> t 2分别为热、冷壁面温度1 w28为热冷壁面之间的距离1 / 、该式的定性温度取t =石(t +t )2 w1 w 2可将整个夹层按对流换热计算，则存在:于是可得到q = h(t — t )w1 w 2h0九 h-•丈(t — t ) = e (t — t )九 0 w1 w 2 0 w1 w 2所以九 h0e — — NUX 尢 §小结：1、 流体横掠管束的实验结果。

2、 自然对流传热的概念及其特点、控制方程式及相似特征数3、 大空间及有限空间自然传热的实验关联式作业：1、 流体冲刷叉排及顺排管束换热时各有何优缺点？2、 当流体Re=106，叉排，n=5以及n=40时表面传热系数表达式3、 自然对流传热边界层的速度与温度分布分别有何特点？（用图示及文字加以 说明）。