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 o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv1、式（1）与导热问题的第三类边界条件式（2）有什么区别？v （1） （2）Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv （1） （2）v式（1）中的h是未知量，而式（2）中的h是作为已知的边界条件给出，此外（2）中的 为固体导热系数而此式为流体导热系数。Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv2、由对流换热微分方程 知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv3、对流换热边界层微分方程组是否适用于粘性很大的油和Pr数很小的液体金属？为什么？Heat TransferHeat Transferv解：对于粘度很大的油类，解：对于粘度很大的油类，Re数很低，速度边界层数很低，速度边界层厚度与厚度与x为同一数量级，因而动量微分方程中为同一数量级，因而动量微分方程中 与与 为同一量级，不可忽略，且此时由于为同一量级，不可忽略，且此时由于xxv速度速度u和和v为同一量级，为同一量级，y方向的动量微分方程不能方向的动量微分方程不能忽略。忽略。v对于液态金属，对于液态金属，Pr很小，速度边界层厚度与温度边很小，速度边界层厚度与温度边界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界界层厚度相比，速度边界层厚度远远小于温度边界厚度，在边界层内厚度，在边界层内 ，因而能量方程中，因而能量方程中 不不可忽略。可忽略。v因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大因此，对流换热边界层微分方程组不适用于粘度大的油和的油和Pr数很小的液态金属。数很小的液态金属。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer6-1 管内受迫管内受迫对对流流换热换热学习对流换热的目的：学习对流换热的目的： 会计算表面传热系数会计算表面传热系数 h, 解决工程实际问题。解决工程实际问题。各类热力管道（热各类热力管道（热水及蒸汽管道等）、水及蒸汽管道等）、换热器换热器一、定性分析（基本概念）一、定性分析（基本概念）1.1.进口段与充分口段与充分发展段展段1.1.流流动进口段：口段：从管口开始到流动状志定型之间的距离。此时： u=f（x,r） 流流动充分充分发展段：展段：进口段后，流态定型，流动已得到充分发展。此时： r=0； u/x=0，但 u/y0。Heat Transfer充分发展段充分发展段的流态判断的流态判断：2.2.对于于换热状状态 热进口段：口段：与流动边界层相类似，自管口开始经一段距离后，热边界层闭合，换热状态达到定型的这段距离。 热充分充分发展段：展段：热进口段后，换热状态定型，已经得到充分发展，故称为。 热充分发展段后，因流体不断换热，流体断面平均温度tf随x是不断变化的，但分析证明，无因次温度（tw-t）/（tw-tf）将保持不变，即： 由于无因次温度不随x发生变化，仅是r的函数，故对无因次温度求导后再令r=R，则上式显然应等于一常数。又据傅里叶定律：q=-（t/r）r=R及牛顿冷却公式：q=h（tw-tf），上式变为：将上述无因次温度对r求导后且令r=R时有： 上式表明：常物性流体在热充分发展段换热系数h保持不变。这是热充分发展段的重要特性。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering流动进口段与热进口段的长度流动进口段与热进口段的长度不一定不一定相等，这取决于相等，这取决于PrPr。(1)(1)当当 PrPr1 1时，流动进口段比热进口段时，流动进口段比热进口段短短。(2)(2)当当 PrPrl l 时，情形正相反。时，情形正相反。 (3)(3)热进口段长度热进口段长度 L L（ 紊流：紊流：L/d 10-45 L/d 10-45 ）：）： 层流：在层流：在常壁温常壁温条件下条件下 L/d L/d 0.050.05RePr RePr ； 在在常热流常热流条件下条件下 L/d L/d 0.070.07RePr RePr 。 (4) (4)在在PrPr1 1情况下，当情况下，当流动达到充分发展时流动达到充分发展时，换热也进入，换热也进入热充分发展段。在进口处，边界层最薄，热充分发展段。在进口处，边界层最薄，h h x x具有最高值，随具有最高值，随后降低。在后降低。在层流情况层流情况下，下，h h x x趋于不变值的距离较长。在趋于不变值的距离较长。在紊流紊流情况情况下，当边界层转变为紊流后，下，当边界层转变为紊流后，h h x x将有一些回升，并迅速将有一些回升，并迅速趋于不变值。趋于不变值。 Heat TransferHeat Transfer2. 热边界层与换热特征分析热边界层与换热特征分析L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering(5)(5)入口段的热边界层入口段的热边界层薄，薄，表面传热系数表面传热系数高高。 因因此此，注注意意在在选选择择准准则则方方程程计计算算时时要要注注意意该该方方程程适适用用的的管长条件管长条件。Heat TransferHeat Transfer层流层流湍流湍流2. 热边界层与换热特征分析热边界层与换热特征分析L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering1.1.特征速度及定性温度特征速度及定性温度 特特征征速速度度：计计算算ReRe数数时时用用到到的的流流速速，一一般般多多取取截截面面平平均均流流速。速。 定定性性温温度度：计计算算物物性性的的定定性性温温度度多多为为截截面面上上流流体体的的平平均均温温度度（或或进进出出口口截截面面平平均均温温度度）。 在在用用实实验验方方法法测测定定了了同同一一截截面面上上的的速速度度及及温温度度分分布布后后，采采用用下下式式确确定定该该截截面面上上流流流流体体体体的平均温度的平均温度的平均温度的平均温度：Heat TransferHeat Transfer（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差v 另外，不同断面具有不同的tf值，即tf随x变化，变化规律与边界条件有关。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering2.2.热边界条件：均匀壁温（热边界条件：均匀壁温（常壁温常壁温）与均匀热流（）与均匀热流（常热流常热流）。）。Heat TransferHeat Transfer（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差*【湍流：湍流：除除液态金属液态金属外，两种条件的外，两种条件的差别可不计差别可不计。 层流：层流：两种边界条件下的换两种边界条件下的换热系数热系数差别明显差别明显。】*利用以上两个式子沿管长积分，即可求得全管长流体的平均温度。利用以上两个式子沿管长积分，即可求得全管长流体的平均温度。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv管内流体平均温度管内流体平均温度v常热流边界条件：常热流边界条件： 如图，此时：twtfv 经分析：充分发展段后：v tf呈线性规律变化v tw也呈线性规律变化v 此时，管内流体的平均温度进口段进口段充分发展段充分发展段txtw/tf/tw/tf/ 其中：其中：tf/、tf/分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流体分别为进出口断面流体的平均温度。为方便起见，一般仍将全管流体的平均温度记作的平均温度记作tf。（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv管内流体平均温度管内流体平均温度v常壁温边界条件：常壁温边界条件： 设进出口温差分别为t/、t/。v 经分析有：v v 表明tf随x呈对数规律变化。t/txtw=Consttf/tf/ t/此时此时twtftf（x）a.若若t/t/2，则：，则：b.若若t/t/2，则：，则：tf=twtm 其中：其中：（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering管流平均温差管流平均温差Heat TransferHeat Transfer（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差（1 1）常热流边界条件：）常热流边界条件：（2 2）常壁温边界条件）常壁温边界条件：L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering管流平均温度管流平均温度Heat TransferHeat Transfer（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差（1 1）常热流边界条件：）常热流边界条件：（2 2）常壁温边界条件）常壁温边界条件：称对数平均温差称对数平均温差. L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（三）物性场不均匀（三）物性场不均匀1.对于液体：主要是粘性随温度而变化对于液体：主要是粘性随温度而变化t 流体平均温度相同的条件下，流体平均温度相同的条件下，液体被加热时的表面传热系数液体被加热时的表面传热系数高于液体被冷却时的值。高于液体被冷却时的值。加热气体加热气体或或冷却液体冷却液体一般有：一般有： 曲线曲线1 1变成变成22边界层加厚边界层加厚h h冷却气体冷却气体或或加热液体加热液体一般有：一般有： 曲线曲线1 1变成变成33边界层变薄边界层变薄h h另外：另外：t t变化会引起变化会引起 、 、c cp p等变化等变化hh产生波动。产生波动。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（四）管子的几何特征（四）管子的几何特征1.管长管长 入口段的长短对管道表面传热系数产生影响。一些经验公式入口段的长短对管道表面传热系数产生影响。一些经验公式对管长范围有规定，引入对管长范围有规定，引入管长修正系数管长修正系数修正管长对换热的影响。修正管长对换热的影响。2.管径管径 在不改变流速和温度的条件下，采用小直径管能够提高表面在不改变流速和温度的条件下，采用小直径管能够提高表面传热系数。传热系数。3.弯管弯管 弯管形成二次流，有利于换热，但阻力损失同时增加。弯管形成二次流，有利于换热，但阻力损失同时增加。4.粗糙管粗糙管 粗糙点能增强换热，但是阻力系数增加，泵的能耗增加。粗糙点能增强换热，但是阻力系数增加，泵的能耗增加。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering（1 1）实用上使用最广的是）实用上使用最广的是迪图斯贝尔特公式：迪图斯贝尔特公式： 加热流体时：加热流体时： ， 冷却流体时：冷却流体时： 。 式式中中: : 定定性性温温度度采采用用流流体体平平均均温温度度 ，特特征征长长度度为为管管内内径径。 Heat TransferHeat Transfer二二. 管内对流换热实验关联式管内对流换热实验关联式1. 紊流换热紊流换热L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer实验验证范围：实验验证范围： 此式适用于流体与壁面具有此式适用于流体与壁面具有中等以下温差中等以下温差场合场合。v在在有有换换热热条条件件下下，截截面面上上的的温温度度并并不不均均匀匀，导导致致速速度度分分布布发生畸变。发生畸变。v一般在关联式中引进一般在关联式中引进乘数乘数 来考虑不均匀物性场对换热的影响来考虑不均匀物性场对换热的影响v温差修正温差修正 当当流流体体与与管管壁壁之之间间的的温温差差较较大大时时，因因管管截截面面上上流流体体温温度度变变化化比比较较大大，流流体体的的物物性性受受温温度度的的影影响响会会发发生生改改变变，尤尤其其是是流流体体黏黏性性随随温温度度的的变变化化导导致致管管截截面面上上流流体体速速度度的的分分布布也也发发生生改改变变，进进而而影影响响流流体体与与管管壁壁之之间间的的热热量量传传递递和交换。和交换。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer 因此，在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物因此，在大温差情况下计算换热时准则式右边要乘以物性修正项。性修正项。L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering（2 2）采用齐德泰特公式：）采用齐德泰特公式： Heat TransferHeat Transfer定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度 （ 按壁温按壁温 确定），确定），管内径管内径为特征长度。为特征长度。 实验验证范围为：实验验证范围为：L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering（3 3）采用米海耶夫公式：）采用米海耶夫公式：Heat TransferHeat Transfer定性温度定性温度为流体平均温度为流体平均温度 ，管内径为特管内径为特征长度征长度。 实验验证范围为：实验验证范围为：L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer（4 4）采用格尼林斯基公式：）采用格尼林斯基公式：对液体对液体对气体对气体L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transferl l为管长为管长; ;f f为管内湍流流动的达尔西阻力系数：为管内湍流流动的达尔西阻力系数：范围为：范围为：（4 4）采用格尼林斯基公式：）采用格尼林斯基公式：L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer公式公式用于气体或液体时，表达式可进一步用于气体或液体时，表达式可进一步简化如下：简化如下：对气体：对气体：范围为：范围为：（4 4）采用格尼林斯基公式：）采用格尼林斯基公式：L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer对液体：对液体：范围为：范围为：（4 4）采用格尼林斯基公式：）采用格尼林斯基公式：L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering上述准则方程的应用范围可进一步扩大。上述准则方程的应用范围可进一步扩大。（1 1）非圆形截面槽道）非圆形截面槽道 用用当当量量直直径径作作为为特特征征尺尺度度应应用用到到上上述述准准则则方方程中去。程中去。 式式中中： 为为槽槽道道的的流流动动截截面面积积；P P 为为湿湿周周长长（流体润湿的流道周边）。（流体润湿的流道周边）。Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineering Heat TransferHeat Transfer（2 2）入口段）入口段 当管子的长径比当管子的长径比l/d60l/d0,n0），Pr数越大，Nu数也越大，从而h也越大。即粘度大的流体其表面传热系数也越高。这与经验得出的结论相反，为什么？Heat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transferv解：粘度越高时，Pr数越大，但Re数越小。由v一般情况下，对流换热mn，即n-m0，所以粘度增加时，Nu数减少，即h减小。 L o g o建筑工程系 The Department of Construction Engineeringv2 2 、在在流流体体的的物物性性和和流流道道截截面面的的周周长长相相同同的的条条件件下下 , , 圆圆管管和和椭椭圆圆管管内内单单相相流流体体的的受受迫迫紊紊流流换热换热 , , 何者换热系数大何者换热系数大 ? ? 为什么为什么 ? ? v答：答： 椭圆管的换热系数大。对于周长相同的椭圆管的换热系数大。对于周长相同的圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而圆和椭圆，其中椭圆的面积小于圆的面积，而 d de e = 4f /U = 4f /U ，则，则 d de e( (椭圆椭圆)d ()d (圆圆) ) 。 Heat TransferHeat Transferh hL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer3、 在在一一冷冷凝凝器器中中，冷冷却却水水以以1m/s的的流流速速流流过过内内径径为为10mm、长长度度为为3m的的铜铜管管，冷冷却却水水的的进进、出出口口温温度度分分别别为为15和和65，试试计计算算管管内内的的表表面面传传热系数。热系数。解解： 由于管子细长，由于管子细长，l/d较大，可以忽略进口段的影较大，可以忽略进口段的影响。冷却水的平均温度为响。冷却水的平均温度为 :从附录中水的物性表中可查得从附录中水的物性表中可查得. L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transferf=0.635W/m.k,vf=0.659x10-6m2/s,Pr=4.31管内雷诺数为管内雷诺数为 管内流动为旺盛紊流。管内流动为旺盛紊流。 L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer4、已知：、已知： 下的空气在内径为下的空气在内径为76mm的直管内流动，的直管内流动，入口温度为入口温度为65，入口体积流量为，入口体积流量为 ，管壁的平均温，管壁的平均温度为度为180。 求：管子多长才能使空气加热到求：管子多长才能使空气加热到115。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat TransferL o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer3. 3. 过渡流换热过渡流换热教材推荐的关联式教材推荐的关联式6-6包括了过渡流换热。包括了过渡流换热。L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer4. 4. 粗糙管壁换热粗糙管壁换热 前面讲过，以上准则关联式均只适合前面讲过，以上准则关联式均只适合光滑管光滑管。实际换。实际换热计算中还须考虑粗糙度的影响。热计算中还须考虑粗糙度的影响。（1）管内流动摩擦系数与压降的关系）管内流动摩擦系数与压降的关系 （达西（达西-威斯巴哈公式）：威斯巴哈公式）：= （2）粗糙管壁换热准则关联式：粗糙管壁换热准则关联式：紊流可采用：紊流可采用：层流：层流：L o g o建筑工程系 The Department of Construction EngineeringHeat TransferHeat Transfer本节小结：本节小结：一、基本概念与一般分析一、基本概念与一般分析（一）管流入口段和充分发展段（一）管流入口段和充分发展段（二）管流平均温度换热平均温差（二）管流平均温度换热平均温差（三）物性场不均匀（三）物性场不均匀（四）管子的几何特征（四）管子的几何特征二二. 管内对流换热实验关联式管内对流换热实验关联式1. 紊流换热紊流换热2. 管内层流换热关联式管内层流换热关联式3. 过渡流换热过渡流换热4. 粗糙管壁换热粗糙管壁换热 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！