自然和强制对流换热

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'自然和强制对流换热'
7.6 自然对流换热计算7.7 强制对流换热计算7.6 自然对流换热 主要内容 1. 自然对流换热概念 2. 自然对流换热边界层 3. 自然对流换热分类 4. 大空间自然对流换热计算的实验准数方程 21 自然对流换热概念 q 流体中,由密度差引起的对流流动叫自然对流。 q 自然对流的流体掠过固体壁面时,与固体壁面间的换热现象称为自 然对流换热。 q 工程中常见这种流动,如: n 炉壁的散热; n 热力管道的散热; n 钢包和铸模内的钢液与壁面间的传热等。 32 自然对流换热边界层n 热的竖壁如图:在壁的下部,自然对流刚开始形成,流动是有规则的层 流,在壁的上部,流动转变为紊流。 B处条纹已部分紊乱,说明流 动开始向湍流转变。 A处的条纹整齐 ,为层流。 q 对于竖壁而言,只要壁面足够高, 流体的流动都将转变为湍流。 q 现已查明,当流动进入旺盛紊流时, 局部换热系数是一常数。 4 3 自然对流换热分类n 自然对流可分为大空间自然对流换热和有限空间的自然对流换热两类。n 表面的热边界层不受影响的空间叫大空间自然对流换热。n 大空间时时,图中 a ? 0.28 h 5自然对流换热的工程现象 q 浇注后的铸型和铸件 q 热力设备管路外壁在大气中的换热 q 建筑墙壁 q 建筑玻璃 6 4 大空间自然对流换热计算的实验准数方程n 工程中常用的准数方程为: Nu =C(Gr· Pr) n ? ??c m m Pr ? ? a ?n 式中下标 表示以平均温度作为定性温度。 m 3 ?v g?Tln 、 为实验常数( 表 )。 Gr ? C n p132 7.1 ? 2n C、n 值的影响因素包括: hl Ø 换热面的形状和位置; Nu ? Ø 边界条件; ? Ø 流态。 请注意:关于特征温度 和定型尺寸的问题。 7实验确定的几种情况下的 及 值 n C n Num=C(Gr Pr) m 空气 8 大空间自然对流换热例题n 试求悬挂在大厂房中的3m高的热竖直钢板的自然对流换热系数。已知钢板 表面壁温为170 ℃ ,厂房内温度为10℃。 117700??1100 解解 定性温度为 T ?? 170 ? 10?? 90℃℃ 解 定性温度为 TTmm ? ?9900℃ m 22 查表得 ? ? ? ℃ 查表得 ?mm ? 00..00331133WW /(/(mm? ℃)) 查表得 ? m ? 0.0313 W /(m ? ℃ ) ??66 22 ? = ? ? 6 2 ? mm=2222..1100? 1100 mm //ss ? m=22.10 ? 10 m / s Pr ? 0.690 PPrr ?? 00..669900 11 3 33 1 ??99.8.811??(1(17700??1100)?)?33 ? g?Tl 3 ? ? ? ? ? vv g?Tl 90?? 273 9.81 (170 10) 3 11 11 Gr ? ? v g?Tl ?? 90 ?273 ? ? 2.3?9 ? 1011 Gr ? 22 ? 90 273 ?6? 62 2 ?2.39 1?0 Gr ? 2 (22.10 ? 10? 6 )2 2.39 10 ?? ((2222.1.100??1100 ) ) 1111 1111 Gr ? Pr ? 2.39 ? 10 11 ? 0.690 ? 1.65 ? 10 11 Gr ? Pr ?? 22..3399??1100 ??00.6.69900??11.6.655??1100 11 查表为湍流,此时 CC==00.1.100,,nn== 1 查表为湍流,此时 C=0.10,n= 3 33 11/ /33 1111 11/ 3/ 3 Nu ? 0.10(Gr ? Pr) 1 / 3 ? 0.10(1.65 ? 10 11 ) 1 / 3 548 Nu m ? 0.10(Gr ? Pr) ? 0.10 ? (1.65 ? 10 ) ? 548 Nu m ? 0.10(Gr ? Pr) ? 0.10(1.65 ? 10 ) 548 Nu ? 548 ? 0.0313 平均换热系数为 Nu mm?mm 548 ? 0.0313 2 2 ℃ 平均换热系数为 hh?? Nu m ? m ?? 548 ? 0.0313??5.57.272 WW/(/m(m?2℃? ) ) 平均换热系数为 h ? l ? 3 ? 5.72 W /(m ? ℃ ) ll 33 9对流换热系数[W/(m2K)]的大致量级: 空气自然对流:3——10 空气强制对流:20——100 水自然对流:200——1000 水强制对流:1000——15000 水沸腾:2500——25000 高压水蒸气强制对流:500——3500 液态金属强制对流:3000——110000 10 7.7 强制对流换热计算n 主要内容 q 强制对流换热概念 q 外掠平板 q 外掠圆柱或圆管 q 绕流球体 q 管内湍流时的对流换热 q 管内层流时的对流换热 q 管内过渡区时的对流换热计算 111 强制对流换热概念 n 当参与换热的流体受动力或压头的驱动时,其与固体壁面之间的换 热称为强制对流换热。 n 强制对流换热现象在工程中较为多见: q 管式换热器 q 热力输送管路 122 外掠平板 u xn 平板局部雷诺数 Re ? ? ?n 平板临界雷诺数 湍流 u x 层流 Re ? ? c ? 5?105 c ? x xcn 层流区 Re<5×105,准则方程为 0.5 1/3 Num ? 0.664Rem Prm 以此计算处的n 湍流区 × 5 7,准则方程为 5 10 < Re < 10 h为壁面平均 换热系数。 0.8 1/3 Num ? (0.037 Rem ?871) Prm n 特征尺寸取板长;Re中的速度取主流速度。 13 2 外掠平板n 例题:24℃的空气以60m/s的速度外掠一块平板,平壁保持216 ℃的温 度,
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