背景 管内强制流动。 雷诺数 雷诺数(具体定义请参见上一篇)低于2300时为层流。 入口段 层流时入口段长度约为: L/d=0.05RePr 设管直径0.01m,空气流速1.0m/s,温度60℃,热导率0.029W/(m.K),运动黏度18.97*10-6m2/s,普朗特数0.696,雷诺数为: Re=1.0*0.01/(18.97*10-6) =527 属管内层流 此时入口段长度约: L=0.05dRePr =0.05*0.01*527*0.696 =0.183m 上述参数下从入口到0.183m处为入口段,0.183m后为充分发展段。 层流时入口段换热系数大于充分发展段,因此对处于层流的管内换热,可通过适当措施(如内构件等)使流动始终处于入口段状态,从而强化换热。 入口段换热系数 计算式为(等壁温): ahx=1.86(red/d)(dRePr/L)1/3(unf/unw)0.14 式中,ahx为对流换热系数,W/(m2.℃);red为流体进出口平均温度下的流体热导率,W/(m.℃);d为管内直径或流道当量直径,m;Re为流体流动雷诺数(定义式请参见上一篇),无因次;Pr为流体进出口平均温度下的流体普朗特数(定义式请参见上一篇),无因次;L为管或流道长度,m;unf为流体进出口平均温度下的流体动力黏度,Pa.s;unw为管壁温度下的流体动力黏度,Pa.s。 上式适用范围为: Re=13~2300 Pr=0.48~16700 (unf/unw)=0.0044~9.75 (dRePr/L)1/3(unf/unw)0.14>2 当管直径0.01m,空气流速1.0m/s,温度60℃,管长0.183m(入口段长度)时,有: (dRePr/L)1/3=0.01*527*0.696/0.183 =201/3=2.7 即上述参数下,上式一直到入口段临界长度处均可应用。 当流体与管壁温差不大(如小于10℃)时,(unf/unw)0.14约等于1.0,上式可简化为: ahx=1.86(red/d)(dRePr/L)1/3 充分发展段换热系数 管内层流到达充分发展段后,努谢尔特数为常数,对圆管、等壁温时(工程应用中多为等壁温情况),换热系数为: ahx=3.66(red/d) 式中符号同上。 管或流道截面形状不同时,努谢尔数也有所不同,用当量直径近似按圆管处理时可能有一定偏差。 计算示例 设管直径0.01m,空气流速1.0m/s,温度60℃,管壁温度50℃。 当管长0.1m时,平均对流换热系数约为: ahx=1.86(red/d)(dRePr/L)1/3 =1.86*(0.029/0.01)*(0.01*527*0.696/0.1)1/3 =1.86*2.9*3.32 =17.9W/(m2.K) 当管长为0.183m时,有: ahx=1.86(red/d)(dRePr/L)1/3 =1.86*(0.029/0.01)*(0.01*527*0.696/0.183) 1/3 =1.86*2.9*2.71 =14.6W/(m2.K) 当管长为1.0m时,则管长0.0~0.183m部分换热系数为14.6W/(m2.K),管长0.183~1.0m部分换热系数为: ahx=3.66(red/d) =3.66*(0.029/0.01) =10.6W/(m2.K) 主要参考文献 杨世铭,陶文铨. 传热学(第四版). 高等教育出版社,2006 陈东,谢继红. 热泵技术手册. 化学工业出版社,2012 |
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