215 管内强制对流换热计算示例-水
215 管内强制对流换热计算示例-水
说明
流体在换热过程中无相变。
流体在管内用泵等强制流动。
流动准则数-雷诺数
Re=ud/v
式中，u为流体速度，m/s；d为管路直径，m；v为流体的运动黏度，m2/s。
当管路为圆管时，管路直径即为圆管内直径。
当管路为非圆管时，则管路直径采用其当量直径。
管路当量直径的计算公式为：
d=4A/U
式中，A为流体的流动截面积，m2；U为流体的润湿周长，m。
典型管路的当量直径为（流体充满管路流动）：
方截面管：
d=L，L为方管的边长。
矩形截面管：
d=2WL/(W+L)，W、L为矩形两边长度。
椭圆截面管：
d=4ab/(1.5(a+b) - (ab)0.5)， a、b为椭圆的长半轴长度和短半轴长度。
套管：
设套管外管内直径为D，外管内可有多根内管，内管根数为N，内管外直径为do，当流体在套管壳侧（内管与外管之间的空间）流动时，其当量直径为：
d=(D2-Ndo2)/(D+Ndo)
计算方程（流体与管内壁温差不太大、管路不太短时）
当2300>Re>13，且dRePr/L>10时（Re为流体流动的雷诺数，无因次；d为管路的当量直径，m；Pr为流体的普朗特数，无因次；L为管路长度，m），
Nu=1.86(dRePr/L)0.333
当10000>Re>2300，且流体为气体，气体普朗特数1.5>Pr>0.6时，
Nu=0.0214Pr0.4(Re0.8-100)
当10000>Re>2300，且流体为液体，液体普朗特数100>Pr>1.5时，
Nu=0.012Pr0.4(Re0.87-280)
当12*104>Re>104，普朗特数120>Pr>0.7，L/d>60时，
如流体被加热，则：
Nu=0.023Pr0.4Re0.8
如流体被冷却，则：
Nu=0.023Pr0.3Re0.8
上述公式中流体物性的定性温度为流体进出管路的平均温度。
换热系数：
afa=Nudao/d
式中，afa为流体的对流换热系数，W/(m2.K)；Nu为努谢尔特数，无因次；dao为流体的热导率，W/(m.K)；d为管路当量直径，m。
流体与管路的换热量为：
Q=afaFTd
式中，Q为换热量，W；afa为流体的对流换热系数，W/(m2.K); F为流体与管路壁面的接触面积，m2；Td为流体与管壁表面温度之差；K。
计算示例
水在套管壳侧（内管与外管之间的空间）流动，套管外管内直径为20mm，内管有10根，内管外直径为3mm，套管长度为1000mm，套管内管外壁温度50℃；水在套管壳侧的流速为0.2m/s，水在套管内的平均温度为40℃，计算套管给水的加热量和水流经套管的温升。
查40℃时水的热物性，有：
运动黏度v=0.659*10-6m2/s
普朗特数Pr=4.31
热导率dao=0.634W/(m.K)
比热c=4174J/(kg.K)
密度rou=992kg/m3
具体计算如下：
当量直径为：
d=(D2-Ndo2)/(D+Ndo)=(0.022-10*0.0032)/(0.02+10*0.003)=0.0062m
流动雷诺数：
Re=ud/v=0.2*0.0062/(0.659*10-6)=1882
dRePr/L=0.0062*1882*4.31/1=50>10
Nu=1.86(dRePr/L)0.333=1.86*500.333=6.86
对流换热系数：
afa=Nudao/d=6.86*0.634/0.0062=701W/(m2.K)
换热面积：
F=3.14doLN=3.14*0.003*1*10=0.0942m2
Q=afa F Td =701*0.0942*(50-40)=660W
水的质量流量：
m=(0.25*3.14*D2-0.25*3.14*N*do2)urou=(0.25*3.14*0.022-0.25*3.14*10*0.0032)*0.2*992=0.048kg/s
水在流经套管过程中温升为：
Ts=Q/(mc)=660/(0.048*4174)=3.3℃
●研讨
*计算示例中得出的对流换热系数感觉比印象中要小些，是否在方程选用、数据引入、计算过程等方面有偏差？
*椭圆周长的计算公式有哪些，当椭圆长轴30mm，短轴10mm时，下图三个公式计算出的周长各为多少？
*如实际参数不在文中所列参数范围之内，或流体在流动过程中有相变，或管路为非直管，或管径周期变化等情况时，流体与管壁对流换热如何处理？
*流体为非均相流体，或管路中有内构件，或管内有能量场等情况时，如何处理？
*流体与管壁的强化对流换热过程主要与哪些因素有关，基本影响规律如何？