234 光管束对流换热计算示例-水

234 光管束对流换热计算示例-水

背景

流体无相变横向流过光管束。

冷热流体温度相差不太大。

流体普朗特数0.7～500。

管束顺排

管束叉排

计算方程

顺排且雷诺数10³～2*10⁵时：

Nu=0.27cR_e^0.63P_r^0.36

顺排且雷诺数2*10⁵～2*10⁶时：

Nu=0.021cR_e^0.84P_r^0.36

式中c为修正系数，取值为：1排时0.69，2排时0.80，3排时0.86，4排时0.90，5排时0.93，6排时0.95，8排时0.96，12排时0.98，16排时0.99，>20排时1.0。

叉排、S₁/S₂<=2且雷诺数10³～2*10⁵时：

Nu=0.35cR_e^0.60P_r^0.36(S₁/S₂)^0.2

式中S₁和S₂请参见前面第二图标示。

叉排、S₁/S₂>2且雷诺数10³～2*10⁵时：

Nu=0.40cR_e^0.60P_r^0.36

叉排且雷诺数2*10⁵～2*10⁶时：

Nu=0.022cR_e^0.84P_r^0.36

式中c为修正系数，取值为：1排时0.62，2排时0.76，3排时0.84，4排时0.88，5排时0.92，6排时0.95，8排时0.96，12排时0.98，16排时0.99，>20排时1.0

流体横向流过单根光管时：

Nu=xR_eⁿP_r^m

x、n、m取值为：

雷诺数1～40，x=0.75, n=0.4

雷诺数40～1000，x=0.51, n=0.5

雷诺数10³～2*10⁵，x=0.26, n=0.6

雷诺数2*10⁵～1*10⁶，x=0.076, n=0.7

普朗特数0.7～10时，m=0.37

普朗特数>10时，m=0.36

上面各式中，定性温度为流体流过管或管束的平均温度；特征尺寸为光管外直径。

计算管束雷诺数时，流速取流体在管束间的最大值。

雷诺数和普朗特数：

R_e=ud/v

P_r=v/a

式中，u为流体速度，m/s；d为管外直径，m；v为流体的运动黏度，m²/s；a为流体的热扩散系数，m²/s。

换热系数：

a_fa=N_ud_ao/d

式中，a_fa为流体的对流换热系数，W/(m².K)；N_u为努谢尔特数，无因次；d_ao为流体的热导率，W/(m.K)；d为管外直径，m。

换热量：

Q=a_faFT_d

式中，Q为换热量，W；a_fa为流体的对流换热系数，W/(m².K); F管外表面积，m²；T_d为流体与管壁外表面温度之差；K。

计算示例

水在壳管式冷凝器的壳侧（换热管与壳体之间的空间）流动，壳体内直径为30mm，内部布置20根紫铜换热管，换热管外直径为3mm，内直径2mm，近似顺排排列（左右两侧四根管与邻排为正三角形排列），如下图（纵横向管间距均为3mm）。

壳管式冷凝器采用基本型，如下图：

折流板间距取30mm；水在壳管式冷凝器内的平均温度50℃；水在管间通道处的平均流速约为0.5m/s，计算水侧对流换热系数。

50℃时水的热物性为：

运动黏度v=0.556*10^-6m²/s

普朗特数P_r=3.54

热导率d_ao=0.648W/(m.K)

流动雷诺数：

Re=ud/v

=0.5*0.003/(0.556*10^-6)

=2698

努谢尔特数：

Nu=0.27cR_e^0.63P_r^0.36

=0.27*0.93*2698^0.63*3.54^0.36

=0.2511*145.1*1.576

=57.4

对流换热系数：

a_fa=N_ud_ao/d

=57.4*0.648/0.003

=12398 W/(m².K)

●研讨

示例计算中在方程选用、数据引入、计算过程等方面是否有偏差？

换热管如为异形管（如椭圆管、方管等）时如何处理？

流体如果不是垂直流过管束，而是以一定角度流过管束时如何处理？