防冻液流体管内强制对流传热关联式

根据防冻液流体其他物性参数,对相应流动状态下的Re、Pr数进行计算可确定所需采用的管槽内强制对流传热关联式。对于常规的液态流体来说,其Pr＞0.6,为了强化换热,在蒸发器铜管内换热的流体均处于湍流状态。由此我们采用了传热学中使用时间最长也是最普遍的关联式,习惯上称其为Dittus-Boelter公式,

其中,加热流体时,n取0.4,冷却流体时,n取0.3;定性温度采用流体平均温度tf作为定性温度(即管道进、出口截面平均温度的算术平均值),特征长度取管道内径d,适用于本公式的取值范围Ref＝104～1.2×105,Prf＝0.7～120,l/d≥60。该公式适用于流体与壁面具有中等温差的情况,一般来说,对于气体不超过50℃,对于水不超过20～30℃。

为了使计算过程更贴近实际情况,需对公式(6-4)进行几个方面的修正。

(1)变物性影响修正。

由于温度会直接影响换热流体粘度,但当流体的平均温度与壁面温度的差值大于前文提到的中等温差时,单纯通过Pr数的指数在加热和冷却时取值的不同已经不能充分反映物性变化的影响。这时需引入温差修正系数,即在式(6-4)(n值恒取0.4)右端乘上系数ct,计算式为[2]:

对气体,被加热时

被冷却时

对液体,被加热时

被冷却时

式中　T——热力学温度,单位为K;

　η——动力粘度,单位为Pa·s;

下标f、w分别表示以流体平均温度及壁面温度来计算得到的流体动力粘度。

(2)入口段影响修正。

管内强制对流入口段因其热边界层薄,表面传热系数较充分发展段要高。但在换热系数究竟高出多少或如何忽略入口段效应影响需视实际情况而定。对于通常情况下,工业设备中的尖角入口,可采用如下的入口段修行系数:

在公式(6-4)的左端乘上cl后,所得Nu数为包括入口段在内总长为l的管道平均Nu数。

(3)管路粗糙度修正。

Dittus-Boelter公式仅能用于旺盛湍流区的范围,换热管道必须为光管,即公式仅适用于水力光滑区,忽略管道表面粗糙度,且当流体流态处于过渡区时,此时应选用适用于过渡区的准则关联式——Gnielinski公式[3],

对液体

对气体

式中　l——管长;

　F——管内湍流流动的Darcy阻力系数,按Filonenko公式

计算,公式(6-7a)的实验验证范围为:Ref＝2300～106,Prf＝(0.6～1)105。由于换热铜管为内翅片管,不能看做光管,应视为粗糙管,此时采用公式(6-7)计算时,其阻力系数f应按照粗糙管代入。而计算粗糙管的阻力系数时,可采用柯列勃洛克(Colebrook)提出的工业管道阻力系数f的计算公式——Colebrook公式,

式中　Δ——工业管道的当量粗糙高度。

上述公式可用于紊流的全部三个阻力区,故又称为紊流的综合计算公式。为了简化计算,阿里特苏里提出了Альтщуль公式,

根据公式(6-7),以及各特征数表达式,

结合(6-7)、(6-11)、(6-12)公式,可将对流传热关联式变为,

公式适用范围:Ref＝2300～106,Prf＝0.6～105。