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导管的入出口温度计算与分析.
导管的入出口温度计算与分析
1.问题的提出
在热灌注和介入治疗设备中,由于灌注出口的导管有一定长度,对药液有散热作用,致使药液进入人体的温度的入口温度未知,出现过热或过冷,影响治疗。
2.解决方案
通过分析推导导管的热传导机理,获得入出口温度的关系式,从而有效的控制灌注出口温度,得到稳定的进入人体的入口温度。
3.热学基本理论
3.1 圆管的热传导
设圆管的内、外半径分别为r1和r2,长度为l,可以看出圆管的传热面积随半径而变。若圆管壁内、外表面温度分别为t1和t2,且t1>t2。若在圆管半径r处沿半径方向取微元厚度dr的薄层圆管,其传热面积可视为常量,等于2πrl;同时通过该薄层的温度变化为dt,则根据傅立叶定律通过该薄层的导热速率可表示为
(3-1)
将上式分离变量积分并整理得
(3-2)
式(3-2)即为单层圆管的导热速率公式。
传热速率可表示为传热推动力与传热阻力之比,即
(3-3)
则圆管的导热热阻R为
(3-4)
令圆管平均面积Am为
Am=2 (3-5)
其中
(3-6)
式中 Am ——圆管的对数平均面积,m2;
rm ——圆管的对数平均半径,m。
当r2/r1≤2时,(3-6)式中的对数平均值可用算术平均值代替。
3.2 强制对流的对流传热
对流又称给热,是指利用流体质点在传热方向上的相对运动,将热量由一处传递至另一处。对流中总是伴有热传导。根据引起流体质点相对运动的原因不同,又可分为强制对流和自然对流。若相对运动是由外力作用(如泵、风机、搅拌器等)而引起的,称为强制对流;若相对运动是由流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异,使流体质点发生相对运动的,则称为自然对流。
对流传热与流体的流动情况及流体的性质等有关,其影响因素很多。其传热速率可用牛顿冷却定律表示
(3-7)
式中 Q ——对流传热速率,W;
——对流传热膜系数(或对流传热系数、给热系数),W/(m2·K)
A ——对流传热面积,m2;
Δt——流体与壁面间温度差的平均值,K;
R=1/()——对流传热热阻,K/W;
根据无相变低粘度流体在圆管内流动特点,强制对流的换热准则可分为三种:
3.2.1 管内紊流换热
管内流体处于紊流状态时,换热计算的准则关系式:
(3-8)
或
(3-9)
式中——努塞尔数;
u ——平均流速,m/s;
——流体的密度,kg/m3;
——传热壁面上有代表性的几何尺寸,可以是管内径或管外径,m;
——导热系数,w/m·k;
——流体的粘度,kg/ms;
——流体的定压比热,J/kg·k;
应用范围:
(1)雷诺数Re104;
(2)普朗特数Pr=0.7~120;
(3)管子的长径比L/d 50;
(4)定性温度取流体进出口温度的算术平均值;
(5)管内流体被加热时,n=0.4;管内流体被冷却时,n=0.3;
(6)d为管子内径;
式(3-9)又称为迪图斯(Dittus)公式。
若将式(3-9)作如下整理:
(3-10)
式中各项物理性质在定性温度下皆为常数,将其合并为常数项A,则
(3-11)
当管长与管径之比L/d 50时,属于短管内的对流换热,入口段的影响不可忽视,此时 应在等式(3-8)右侧乘上一修正系数。
3.2.2 管内层流换热
当雷诺数Re2200时,管内流动处于层流状态,此时的换热计算准则关系式:
(3-12)
式中为管内流体的粘度,为管壁温度下流体的粘度。
3.2.3 管内过渡流区的换热
当雷诺数2200Re104时,管内流动处于层流到紊流的过渡流动状态,此时的换热计算准则关系式:
(对液体) (3-13)
式中为管内流体平均温度的普朗特数,为管壁平均温度下流体的普朗特数。
3.3自然对流换热
工程上大空间自然对流换热计算关系式常采用如下形式:
(3-14)
或
(3-15)
式中,当
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