對流傳熱系數(shù)的測定實驗報告

1、 浙 江 大 學化學實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗甲實驗名稱：對流傳熱系數(shù)的測定指導教師： 專業(yè)班級： 姓 名： 學 號： 同組學生： 實驗日期： 實驗地點： 目錄一、實驗目的和要求2二、實驗流程與裝置2三、實驗內容和原理31.間壁式傳熱基本原理32.空氣流量的測定53.空氣在傳熱管內對流傳熱系數(shù)的測定53.1牛頓冷卻定律法53.2近似法63.3簡易Wilson圖解法64.擬合實驗準數(shù)方程式75.傳熱準數(shù)經驗式7四、操作方法與實驗步驟8五、實驗數(shù)據(jù)處理91.原始數(shù)據(jù)：92.數(shù)據(jù)處理9六、實驗結果12七、實驗思考13一、 實驗目的和要求1）掌握空氣在傳熱管內對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳

2、熱系數(shù)的 因素和強化傳熱的途徑；2）把測得的數(shù)據(jù)整理成 Nu=ARen 形式的準數(shù)方程，并與教材中公認 經驗式進行比較；3）了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。二、 實驗流程與裝置 本實驗流程圖（橫管）如下圖1所示，實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量計、變頻器、套管換熱器（強化管和普通管）及溫度傳感器、只能顯示儀表等構成。 空氣-水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入套管換熱器，與被風機抽進的空氣進行換熱交換，不凝氣或未冷凝蒸汽通過閥門（F3和F4）排出，冷凝水經排出閥（F5和F6）排入盛水杯?？諝庥娠L機提供，流量通過變頻器改變風機轉速達到自動控制，空氣經孔板流量計進入套管換

3、熱器內管，熱交換后從風機出口排出。 注意：普通管和強化管的選?。涸趯嶒炑b置上是通過閥門（F1和F2）進行切換，儀表柜上通過旋鈕進行切換，電腦界面上通過鼠標選擇，三者必學統(tǒng)一。 圖1 橫管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖圖中符號說明如下表：符號名稱單位備注V空氣流量m3/h紫銅管規(guī)格191.5mm有效長度1020mmF1，F(xiàn)2為管路切換閥門F3，F(xiàn)4為不凝氣排出閥F5，F(xiàn)6為冷凝水排出閥t1空氣進口溫度t2普通管空氣出口溫度t3強化管空氣出口溫度T1蒸汽發(fā)生器內的蒸汽溫度T2普通管空氣出口端銅管外壁溫度T3普通管空氣進口端銅管外壁溫度T4普通管外蒸汽溫度T5強化管空氣出口端銅管外壁溫度T6強化管空

4、氣進口端銅管外壁溫度T7強化管外蒸汽溫度三、實驗內容和原理 在工業(yè)生產過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側流動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換。 本裝置主要研究汽-氣綜合換熱，包括普通管和加強管。其中，水蒸氣和空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強管，是在紫銅管內加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進而增大了空氣流動的湍流程度，是換熱效果更明顯。1.間壁式傳熱基本原理如圖2所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷

5、流體的對流傳熱組成。圖2 間壁式傳熱過程示意圖間壁式傳熱元件，在傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)后，有： Q=m1cp1T1-T2=m2cp2t2-t1 =1A1(T-Tw)m=2A2(tw-t)m =KAtm(1)熱流體與固體壁面的對流平均溫差可由（2）式計算： (T-Tw)m=T1-Tw1-(T2-Tw2)lnT1-Tw1T2-Tw2（2）固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計算： (t-tw)m=t1-tw1-(t2-tw2)lnt1-tw1t2-tw2（3）熱、冷流體的對數(shù)平均溫差可由（4）式計算： tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1（4）式中：Q -熱流量，J/s； m1

6、, m2-分別為熱、冷流體的質量流量，kg/s cp1，cp2-分別為定性溫度下熱、冷流體的比熱，J/(kg) T1，T2-分別為熱流體的進出口溫度， t2，t1-分別為冷流體的進出口溫度， 1，2-分別為熱、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2) A1，A2-分別為熱、冷流體的傳熱面積，m2 (T-Tw)m，(t-tw)m-分別為熱、冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差， K-以傳熱面積A為基準的總傳熱系數(shù)，W/(m2) A-平均傳熱面積，m2 tm-冷、熱流體的対數(shù)平均溫差，由實驗裝置流程圖可見，本實驗的強化管或普通管換熱，熱流體是蒸汽，冷流體是空氣。2.空氣流量的測定空氣在無紙記錄儀上現(xiàn)

7、實的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關，考慮到實際過程中，空氣的進口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板出的空氣密度0當作1kgm3時的讀數(shù)，因此，如果空氣實際密度不等于該值，則空氣的實際體積流量應該由下式進行校正： V=V0（5）空氣質量流量m:m=V0（6）式中：V-空氣實際體積流量，m3/s V-無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，m3/s 0-空氣在孔板處的密度，kg/m3,本實驗中0即為空氣在進口問題t1下對應的溫度。3.空氣在傳熱管內對流傳熱系數(shù)的測定 3.1牛頓冷卻定律法 在本裝置的套管加熱器中，環(huán)隙內通空氣，水蒸氣在紫銅管表面冷凝放熱而加熱空氣。在

8、傳熱過程達到穩(wěn)定后，空氣作為冷流體，空氣側傳熱由式（1）可得： mct2-t1=A(tw-t)m（7） 即 =mc(t2-t1)A(tw-t)m（8）tw1和tw2分別是換熱管空氣進口處的內壁溫度和空氣出口處的內壁溫度，當內管材料導熱性能很好，即值很大，且管壁厚度較小時，可認為Tw1tw1及Tw2tw2，Tw1和Tw2分別是空氣進口處的換熱管外壁溫度和空氣出口處的換熱管外壁溫度。一般情況下直接測量固體壁面溫度，尤其是管內壁溫度，實驗技術難度較大，因此，工程上也常采用通過測量相對較易測定的流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流傳熱系數(shù)。 3.2近似法以管內壁面積為基準的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)

9、間的關系為： 1K=12+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（9）式中：d1, d2-分別為換熱管的外徑、內徑，m dm-換熱管的對流平均直徑，m b-換熱管的壁厚，m -換熱管材料的導熱系數(shù)，W/(m) Rs1,Rs2-分別為換熱管外側、內側的污垢熱阻，m2K/W總傳熱系數(shù)K可由式（1）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm（10） 用本裝置進行實驗時，管內空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)2約幾十到幾百W/(m2K)，而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)1可到數(shù)萬W/(m2K)，因此冷凝傳熱熱阻d21d1可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻Rs1d2d1也可忽略。實

10、驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數(shù)為383.8 W/(mK)，壁厚為1.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻bd2dm可忽略。若換熱管內測的污垢熱阻Rs2也可忽略，則由式（9）可知， =K（11）由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法測得的的準確性就越高。3.3簡易Wilson圖解法空氣和蒸汽在套管換熱器中換熱，空氣在套管內被套管環(huán)隙的蒸汽加熱，當管內空氣做充分湍流時，空氣側強制對流傳熱系數(shù)可表示為 =Cu0.8（12）將式（12）代入式（9），得到： 1K=1Cu0.8+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（13）依據(jù)3.2的分析，式（13）右邊后側三項在本實驗

11、條件下可認為是常數(shù)，則由式（13）可得： 1K=1Cu0.8+常數(shù)（14）式（14）為Y=mX+B線性方程，以Y=1K，X=1u0.8作圖，可求得直線斜率m，于是得到： =Cu0.8=u0.8m（15）4.擬合實驗準數(shù)方程式由實驗獲取的數(shù)據(jù)計算出相關準數(shù)后，在雙對數(shù)坐標紙上，擬合NuRe直線，從而確定擬合方程，得出實驗式： Nu=ARen（16）式中：Nu-努塞爾數(shù)，Nu=d,無因次； Re-雷諾數(shù)，Re=ud,無因次。5.傳熱準數(shù)經驗式 對于流體在圓形直管內做強制湍流對流傳熱時，傳熱準數(shù)經驗式為： Nu=0.023Re0.8Prn（17） 式中：Pr-普蘭特數(shù)，Pr=c,無因次。 上式適用范

12、圍為：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120，管長與管內徑之比Ld60。當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時n=0.3。式中：-定性溫度下空氣的導熱系數(shù)，W/(m） u-空氣在換熱管內的平均流速，ms -定性溫度下空氣的密度，kgm3 -定性溫度下空氣的黏度，Pas在本實驗條件下，考慮Pr變化很小，可認為是常數(shù)，則（17）式改寫為： Nu=0.02Re0.8附注：在0100之間，空氣物性與溫度的關系式有如下擬合公式：（1） 空氣的密度與溫度的關系式：=10-5t2-4.510-3t+1.2916（2） 空氣的比熱與溫度的關系式：60以下 Cp=1005J/(kg)60以上 Cp=

13、1009J/(kg)（3） 空氣的導熱系數(shù)與溫度的關系式：=-210-8t2+810-5t+0.0244（4） 空氣的黏度與溫度的關系式：=（-210-6t2+510-3t+1.7196）10-5四、操作方法與實驗步驟 1）檢查儀表、風機、蒸汽發(fā)生器及測溫點是否正常，將蒸汽發(fā)生器灌水至液位不低于 45 處； 2）打開總電源開關、儀表開關，開啟蒸汽發(fā)生器加熱，同時，全部開啟兩個不凝氣排出閥，通過電腦設置溫度在103； 3）等有大量不凝氣體冒出時，蒸汽緩緩進入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器，此時關閉不凝氣體排出閥，打開冷凝液排出閥，使環(huán)隙中的冷凝水不斷地排出，此時應保證有少量蒸汽冒出，且環(huán)隙內不能有大

14、量冷凝液積留； 4）啟動風機，選擇普通管，通過控制軟件的流量設定依次設定20,14,10,7 m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集4組數(shù)據(jù)； 5）普通管測好后，切換為強化管，同4）依次設定20，11.8,7 m3h，待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集3組數(shù)據(jù)； 6）實驗結束后，先關閉蒸汽發(fā)生器，待蒸汽溫度下降到95以下后，關閉風機電源，總電源，清理實驗器材。五、實驗數(shù)據(jù)處理 1.原始數(shù)據(jù)： 表 1管道名稱加熱器汽相溫度/管外蒸汽溫度/蒸汽出口處壁溫/蒸汽進口處壁溫/冷流體流量(m3h)冷流體出口溫度/冷流體進口溫度/普通管103.083102.334100.724101.77420.076965.674

15、25普通管103.146102.42100.724101.71214.138968.7924.874普通管103.02102.344100.724101.6510.09470.8424.686普通管103.02102.39100.724101.7127.0627272.98424.686強化管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5強化管103.146101.42101.474101.52411.957476.5625.186強化管103.02101.254101.35101.47.0864378.264252.數(shù)據(jù)處理 以強化管第一次數(shù)據(jù)（空氣流

16、量為20m3h）為例，由式（4）可得： tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=101.264-73.53-(101.264-25.5)ln101.264-73.53101.264-25.5=47.793 在空氣進口溫度t1下，空氣密度： 0=10-5t2-4.510-3t+1.2916=10-525.52-4.510-325.5+1.2916=1.183kgm3 則由式（5）可得：V=V0=19.581736001.183=5.00110-3m3/s由式（6）可得： m=V0=5.00110-31.183=5.91710-3kgs定性溫度t=t1+t22=25.5+73.5

17、32=49.51560則空氣比熱為Cp=1005J/(kg)于是，由式（10）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm=5.91710-31005(73.53-25.5)0.0191.02047.793=98.156W/(m2)為利用Wilson圖解法，可求 1K=198.138=0.010,u=5.00110-30.01624=24.869m/s，1u0.8=124.8730.8=0.076于是可得下表 表 2管道名稱質量流量/(kg/s)K/W/(m2)u/(m/s)1K1u0.8普通管6.072E-0374.813 25.477 0.013 0.075 普通管4.277E-0358

18、.981 17.938 0.017 0.099 普通管3.054E-0345.486 12.802 0.022 0.130 普通管2.137E-0334.278 8.957 0.029 0.173 強化管5.917E-0398.156 24.869 0.010 0.076 強化管3.615E-0366.867 15.178 0.015 0.114 強化管2.143E-0342.416 8.992 0.024 0.173 根據(jù)上表可作出下圖由式（15）可得： 表 3管道名稱普通1普通2普通3普通4強化1強化2強化3/w/(m2)82.35062.19747.48735.68693.41262.9

19、2841.397以強化管第一組數(shù)據(jù)為例：空氣的導熱系數(shù)求得： =-210-8t2+810-5t+0.0244=-210-849.5152+810-549.515+0.0244=0.028312 W/(m）空氣的黏度求得： =-210-6t2+510-3t+1.719610-5=1.9595710-5Pas 空氣的密度求得： =10-5t2-4.510-3t+1.2916=1.108kgm3則有Nu=d=93.4120.0160.028312=52.79Re=ud=1.10824.8690.0161.9595710-5=22200.18同樣的方法可得到下表： 表 4管道名稱普通1普通2普通3普通

20、4強化1強化2強化3Nu47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.26Re23290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用雙對數(shù)坐標紙擬合NuRe直線可得到如下圖：六、實驗結果1）普通管和強化管不同空氣流量下的對流傳熱系數(shù)如表 2，從表中易得，對流傳熱系數(shù)隨流量的增大而增大；且相同條件下強化管的對流傳熱系數(shù)要比普通管大。2）由0i愁件的流量設定分別更長對流傳熱系數(shù)建算流體與固體壁面建131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313NuRe直線圖可得到普通管：Nu=0.016Re0.7942強化管：Nu=0.0183Re0.7964由此可見，強化管的圖像始終在普通管的上方，即相同條件下努塞爾數(shù)更大，對流傳熱系數(shù)更大，故此，換熱效果更好。但同