空氣-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置（QQ200B）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書空氣蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法。2、 掌握熱電阻測(cè)溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。3、 學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(41)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱所組成。 達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí)，有 （41）式中：Q 傳熱量，J / s

2、；m1 熱流體的質(zhì)量流率，kg / s；cp1 熱流體的比熱，J / (kg )；T1 熱流體的進(jìn)口溫度，；T2 熱流體的出口溫度，；m2 冷流體的質(zhì)量流率，kg / s；cp2 冷流體的比熱，J / (kg )；t1 冷流體的進(jìn)口溫度，；t2 冷流體的出口溫度，；a1 熱流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；A1 熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m2； 熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差，；a2 冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；A2 冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m2； 固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差，；K 以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)，W / (m2 )； 冷熱流體的對(duì)數(shù)平

3、均溫差，；熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（42）計(jì)算， （42）式中：TW1 熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，；TW2 熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（43）計(jì)算， （43）式中：tW1 冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度，；tW2 冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，。熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（44）計(jì)算， （44）當(dāng)在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，則由式（41）得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對(duì)流傳熱系數(shù)， （45）實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進(jìn)出口溫度t1、t2；實(shí)驗(yàn)用紫

4、銅管的長(zhǎng)度l、內(nèi)徑d2，；和冷流體的質(zhì)量流量，即可計(jì)算a2。然而，直接測(cè)量固體壁面的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度大，而且所測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此，通過測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實(shí)驗(yàn)研究手段。由式（41）得， （46）實(shí)驗(yàn)測(cè)定、并查取下冷流體對(duì)應(yīng)的、換熱面積A，即可由上式計(jì)算得總給熱系數(shù)K。下面通過兩種方法來求對(duì)流給熱系數(shù)。1 近似法求算對(duì)流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對(duì)流給熱系數(shù)間的關(guān)系為， （47）式中：d1 換熱管外徑，m；d2 換熱管內(nèi)徑，m；dm 換熱管的對(duì)數(shù)平均直徑，m；b

5、換熱管的壁厚，m；l 換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W / (m )； 換熱管外側(cè)的污垢熱阻，； 換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，。用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)可達(dá)左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時(shí)蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻也可忽略。實(shí)驗(yàn)中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì)，則由式（47）得， （48） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對(duì)流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準(zhǔn)確性就越高。2 傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作

6、強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí)，若符合如下范圍內(nèi)：Re=1.0×1041.2×105,Pr0.7120，管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d60,則傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為， （49）式中：Nu努塞爾數(shù)，無因次；Re雷諾數(shù)，無因次；Pr普蘭特?cái)?shù)，無因次；當(dāng)流體被加熱時(shí)n0.4，流體被冷卻時(shí)n0.3；a 流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W / (m2 )；d 換熱管內(nèi)徑，m；l 流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W / (m )；u 流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m / s；r 流體的密度，kg / m3；m 流體的粘度，Pa s；cp 流體的比熱，J / (kg )。對(duì)于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流被加熱時(shí)，可將式（49）改寫為， （4

7、10）令， （411） （412） （413） （414）則式（47）可寫為， （415）當(dāng)測(cè)定管內(nèi)不同流量下的對(duì)流給熱系數(shù)時(shí)，由式（414）計(jì)算所得的C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時(shí)，m也為常數(shù)。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定不同流量所對(duì)應(yīng)的，由式（44）、（46）、（412）、（413）求取一系列X、Y值，再在XY圖上作圖或?qū)⑺玫腦、Y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數(shù)a2可用下式求得， （416）3 冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定（1）若用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實(shí)際的流量， （417）式中： V ' 實(shí)際被測(cè)流體的體積流量，m3 / s；' 實(shí)

8、際被測(cè)流體的密度，kg / m3；均可取下對(duì)應(yīng)水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關(guān)系式；V 標(biāo)定用流體的體積流量，m3 / s； 標(biāo)定用流體的密度，kg / m3；對(duì)水 = 1000 kg / m3；對(duì)空氣 = 1.205 kg / m3；f 轉(zhuǎn)子材料密度，kg / m3。于是 (418)（2）若用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量，則， (419)式中，V 為冷流體進(jìn)口處流量計(jì)讀數(shù)，為冷流體進(jìn)口溫度下對(duì)應(yīng)的密度。4 冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關(guān)系式：（2）空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60以下 J / (kg ), 70以上

9、J / (kg )。（3）空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式： （4）空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1實(shí)驗(yàn)裝置1風(fēng)機(jī)； 2冷流體管路； 3冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥； 4轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 5冷流體進(jìn)口溫度；6不凝性氣體排空閥； 7蒸汽溫度； 8視鏡； 9冷流體出口溫度； 10壓力表； 11水汽排空閥；12蒸汽進(jìn)口閥；13冷凝水排空閥；14蒸汽進(jìn)口管路；15冷流體出口管路；圖4-1 空氣-水蒸氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸汽進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風(fēng)機(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)閥門排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2設(shè)備與

10、儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑21×2.5mm，長(zhǎng)度L=1000mm（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑100×5mm，長(zhǎng)度L=1000mm（4）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（5）全自動(dòng)蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表四、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)步驟（1） 打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表顯示是否正常。（2） 在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水，開啟發(fā)生器電源，水泵會(huì)自動(dòng)將水送入鍋爐，灌滿后會(huì)轉(zhuǎn)入加熱狀態(tài)。到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處于保溫狀態(tài)。（3） 打開控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開關(guān)，讓風(fēng)機(jī)工作，同時(shí)打開冷流體進(jìn)口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。（4）

11、打開冷凝水出口閥，排出上次實(shí)驗(yàn)余留的冷凝水，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會(huì)使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。（5） 在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門，打開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當(dāng)聽到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥，方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。（6） 開始通入蒸汽時(shí)，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，防止不銹

12、鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。（7） 上述準(zhǔn)備工作結(jié)束，系統(tǒng)也處于“熱態(tài)”后，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥，使蒸汽進(jìn)口壓力維持在 0. 01MPa，可通過調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥及蒸汽進(jìn)口閥開度來實(shí)現(xiàn)。（8） 通過調(diào)節(jié)冷空氣進(jìn)口閥來改變冷空氣流量，在每個(gè)流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方可記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)值，一般每個(gè)流量下至少應(yīng)使熱交換過程保持5分鐘方為視為穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。（9） 記錄68組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥，關(guān)閉儀表電源，待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉冷凝水出口閥，關(guān)閉總電源。（10） 待蒸汽發(fā)生器為常壓后，將鍋爐中的水排盡。 2

13、注意事項(xiàng)（1） 先打開水汽排空閥，注意只開一定的開度，開的太大會(huì)使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。（2） 一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。（3） 剛開始通入蒸汽時(shí)，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。 （4） 操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa（表壓）以下，否則可能造成不銹鋼管爆裂。（5） 確定各參數(shù)時(shí)，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時(shí)注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、計(jì)算冷流體給熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值2、冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖擬合曲線方程，確定式中常數(shù)A及m。3、以為縱坐標(biāo)