傳熱膜系數(shù)的測定

傳熱膜系數(shù)的測定一、實驗?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)a及傳熱系數(shù)K的測定方法，并分析影響a的因素2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；用圖解法和線性回歸法對％的實驗數(shù)據(jù)進行處理，求關(guān)聯(lián)式Nil=ARemPr0A中的常數(shù)A、m的值3、通過對管程內(nèi)部插有螺旋形麻花鐵的空氣一水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其特征數(shù)關(guān)聯(lián)式Niz'=BRem中常數(shù)B、m的值和強化Nu'/Nu,了解強化傳熱的基本理論和基本方式。4、通過測定5〃6個不同流速下套管換熱器的管內(nèi)壓降。并在同一坐標系下繪制普通管與強化管的關(guān)系曲線。比較實驗結(jié)果5、學會測溫電偶的工作原理、使用方法。二、基本原理(1)套管式傳熱膜系數(shù)的測定對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，當流體無相變時對流傳熱準數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：Nu=ARemPrnGrP對于強制湍流而言，Gr準數(shù)可以忽略，故Nu=ARemPrn本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對多變量方程進行關(guān)聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式,即取n=0.4(流體被加熱)o這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取對?shù)，即得到直線方程：Nul9^0A=l9A^ml9Re在雙對數(shù)坐標中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A,即:Nil

A=——prQARem用圖解法，根據(jù)實驗點確定直線位置有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計算機對多變量方程進行一次回歸，就能同時得到A、m、no可以看出對方程的關(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準數(shù)定義式分別為：雷諾數(shù)卅=螞努塞爾數(shù)Nu=華，普蘭特數(shù)Pr=華；fiAA式中d一一換熱器內(nèi)管內(nèi)徑，m；aL——空氣傳熱膜系數(shù)，W/m2-°CxA一一空氣的熱導率，kg/m3,弓一一空氣定壓比熱容，〃/eg?°C：H一一空氣的粘度，Pa-s.實驗中改變空氣的流量以改變Re準數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進、出II溫度的算術(shù)平均值）計算對應(yīng)的Pr準數(shù)值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)a值進而算得Nu準數(shù)值。因為空氣傳熱膜系數(shù)知遠小于蒸汽傳熱膜系數(shù)。2,所以傳熱管的對流傳熱系數(shù)知約等于冷流體間的總傳熱系數(shù)K,即則有牛頓冷卻定律：式中：A總傳熱面積m2（內(nèi)管內(nèi)表面積）o一一管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，°C；其中△紅=7'—紅，At2=T-t2T一一蒸汽側(cè)溫度，可近似用外壁面平均溫度7；,（°C）表示。傳熱量Q可由下式求得：Q=阪p°2—瑚/3600=p陰（勺F/3600式中W-—空氣質(zhì)量流量，kg/h；cp——空氣定壓比熱容，〃/eg?°C；虹，t2一一空氣進出口溫度，°C;Vs——流體體積流量，m3/h；空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量Vs與孔板流量計壓降△p的關(guān)系為*=26.2Ap054式中Ap—一孔板流量計壓降，kPa。（2）管內(nèi)強化傳熱系數(shù)的測定強化傳熱技術(shù)被學術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減少設(shè)計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量：提高現(xiàn)有的穿熱氣的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作：并且能夠減小換熱器的阻力以減小換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法很多種，本實驗裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋形麻花鐵的方法來強化傳熱的。在近壁區(qū)域,流體一面由于螺旋形麻花鐵的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地收到螺旋形金屬的擾動，因而可以使傳熱強化。強化傳熱時Nu'=BRem,其中B、m的值因螺旋形麻花鐵的尺寸不同而不同。同樣可以用線性回歸方法確定B、m的值。單純研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為準則，即強化管的努塞爾數(shù)Nu'與普通管的努塞爾數(shù)Nu之比。顯然，強化比Nu7Nu>1,而旦它的值越大，強化效果越好。三、實驗裝置與流程1、實驗裝置

2、流程說明本裝置流程如圖所示?？諝庾邇?nèi)管，蒸汽走環(huán)隙。內(nèi)管為黃銅管，冷空氣由風機輸送，經(jīng)孔板流量計計量后，進入換熱器內(nèi)管，并與套管環(huán)隙中蒸汽換熱?？諝獗患訜岷螅湃氪髿??？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進入套管環(huán)隙，與內(nèi)管的冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器。放空閥門用于排放不凝性氣體。在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(wěn)定段，是為消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。3、裝置及控制點參數(shù)裝置參數(shù)序號名稱規(guī)格備注01內(nèi)管內(nèi)徑0.02m,l=1.25m黃銅材質(zhì)02強化內(nèi)管內(nèi)插物麻花鐵厚4mm;麻花間距H=12.5mmz共6節(jié)不銹鋼材質(zhì)03蒸汽發(fā)生器加熱功率為1.5kW不銹鋼材質(zhì)04XGB-12型漩渦氣泵Pmax=17.5QkPafQmax=10Qm3/h電機功率500W05孔板流量計0-20kPa峪=26.2Ap0-54控制參數(shù)序號名稱傳感元件備注1孔板壓差壓阻式壓力傳感器ASCOM5320測量范圍0-20kPa2入11溫度PtlOO置于進出口中心3出口溫度PtlOO4水蒸氣入「1壁溫PtlOO5水蒸氣出「1壁溫K型電熱偶四、操作流程1、實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2?2/3,液位過高，i溢出進入蒸汽套管：過低，則可能燒毀加熱器。3、打開總電源開關(guān)（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實驗開始時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補水閥，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，約lOmin,啟動風機，并打開放氣閥。5、調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀書不應(yīng)從0開始，最低不應(yīng)小于O.lKPao實驗中要合理取點，以保證數(shù)據(jù)點均勻。6、將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，切記每改變一個流量后，應(yīng)等到讀書穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)，改變空氣流量（8?10次），重復實驗，記錄數(shù)據(jù)。（注意:第一個點必須穩(wěn)定足夠長的時間）7、最小、最大流量值一定要做。8、轉(zhuǎn)換內(nèi)容，進行強化套管換熱器的實驗，測定8~10組實驗數(shù)據(jù)。9、實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，過5min后再停風機，并將旁路閥全開，清理現(xiàn)場。10、切斷總電源。五、實驗數(shù)據(jù)與處理1、直管傳熱a.原始數(shù)據(jù)序號空氣入11溫度h/°C空氣出「1溫度弓/無壁溫1TW1/°C壁溫2W°c孔板壓降/（KPa）139.569.199.9100.13.02240369.699.91002.64341.170.599.9100.12.4644271399.91002.22542.871.899.91002.04645.472.499.9100.11.91744.172.8100100.11.71845.174.299.8100.21.45945374.599.9100.21.091044.874.699.9100.10.761144.67599.9100.10.51242.9743100.1100.2031341.573.4100.110030.26b.處理后的數(shù)據(jù)序號對數(shù)平溫度Atm/C*m3/h傳熱量Q/WAXMnaIV/m2-°CReNuNuPrQA144.0847.59430.573.46124.444607387.14100.66143.3744.26395.563.40116.184269181.2293.84342.5442.60381.063.34114.104089879.6191.98441.614030358.353.27109.7238509763988.27540.9638.50338.173.22105.163665773.1084.48639.6037.16302.353.1197.2635060673577.85739.9135.00303.183.1396.783311167.0977.54838.5932.02280.163.0392.493008663.9373.90938.3527.45240.793.0179.982575355.2563.861038.4222.59202.383.0267.1121220463853.611138.2318.02164.623.0054.851691637.9043.81

121339.5040.7113.6812.66129.53122.243.103.2041.7738.25129251204128.9426.5833.4530.722、強化傳熱a.原始數(shù)據(jù)序空氣入口空氣出口壁溫1壁溫2孔板壓降號溫度ti/°c溫度女/TTW1/°CTw20/(KPa)252.583.9100.1100.21.5435284100.1100.11.41451.884.1100100.11.3551.984.499.9100.21.11651.784.9100100.20.91751.885.1100.1100.20.76851.385.2100.1100.20.62950.785.4100.1100.30.461047.984.3100.2100.20.351146.582.7100.3100.40.26b.處理后的數(shù)據(jù)序?qū)?shù)平溫*傳熱量AaW/jn2-°CReNuNu號度Atm/Cm3/hQ/WPrQA129.1034.00282.942.28123.872951983.8196.98229.2133.08295352.29128.822877987.24100.94329.2431.54287.182.30125.122747184.7798.08429.2030.19277.472.29121.052629982.0294.91528.9827.72256.202.27112.632412176.2888.26628.7124.90234.982.25104.282165070.6081.69728.5522.59213.752.2495361962764.5474.68828.6520.24195.062.2586.731760358.7267.95928.7817.23170.052.2675.261499950.9858.991030.5714.86154.832.4064.521308143.9150.791132.4712.66131.752.5551.681123435.3040.833、計算。以第一數(shù)據(jù)為例來計算。對數(shù)平均溫度心=藝嚴)一伽F.幻韁一泓)=44.08T"(了2-「2)”(100.1-69.1)空氣流量*=26.2XAp054=26.2X3.02054=47.59m3/h傳熱量Q=pVscp(t2-t1)/3600=1.078xl000x47.59xl.02x(69.1-39.5)=430.57W傳熱膜系數(shù)a點詼券=124.44"/*?T努賽爾準數(shù)阪=*端穿=87.14

4X1.078X47.59雷諾數(shù)噸=于弓藉=商云^7^=46073Nu再訶M砧刁°°6687.14六、討論與分析對4X1.078X47.59雷諾數(shù)噸=于弓藉=商云^7^=46073Nu再訶M砧刁°°6687.14六、討論與分析對InRe作圖4.84.4O64.3.32-I.I.i.9.29.610.010.410.8InRe普通傳熱,In嘩=0.8705lnRe-4.7168,R2=0.9952強化傳熱，In=0.9262lnRe-4.8650,R2=0.9882從圖中可以看出，不管傳熱是否被強化，lnNu/Pr0.4?InRe關(guān)系曲線的線性都非常好，說明當流體無相變時，用量綱分析法推導出的對流傳熱準數(shù)關(guān)系A(chǔ)Nu=ARemPrn(在強制對流即忽略Gr影響時)的準確性是很好的。由擬合的公式進行轉(zhuǎn)換可以得到普通傳熱：Nu=O.OO89/?e°87Pr04強化傳熱：Nu=0.0077Re°，93p7°4從圖中可以看出，在相同的雷諾數(shù)下，加麻花鐵后的Nu/Pr0.4值比未加麻花鐵時的大，因為Pr和熱導率入在實驗條件下變化很小，由Nu=ad/X知，加混合器強化傳熱后，傳熱膜系數(shù)a變大。說明增大加熱流體的湍動程度可以強化傳熱。實驗中加入混合器后，空氣的出II溫度明顯變高，但孔板壓降則迅速降低,說明實驗中，傳熱效果的提高是以增大流動阻