對流傳熱系數的測定實驗報告

./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α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.擬合實驗準數方程式75.傳熱準數經驗式7四、操作方法與實驗步驟8五、實驗數據處理91.原始數據：92.數據處理9六、實驗結果12七、實驗思考13實驗目的和要求1掌握空氣在傳熱管內對流傳熱系數的測定方法,了解影響傳熱系數的

因素和強化傳熱的途徑；

2把測得的數據整理成Nu=ARen形式的準數方程,并與教材中公認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Φ19×1.5mm有效長度1020mmF1,F2為管路切換閥門F3,F4為不凝氣排出閥F5,F6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=m1cp1熱流體與固體壁面的對流平均溫差可由〔2式計算：(T-Tw固體壁面與冷流體的對數平均溫差可由〔3式計算：(t-tw熱、冷流體的對數平均溫差可由〔4式計算：?tm=式中：Q熱流量,J/s；m1,m2分別為熱、冷流體的質量流量,kg/scp1,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,℃α1,α2分別為熱、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數,W/(m2·℃)A1,A2分別為熱、冷流體的傳熱面積,m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)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ρ0當作1kgmV'=空氣質量流量m:m=V'ρ0式中：V'空氣實際體積流量,V無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量,mρ0空氣在孔板處的密度,kg/m3,本實驗中ρ03.空氣在傳熱管內對流傳熱系數α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即α=mc(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λ值很大,且管壁厚度較小時,可認為Tw1≈tw1及T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。3.2近似法以管內壁面積為基準的總傳熱系數與對流傳熱系數間的關系為：1K=式中：d1,ddm換熱管的對流平均直徑,b換熱管的壁厚,mλ換熱管材料的導熱系數,W/(m?℃)Rs1,Rs2分別為換熱管外側、內側的污垢熱阻總傳熱系數K可由式〔1得：K=QA用本裝置進行實驗時,管內空氣與管壁間的對流傳熱系數α2約幾十到幾百W/(m2·K),而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數α1可到數萬W/(m2·K),因此冷凝傳熱熱阻d2α1d1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。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅α=K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α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可表示為α=C將式〔12代入式〔9,得到：1K=依據3.2的分析,式〔13右邊后側三項在本實驗條件下可認為是常數,則由式〔13可得：1K=式〔14為Y=mX+B線性方程,以Y=1K,X=1uα=C4.擬合實驗準數方程式由實驗獲取的數據計算出相關準數后,在雙對數坐標紙上,擬合Nu~Re直線,Nu=A式中：Nu努塞爾數,NRe雷諾數,Re5.傳熱準數經驗式對于流體在圓形直管內做強制湍流對流傳熱時,傳熱準數經驗式為：Nu=0.023式中：Pr普蘭特數,P上式適用范圍為：Re=1.0×104~1.2×105,Pr=0.7~120式中：λ定性溫度下空氣的導熱系數,W/(m?℃u空氣在換熱管內的平均流速,mρ定性溫度下空氣的密度,kgμ定性溫度下空氣的黏度,P在本實驗條件下,考慮Pr變化很小,可認為是常數,則N附注：在0~100℃之間,空氣物性與溫度的關系式有如下擬合公式：空氣的密度與溫度的關系式：ρ空氣的比熱與溫度的關系式：

60℃以下Cp=1005J/(kg?℃)60℃空氣的導熱系數與溫度的關系式：λ空氣的黏度與溫度的關系式：μ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20,14,10,7m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后,5普通管測好后,切換為強化管,同4依次設定20,11.8,7m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后,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、實驗數據處理1.原始數據：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<m3冷流體出口溫度/℃冷流體進口溫度/℃普通管103.083102.334100.724101.77420.076965.67425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.數據處理以強化管第一次數據〔空氣流量為20m3h?t在空氣進口溫度t1下,空氣密度ρ則由式〔5可得：V由式〔6可得：m=定性溫度t=則空氣比熱為C于是,由式〔10得：K=為利用Wilson圖解法,可求1K=198.138于是可得下表表2管道名稱質量流量/<kg/s>K/W/<mu/<m/s>11普通管6.072E-0374.81325.4770.0130.075普通管4.277E-0358.98117.9380.0170.099普通管3.054E-0345.48612.8020.0220.130普通管2.137E-0334.2788.9570.0290.173強化管5.917E-0398.15624.8690.0100.076強化管3.615E-0366.86715.1780.0150.114強化管2.143E-0342.4168.9920.0240.173根據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3α/w/<m2·℃>82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以強化管第一組數據為例：空氣的導熱系數求得：λ空氣的黏度求得：μ空氣的密度求得：ρ則有NR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4強化1強化2強化3N47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.26R23290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用雙對數坐標紙擬合Nu~R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如表2,從表中易得,對流傳熱系數α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要比普通管大。2由Nu~Re直線圖可得到普通管：N強化管：N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更大,對流傳熱系數更大,故此,換熱效果更好。但同公認的經驗式Nu=0.02Re0.8比較,雖然比較接近,但即使是強化管也比理想值偏小,傳熱系數與蒸汽消耗量、換熱時間、空氣流量和溫度、冷凝水是否及時排出、以及熱量損失等因素有關,但在此實驗中由于蒸汽溫度與室溫的差距〔約80℃七、實驗思考1實驗中冷流體和蒸汽的流向對傳熱效果有何影響？在一般的套管換熱器中,冷流體和蒸汽采用逆流和并流時,它們的出口溫度都會發(fā)生變化,故而傳熱效果會有所不同；但在本實驗中,由于蒸汽在環(huán)隙中的溫度可認為是處處相等的,因此無論并流還是逆流傳熱效果都一樣。2在計算冷流體質量流量時所用的密度值與求雷諾數時所用的密度值是否一致？它們分別是在什么位置的密度,應在什么條件下進行計算？二者并不一致。計算冷流體質量流量時,孔板流量計在套管換熱器系統(tǒng)之外,故而此時