對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

./浙江大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：過程工程原理實(shí)驗(yàn)甲 實(shí)驗(yàn)名稱：對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定指導(dǎo)教師：專業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：同組學(xué)生：實(shí)驗(yàn)日期：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?二、實(shí)驗(yàn)流程與裝置2三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理31.間壁式傳熱基本原理32.空氣流量的測(cè)定53.空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)α的測(cè)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)方程式75.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式7四、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟8五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理91.原始數(shù)據(jù)：92.數(shù)據(jù)處理9六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果12七、實(shí)驗(yàn)思考13實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?掌握空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法,了解影響傳熱系數(shù)的

因素和強(qiáng)化傳熱的途徑；

2把測(cè)得的數(shù)據(jù)整理成Nu=ARen形式的準(zhǔn)數(shù)方程,并與教材中公認(rèn)實(shí)驗(yàn)流程與裝置本實(shí)驗(yàn)流程圖〔橫管如下圖1所示,實(shí)驗(yàn)裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量計(jì)、變頻器、套管換熱器〔強(qiáng)化管和普通管及溫度傳感器、只能顯示儀表等構(gòu)成。

空氣-水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器,與被風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的空氣進(jìn)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(jīng)排出閥〔F5和F6排入盛水杯。空氣由風(fēng)機(jī)提供,流量通過變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動(dòng)控制,空氣經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管,熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排出。注意：普通管和強(qiáng)化管的選取：在實(shí)驗(yàn)裝置上是通過閥門〔F1和F2進(jìn)行切換,儀表柜上通過旋鈕進(jìn)行切換,電腦界面上通過鼠標(biāo)選擇,三者必學(xué)統(tǒng)一。圖1橫管對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖圖中符號(hào)說明如下表：符號(hào)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(jìn)口溫度℃t2普通管空氣出口溫度℃t3強(qiáng)化管空氣出口溫度℃T1蒸汽發(fā)生器內(nèi)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(jìn)口端銅管外壁溫度℃T4普通管外蒸汽溫度℃T5強(qiáng)化管空氣出口端銅管外壁溫度℃T6強(qiáng)化管空氣進(jìn)口端銅管外壁溫度℃T7強(qiáng)化管外蒸汽溫度℃三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中,大量情況下,采用間壁式換熱方式進(jìn)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(cè)流動(dòng),兩流體不直接接觸,通過固體壁面〔傳熱元件進(jìn)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(qiáng)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(nèi),水蒸氣走紫銅管外,采用逆流換熱。所謂加強(qiáng)管,是在紫銅管內(nèi)加了彈簧,增大了絕對(duì)粗糙度,進(jìn)而增大了空氣流動(dòng)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(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(dá)到穩(wěn)態(tài)后,有：Q=m1cp1熱流體與固體壁面的對(duì)流平均溫差可由〔2式計(jì)算：(T-Tw固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由〔3式計(jì)算：(t-tw熱、冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由〔4式計(jì)算：?tm=式中：Q熱流量,J/s；m1,m2分別為熱、冷流體的質(zhì)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(jìn)出口溫度,℃t2,t1分別為冷流體的進(jìn)出口溫度,℃α1,α2分別為熱、冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·℃)A1,A2分別為熱、冷流體的傳熱面積,m由實(shí)驗(yàn)裝置流程圖可見,本實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)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(cè)定空氣在無紙記錄儀上現(xiàn)實(shí)的體積流量,與空氣流過孔板時(shí)的密度有關(guān),考慮到實(shí)際過程中,空氣的進(jìn)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(dāng)作1kgmV'=空氣質(zhì)量流量m:m=V'ρ0式中：V'空氣實(shí)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(shí)驗(yàn)中ρ03.空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)α的測(cè)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(nèi)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(dá)到穩(wěn)定后,空氣作為冷流體,空氣側(cè)傳熱由式〔1可得：mct2即α=mc(tw1和tw2分別是換熱管空氣進(jìn)口處的內(nèi)壁溫度和空氣出口處的內(nèi)壁溫度,當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好,即λ值很大,且管壁厚度較小時(shí),可認(rèn)為Tw1≈tw1及T一般情況下直接測(cè)量固體壁面溫度,尤其是管內(nèi)壁溫度,實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度較大,因此,工程上也常采用通過測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流傳熱系數(shù)。3.2近似法以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為：1K=式中：d1,ddm換熱管的對(duì)流平均直徑,b換熱管的壁厚,mλ換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃)Rs1,Rs2分別為換熱管外側(cè)、內(nèi)側(cè)的污垢熱阻總傳熱系數(shù)K可由式〔1得：K=QA用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),管內(nèi)空氣與管壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)α2約幾十到幾百W/(m2·K),而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數(shù)α1可到數(shù)萬W/(m2·K),因此冷凝傳熱熱阻d2α1d1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Rs1d2d1也可忽略。實(shí)驗(yàn)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(cè)對(duì)流傳熱熱阻相比越小,此法測(cè)得的α的準(zhǔn)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(nèi)被套管環(huán)隙的蒸汽加熱,當(dāng)管內(nèi)空氣做充分湍流時(shí),空氣側(cè)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)可表示為α=C將式〔12代入式〔9,得到：1K=依據(jù)3.2的分析,式〔13右邊后側(cè)三項(xiàng)在本實(shí)驗(yàn)條件下可認(rèn)為是常數(shù),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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)方程式由實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上,擬合Nu~Re直線,Nu=A式中：Nu努塞爾數(shù),NRe雷諾數(shù),Re5.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí),傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為：Nu=0.023式中：Pr普蘭特?cái)?shù),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(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃u空氣在換熱管內(nèi)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(shí)驗(yàn)條件下,考慮Pr變化很小,可認(rèn)為是常數(shù),則N附注：在0~100℃之間,空氣物性與溫度的關(guān)系式有如下擬合公式：空氣的密度與溫度的關(guān)系式：ρ空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：

60℃以下Cp=1005J/(kg?℃)60℃空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：λ空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：μ四、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟1檢查儀表、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器及測(cè)溫點(diǎn)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(guān)、儀表開關(guān),開啟蒸汽發(fā)生器加熱,同時(shí),全部開啟兩個(gè)不凝氣排出閥,通過電腦設(shè)置溫度在103℃；3等有大量不凝氣體冒出時(shí),蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器,此時(shí)關(guān)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(shí)應(yīng)保證有少量蒸汽冒出,且環(huán)隙內(nèi)不能有大量冷凝液積留；4啟動(dòng)風(fēng)機(jī),選擇普通管,通過控制軟件的流量設(shè)定依次設(shè)定20,14,10,7m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后,5普通管測(cè)好后,切換為強(qiáng)化管,同4依次設(shè)定20,11.8,7m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后,6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器,待蒸汽溫度下降到95℃以下后,關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源,總電源,清理實(shí)驗(yàn)器材。五、實(shí)驗(yàn)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(jìn)口處壁溫/℃冷流體流量<m3冷流體出口溫度/℃冷流體進(jìn)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(qiáng)化管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5強(qiáng)化管103.146101.42101.474101.52411.957476.5625.186強(qiáng)化管103.02101.254101.35101.47.0864378.264252.數(shù)據(jù)處理以強(qiáng)化管第一次數(shù)據(jù)〔空氣流量為20m3h?t在空氣進(jìn)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(zhì)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(qiáng)化管5.917E-0398.15624.8690.0100.076強(qiáng)化管3.615E-0366.86715.1780.0150.114強(qiáng)化管2.143E-0342.4168.9920.0240.173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(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化3α/w/<m2·℃>82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以強(qiáng)化管第一組數(shù)據(jù)為例：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)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(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化3N47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.26R23290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙擬合Nu~R六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1普通管和強(qiáng)化管不同空氣流量下的對(duì)流傳熱系數(shù)如表2,從表中易得,對(duì)流傳熱系數(shù)α隨流量的增大而增大；且相同條件下強(qiáng)化管的對(duì)流傳熱系數(shù)要比普通管大。2由Nu~Re直線圖可得到普通管：N強(qiáng)化管：N由此可見,強(qiáng)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(duì)流傳熱系數(shù)更大,故此,換熱效果更好。但同公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)式Nu=0.02Re0.8比較,雖然比較接近,但即使是強(qiáng)化管也比理想值偏小,傳熱系數(shù)與蒸汽消耗量、換熱時(shí)間、空氣流量和溫度、冷凝水是否及時(shí)排出、以及熱量損失等因素有關(guān),但在此實(shí)驗(yàn)中由于蒸汽溫度與室溫的差距〔約80℃七、實(shí)驗(yàn)思考1實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч泻斡绊?？在一般的套管換熱器中,冷流體和蒸汽采用逆流和并流時(shí),它們的出口溫度都會(huì)發(fā)生變化,故而傳熱效果會(huì)有所不同；但在本實(shí)驗(yàn)中,由于蒸汽在環(huán)隙中的溫度可認(rèn)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(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)所用的密度值是否一致？它們分別是在什么位置的密度,應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算？二者并不一致。計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí),孔板流量計(jì)在套管換熱器系統(tǒng)之外,故而此時(shí)