對流傳熱系數(shù)的測定實驗報告

./浙江大學(xué)化學(xué)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(dǎo)教師：專業(yè)班級：姓名：學(xué)號：同組學(xué)生：實驗日期：實驗地點：目錄一、實驗?zāi)康暮鸵?二、實驗流程與裝置2三、實驗內(nèi)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(nèi)對流傳熱系數(shù)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(zhǔn)數(shù)方程式75.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)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(jié)果12七、實驗思考13實驗?zāi)康暮鸵?掌握空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定方法,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(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?？諝庥娠L(fēng)機(jī)提供,流量通過變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動控制,空氣經(jīng)孔板流量計進(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?。涸趯嶒炑b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、實驗內(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,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,增大了絕對粗糙度,進(jìn)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(dǎo)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(dá)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(shù)平均溫差可由〔3式計算：(t-tw熱、冷流體的對數(shù)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(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由實驗裝置流程圖可見,本實驗的強(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(guān),考慮到實際過程中,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(nèi)對流傳熱系數(shù)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(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,可認(rèn)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(nèi)壁溫度,實驗技術(shù)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(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)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(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)行實驗時,管內(nèi)空氣與管壁間的對流傳熱系數(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(cè)對流傳熱熱阻相比越小,此法測得的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,空氣側(cè)強(qiáng)制對流傳熱系數(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)三項在本實驗條件下可認(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.擬合實驗準(zhǔn)數(shù)方程式由實驗獲取的數(shù)據(jù)計算出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后,在雙對數(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)驗式對于流體在圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制湍流對流傳熱時,傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗式為：Nu=0.023式中：Pr普蘭特數(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在本實驗條件下,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、操作方法與實驗步驟1檢查儀表、風(fēng)機(jī)、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(guān)、儀表開關(guān),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(shè)置溫度在103℃；3等有大量不凝氣體冒出時,蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器,此時關(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實驗結(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(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利用雙對數(shù)坐標(biāo)紙擬合Nu~R六、實驗結(jié)果1普通管和強(qiáng)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)α隨流量的增大而增大；且相同條件下強(qiáng)化管的對流傳熱系數(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(guān),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?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,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(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在計算冷流體質(zhì)量流量時所用的密度值與求雷諾數(shù)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(yīng)在什么條件下進(jìn)行計算？二者并不一致。計算冷流體質(zhì)量流量時,孔板流量計在套管換熱器系統(tǒng)之外,故而此時