01-對流傳熱系數(shù)的測定

1、01 對流傳熱系數(shù)的測定 冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式(3)計算: 一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿?三、主要儀器設(shè)備（必填） 五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 七、討論、心得 二、實驗內(nèi)容和原理（必填） 四、操作方法和實驗步驟 六、實驗結(jié)果與分析（必填） 、實驗?zāi)康暮鸵?1. 掌握空氣在普通和強化傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱 的徑。 2. 把測得的數(shù)據(jù)整理成 Nu B?Ren 形式的準數(shù)方程式，并與教材中相應(yīng)公式進行比較。 3. 了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。 二、實驗內(nèi)容和原理 在實際生產(chǎn)中，大量情況采用的是間壁式換熱方式進行換熱，就

2、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，不直接接觸，通過固體壁面進行熱量交換。 本實驗主要研究汽氣綜合換熱， 包括普通管和強化管。 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。所謂加強管，是在紫銅管內(nèi)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，使換熱效果更明顯。 1. 空氣在普通和強化傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定 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 熱所組成。 Tw Figure 1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 QmiCpiTi

3、-T2m2Cp2t2 -tiaA T -TwM a Atw -1 mKA Atm(1) 式中：Q傳熱量，J/s ； mi、m2分別為熱流體、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s; Cp1、Cp2 分別為定性溫度下熱流體、冷流體的比熱，J /(kg ?C)； Ti、T2 分別為熱流體的進、出口溫度，C ； ti、t2 分別為冷流體的進、出口溫度，C ； 2 i、 2分別為熱流體、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/ m C ； 2 Ai、A 分別為熱流體、冷流體測的傳熱面積，m ； T Tv M、 t tw m 分別為熱流體、冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，C ； K 以傳熱面積A為基準的總傳熱系數(shù)， w

4、/(m2 ?c)； 2 A傳熱面積，m ； C。 2)計算： Ti - wiT? - %2 (2) ln-Twi T2 -Tw2 Atm 冷、熱流體的對數(shù)平均溫差， 熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式( T -TW m 式中：Twi、Tw2分別為熱流體進、出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，C。 (3) tw -t tW1 - t1 tw2 -t2 tW2 -t2 式中：twi、tw2 分別為冷流體進、出口處冷流體側(cè)的壁面溫度, 熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由式（4）計算: Atm T1 -t2 - T2 -t1 In 壬-t2 T2 - tl (4) 冷流體（空氣）質(zhì)量流量 m2可由式（5）計算:

5、(5) 叫 V po 式中：V空氣實際體積流量，m3/s ; 3 0空氣在孔板處的密度，kg/m。本實驗中 即為空氣在進口溫度下對應(yīng)的密度。 無紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板處的空氣密度 “3 o當作1 kg/m時的讀數(shù)，因此，如空氣實 際密度不等于該值，則空氣的實際體積流量應(yīng)按下式（ 6) 進行校正: V 熱空氣。當內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即 值很大，且管壁厚度較薄時，可認為 T0為 0C的熱力學溫標 273.15K。 具體求解方程如下: 1.293? 273.15 273.15 t1 kg / m3 (14) 實際冷流體體積流量【m/h】： V 實際冷流體質(zhì)量流量【kg/h】 m ?v 即

6、： 質(zhì)量=密度*體積流量 定性溫度取冷流體進出口溫度的平均值【C】 t平均 1 =2（ tl+t2） 表格4對流傳熱系數(shù)求算 2 序 號 平均溫度下的空 氣熱容 kJ/(kg?K) 進出口溫差/C tw - t m 接觸面積卅 對流傳熱系 數(shù)a 管道名 稱 1 1.005E+00 4.990E+01 4.964E+01 5.127E-02 1.200E+02 普通管 2 1.005E+00 5.150E+01 4.852E+01 5.127E-02 9.987E+01 普通管 3 1.005E+00 5.260E+01 4.742E+01 5.127E-02 8.164E+01 普通管 4 1

7、.005E+00 5.350E+01 4.645E+01 5.127E-02 6.735E+01 普通管 5 1.005E+00 5.420E+01 4.582E+01 5.127E-02 5.349E+01 普通管 6 1.005E+00 5.480E+01 4.534E+01 5.127E-02 4.148E+01 普通管 7 1.005E+00 5.580E+01 4.653E+01 5.127E-02 1.015E+02 強化管 8 1.005E+00 5.820E+01 4.458E+01 5.127E-02 8.206E+01 強化管 9 1.005E+00 5.980E+01 4

8、.339E+01 5.127E-02 6.739E+01 強化管 10 1.005E+00 6.070E+01 4.275E+01 5.127E-02 5.066E+01 強化管 表格4各數(shù)據(jù)來源說明 平均溫度下的空氣熱容【kJ/(kg?K)】(在計算中注意此處單位為kJ) 查化工原理附錄表得知。 進出口溫差C】 直接由進出口溫度的測量值想減即可。 指數(shù)平均溫差【C】 tw - t m tW1 -t1tw2 -t2 ln tw1 -t1 tW2 -t2 接觸面積的計算：【m2】 2 A2d2l，其中 d2 16mm, l 1020mm，所以 A 0.051m。 m2Cp2 t2 -t1 0(2

9、 對流傳熱系數(shù)a2【W(wǎng)/(m2?K)】 tW -t 3. 準數(shù)關(guān)聯(lián)式 表格5雷諾數(shù)的求取 序 號 d2 實際冷流體 體積流量 (m3/h) 實際冷流體 體積流量 (m3/s) 實際流速 m/s 空氣粘度系 數(shù) 冷流體進口 密度kg/m3 雷諾數(shù) 管道 名稱 1 1.600E-02 1.815E+01 5.043E-03 2.508E+01 1.960E-05 1.208E+00 2.473E+04 普通 2 1.600E-02 1.431E+01 3.975E-03 1.977E+01 1.960E-05 1.208E+00 1.949E+04 普通 3 1.600E-02 1.120E+01

10、 3.110E-03 1.547E+01 1.960E-05 1.207E+00 1.524E+04 普通 4 1.600E-02 8.899E+00 2.472E-03 1.229E+01 1.960E-05 1.207E+00 1.211E+04 普通 5 1.600E-02 6.882E+00 1.912E-03 9.508E+00 1.960E-05 1.207E+00 9.367E+03 普通 6 1.600E-02 5.223E+00 1.451E-03 7.216E+00 1.960E-05 1.207E+00 7.109E+03 普通 7 1.600E-02 1.288E+01

11、 3.579E-03 1.780E+01 1.960E-05 1.207E+00 1.753E+04 強化 8 1.600E-02 9.569E+00 2.658E-03 1.322E+01 1.960E-05 1.206E+00 1.302E+04 強化 9 1.600E-02 7.441E+00 2.067E-03 1.028E+01 1.960E-05 1.207E+00 1.013E+04 強化 10 1.600E-02 5.428E+00 1.508E-03 7.499E+00 1.960E-05 1.207E+00 7.390E+03 強化 表格5數(shù)據(jù)說明 內(nèi)管半徑d2【m ,由實

12、驗書直接提供。 實際冷流體體積流量【m/h】，已求出 實際流速【m/s】 4 nd2 空氣粘度系數(shù)【Pa?s】，直接查表可得。 冷流體進口密度【kg/m3】，已求岀 雷諾數(shù) Re = d2u p 表格6普蘭特準數(shù)的計算 序 號 平均溫度下的空氣 熱容 kJ/ (kg*K) 空氣粘度 系數(shù) 導(dǎo)熱系數(shù)(查表得 知) 普蘭特數(shù) 管道名稱 1 1.005 1.96E-05 0.0283 6.96E-04 普通管 7 1.005 1.96E-05 0.0283 6.96E-04 強化管 表格6數(shù)據(jù)說明 平均溫度下的空氣熱容【kJ/ (kg*K )】，查表得。 空氣粘度系數(shù)【Pa?s】，直接查表可得。 導(dǎo)

13、熱系數(shù)【W(wǎng)/(m?K)】，直接查表可得。 說明：化工原理書后的附錄中，以上三個參數(shù)都是以一定的溫度區(qū)間給出，本次實驗中 的定性溫度全部落入同一個溫度區(qū)間，因此導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)均為一樣。 表格7努賽爾數(shù)的求取 序 號 d2 導(dǎo)熱系數(shù) （查表得 知） 努賽爾數(shù) （求法1） 普蘭特數(shù) 雷諾數(shù) 努賽爾數(shù) （求法2） 管道 名稱 1 1.600E-02 2.830E-02 6.784E+01 6.960E-01 2.473E+04 6.506E+01 普通 2 1.600E-02 2.830E-02 5.647E+01 6.960E-01 1.949E+04 5.378E+01 普通 3 1.600E-02

14、 2.830E-02 4.616E+01 6.960E-01 1.524E+04 4.418E+01 普通 4 1.600E-02 2.830E-02 3.808E+01 6.960E-01 1.211E+04 3.676E+01 普通 5 1.600E-02 2.830E-02 3.024E+01 6.960E-01 9.367E+03 2.993E+01 普通 6 1.600E-02 2.830E-02 2.345E+01 6.960E-01 7.109E+03 2.400E+01 普通 7 1.600E-02 2.830E-02 5.740E+01 6.960E-01 1.753E+04

15、 4.942E+01 強化 8 1.600E-02 2.830E-02 4.639E+01 6.960E-01 1.302E+04 3.895E+01 強化 9 1.600E-02 2.830E-02 3.810E+01 6.960E-01 1.013E+04 3.186E+01 強化 10 1.600E-02 2.830E-02 2.864E+01 6.960E-01 7.390E+03 2.476E+01 強化 表格7數(shù)據(jù)說明 內(nèi)管半徑d2【m ,由實驗書直接提供。 導(dǎo)熱系數(shù)【W(wǎng)/（m?K）】 直接查表可得。 努賽爾數(shù)（求法1） Nu = 普蘭特數(shù)，雷諾數(shù)，以上兩表均已求出。 努賽爾數(shù)（求

16、法2） Nu = 0.023Re08 Prn ，流體被加熱時 n = 0.4。 易知，由方法二求得的努賽爾準數(shù)將嚴格符合幕級數(shù)為0.8的曲線（經(jīng)驗公式曲線），而方法- 求得的努賽爾準數(shù)正是我們需要進行擬合的曲線（實驗數(shù)據(jù)曲線），因此我們將使用方法二作為 標準曲線加以對照。 4.準數(shù)方程式的作圖和擬合處理 強化管 Figure 4對數(shù)坐標下的強化管準數(shù)曲線擬合 注：在以上兩圖中，R2 = 1的曲線為經(jīng)驗公式曲線，R2 1的曲線為實驗曲線。 六、實驗結(jié)果與分析 1、誤差計算 根據(jù)擬合直線得出的 Nu和Re關(guān)系為: 普通管： 0.8524 Nu=0.0124Re 強化管： 0。 8036 Nu=0.

17、0226Re 根據(jù)定性溫度時候的Pr值為0.696，代入經(jīng)驗公式 Nu=O.O23Re0.8pP4，得到Nu=0.0199Re。8 普通管誤差 : B= ( 0.0199-0.0124) / 0.0199*100%=37.7% n= (0.8524-0.8) /0.8*100%=6.55% 強化管誤差: B= (0.0199-0.0226) /0.0199*100%=13.6% n= (0.8036-0.8) /0.8*100%=0.45% 取實驗測得的各個 Re代入方程，可以得到經(jīng)驗公式對應(yīng)的經(jīng)驗值和實驗值的對比如下表，以及誤 差: 表格8普通管誤差表 管道名稱 普通管 普通管 普通管 普通

18、管 普通管 普通管 雷諾數(shù) 2.4727E+04 1.9489E+04 1.5243E+04 1.2112E+04 9.3670E+03 7.1086E+03 努賽爾數(shù) 6.7841E+01 5.6466E+01 4.6155E+01 3.8080E+01 3.0244E+01 2.3454E+01 努賽爾數(shù)（經(jīng)驗法） 6.5060E+01 5.3779E+01 4.4181E+01 3.6759E+01 2.9927E+01 2.4000E+01 相對誤差 4.28% 5.00% 4.47% 3.59% 1.06% 2.27% 表格9強化管誤差表 管道名稱 強化管 強化管 強化管 雷諾數(shù) 1

19、.7535E+04 1.3020E+04 1.0127E+04 努賽爾數(shù) 5.7404E+01 4.6393E+01 3.8101E+01 努賽爾數(shù)（經(jīng)驗法） 4.9420E+01 3.8946E+01 3.1855E+01 相對誤差 16.16% 19.12% 19.61% 2 、 誤差分析 1) 實驗結(jié)果經(jīng)過人為多步的復(fù)雜計算，中間有著四舍五入，有一定的累計誤差。 2) 儀器本身存在系統(tǒng)誤差。 3) 實驗時我們可能有些操之過急，操作狀態(tài)未達到穩(wěn)定就測量引入的誤差 4) 在計算什 t)時用到了 Tw1和Tw2這兩個溫度實際上是不易測得準確值的，故實驗測得的 (tW t) m 數(shù)據(jù)存在較大誤差

20、； 5) 在計算(tw t)m和tm時都用到T1,T2。實驗獲得的數(shù)據(jù)并非蒸汽管進出口處溫度，而是管中 間段管外蒸汽溫度T,存在誤差； 6) 管內(nèi)的冷凝水沿著管壁回流，只有部分從閥門排出，這導(dǎo)致了冷凝水也加入傳熱中； 7) 忽略的污垢熱阻以及一部分的近視計算導(dǎo)致誤差； 8) 加強管實驗誤差較大，可能是由于系統(tǒng)未達到穩(wěn)定就開始測量導(dǎo)致； 七、思考題 1 實驗中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч泻斡绊懀?答：無影響。 本實驗中采用的加熱方式為 “冷凝不冷卻” ，即雖然不停地有水蒸氣冷凝為水， 但是蒸汽的溫度一直 是保持不變的，所以蒸汽的進出口溫度不變，逆流流動和并流流動的平均溫度差不變，由Q= AA tm可 知，、A均不變，因此傳熱效果也不變。 2 在計算冷流體質(zhì)量流量時用到的密度值是否與求雷諾數(shù)時的密度值相同？它們分別代表什么