化工原理：實(shí)驗(yàn)六強(qiáng)制對(duì)流下空氣傳熱膜系數(shù)的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)四 強(qiáng)制對(duì)流下空氣傳熱膜系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解間壁式傳熱裝置的研究和給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)組織方法；2. 掌握借助于熱電偶測(cè)量壁溫的方法；3. 學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法；4. 了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、測(cè)定56組不同流速下，套管換熱器的總傳熱系數(shù)K和空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)c。2、對(duì)c的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線形回歸，求準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPrn中常數(shù)A，m。三、基本原理（簡(jiǎn)述）1、傳熱系數(shù)K的理論研究 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來(lái)達(dá)到物料的冷卻和加熱。這種傳熱過(guò)程系冷、熱流體通過(guò)固體壁面進(jìn)行熱量交換。它是由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)

2、流給熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體對(duì)冷流體的對(duì)流給熱三個(gè)傳熱過(guò)程所組成。如圖1所示。圖1傳熱過(guò)程示意圖圖2傳熱解析圖 由傳熱速率方程知，單位時(shí)間所傳遞的熱量Q= （1）而對(duì)流給熱所傳遞的熱量，對(duì)于冷、熱流體均可表示為 Q1= （2）或 Q2= （3）對(duì)固體壁面由熱傳導(dǎo)所傳遞的熱量，則由傅立葉定律表示為：Q3 （4）由熱量平衡及忽略熱損失后（即Q=Q1=Q2=Q3），可將（2）（3）（4）式寫成如下等式：Q= （5）所以 （6） = （7）從上式可知，除固體的導(dǎo)熱系數(shù)和壁厚對(duì)傳熱過(guò)程的傳熱性能有影響外，影響傳熱過(guò)程的參數(shù)還有12個(gè)，這不利于對(duì)傳熱過(guò)程作整體研究。根據(jù)因次分析方法和定理，熱量傳遞范疇基

3、本因次有四個(gè)：L,M,T,t ,壁面的導(dǎo)熱熱阻與對(duì)流給熱熱阻相比可以忽略 （8）要研究上式的因果關(guān)系，尚有=13-4=9個(gè)無(wú)因次數(shù)群，即由正交網(wǎng)絡(luò)法每個(gè)水平變化10次，實(shí)驗(yàn)工作量將有108次實(shí)驗(yàn)，為了解決如此無(wú)法想象的實(shí)驗(yàn)工作量，過(guò)程分解和過(guò)程合成法由此誕生。該方法的基本處理過(guò)程是將(7)式研究的對(duì)象分解成兩個(gè)子過(guò)程如(8)式所示，分別對(duì)進(jìn)行研究，之后再將合并，總體分析對(duì)的影響，這有利于了解影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。當(dāng)時(shí)，反之當(dāng)時(shí)，。欲提高設(shè)法強(qiáng)化給熱系數(shù)小的一側(cè)，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流體已定，從(9)式可知，只要溫度變化不大，只隨而變， (9)改變的簡(jiǎn)單方法是改變閥門的開度，這就是實(shí)驗(yàn)研

4、究的操作變量。同時(shí)它提示了欲提高只要強(qiáng)化小的那側(cè)流體的u。而流體u的提高有兩種方法：（） 增加流體的流量；（） 在流體通道中設(shè)置繞流內(nèi)構(gòu)件，導(dǎo)致強(qiáng)化給熱系數(shù)。由(9)式，定理告訴我們，=個(gè)無(wú)因次數(shù)群，即： (10)經(jīng)無(wú)因次處理，得 (11)2、傳熱系數(shù)K和的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 實(shí)驗(yàn)裝置的建立（參見圖2）依據(jù)如下熱量恒算式和傳熱速率方程式，它是將(5)和(6)式聯(lián)立, 則：KAtm= WccCpc(t2-t1) (12)其中 (13) (14)其中： (15) (16)若實(shí)驗(yàn)物系選定水蒸汽（G）與冷空氣（g）,由(8)、(9)式告訴我們,實(shí)驗(yàn)裝置中需要確定的參數(shù)和安裝的儀表有： A-由換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)而定

5、（傳熱面積）；Wc-測(cè)冷流體的流量計(jì)；t1、t2-測(cè)冷流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)；T -測(cè)熱流體的進(jìn)、出口溫度計(jì)；Cpc-由冷流體的進(jìn)、出口平均溫度決定；-壁溫，由熱電偶溫度計(jì)測(cè)定。將以上儀表、換熱器、氣源、及管件閥門等部件組建成如下實(shí)驗(yàn)裝置圖。3、對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定 式中:努塞爾準(zhǔn)數(shù).： 雷諾準(zhǔn)數(shù): 普朔特準(zhǔn)數(shù): 對(duì)上式（11）兩邊取對(duì)數(shù)得 或 (17)在強(qiáng)制湍流時(shí)，當(dāng)溫度變化范圍不太大，溫度對(duì)流體的特性影響較小，在氣流溫度升高時(shí)，n=0.4。Pr為常數(shù)，其表達(dá)式中的常數(shù)Cp,均指在平均溫度下的值 設(shè)，b0=lgA X=lgRe 則（17）變?yōu)?Y=mX+b0 (18) 以X為自變量

6、，Y為因變量，進(jìn)行二元線性回歸，求得m，b。即可求得A.m，或在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，以為縱坐標(biāo)，Re為橫坐標(biāo)，做出一條直線，求出其斜率，即 m 四、實(shí)驗(yàn)裝置1、 實(shí)驗(yàn)流程圖2、主要設(shè)備及儀表?yè)Q熱器 蒸汽發(fā)生器 熱電阻溫度計(jì) 控溫儀 流量計(jì) 氣泵 壓力表 閥門 3、主要設(shè)備參數(shù)黃銅管壁厚： mm 管內(nèi)徑： mm 管外徑 mm 管長(zhǎng) m五、實(shí)驗(yàn)步驟1 在蒸汽發(fā)生器里放入去離子水至液位管上段處，使水浸沒(méi)加熱電棒，以防燒壞。2、 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過(guò)氣體流量計(jì)上的閥門和風(fēng)機(jī)出口處的旁路，調(diào)節(jié)一定的氣體流量，3、 再開加熱蒸汽的閥門，調(diào)節(jié)蒸汽的壓強(qiáng)為一穩(wěn)定值 5060kpa，待套管表面發(fā)熱，打開套管上下法蘭處的排

7、氣考克23次，排除不凝性氣體。4、 整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作熱流體的進(jìn)口溫度是恒定的，改變唯一操作變量即冷空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門開度，達(dá)到改變流速的目的。5、 每次調(diào)節(jié)風(fēng)量，維持待冷流體出口溫度顯示值保持5min以上不變時(shí)方可同時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6、 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先關(guān)加熱蒸汽，保持冷空氣繼續(xù)流動(dòng)10min，以足夠冷卻套管換熱器及壁溫，保護(hù)熱電偶接觸正常。7、 儀表屏中間的大表是溫控表，請(qǐng)不要亂撳按鈕。注意事項(xiàng)：1、 上機(jī)數(shù)據(jù)處理的直線相關(guān)系數(shù)要求R0.95，否則，實(shí)驗(yàn)重做。2、 蒸汽溫度升上來(lái)時(shí)，打開套管上下端的排氣考克，排氣2-3次，排除不凝氣體。3、 儀表均以設(shè)定好，切勿亂調(diào)。4、 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中蒸汽壓力不宜

8、過(guò)高，操作壓力視裝置的條件而定。5、 每次參數(shù)調(diào)整后，會(huì)使原來(lái)的定態(tài)操作被破壞，只有當(dāng)重新達(dá)到定態(tài)時(shí)，才能測(cè)量新的數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)紀(jì)錄和結(jié)果整理：原始數(shù)據(jù)記錄表格實(shí)驗(yàn)日期： 室溫： 大氣壓： 加熱蒸汽 pa黃銅紫銅管長(zhǎng)m: 內(nèi)徑mm： 壁厚mm：No蒸汽壓力Mpa蒸汽溫度空氣流量m3/h空氣流量計(jì)前表壓空氣進(jìn)口溫度空氣出口溫度壁溫備注12.8數(shù)據(jù)處理結(jié)果序號(hào)空氣密度r空(Kg/m3)體積流量V(m3/s)對(duì)數(shù)平均溫差Dtm()定性溫度() Cp(J/Kg)Aim2a測(cè)W/m212345678表2序號(hào)V空m3/sum/smNs/m2ReRe0.8Pr0.4lW/maW/m2Nu12345678計(jì)算舉例（并繪出圖形 七、思考題： 1、如何判斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程已經(jīng)穩(wěn)定，影響實(shí)驗(yàn)的主要因素是什么？2、影響的主要參數(shù)是什么？空氣溫度不同是否有不同的關(guān)聯(lián)式？3、強(qiáng)化