空氣-蒸汽給熱系數(shù)測定實驗指導(dǎo)

1、空氣一蒸汽給熱系數(shù)測定一. 實驗?zāi)康?、了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測定的實驗方法。2、掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。3、學(xué)會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體璉而(傳熱元件)進(jìn)行熱量交換，稱為間璉式換熱。如圖(4-1)所示，間璉式傳熱過程山熱流體對固體舉而的對流傳熱，固體壁血的熱傳導(dǎo)和h體瞬血對冷流體的對流傳熱所組成。圖41間壁式傳熱過稈示意h達(dá)到傳熱穩(wěn)定時，有q = ®cpi(7；-t2)= m2cp2 (t2- f j(4-1)=kam式中:q 傳

2、熱量,j/s；熱流體的質(zhì)量流率，kg/s； 一熱流體的比熱,j/(kg-°c)；7 一熱流體的進(jìn)口溫度，°c；t2 熱流體的出口溫度，°c；加2冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；cp2 冷流體的比熱,j/(kg°c)；h 冷流體的進(jìn)口溫度，°c；(2冷流體的出口溫度，°c；g 熱流體與固體壁而的對流傳熱系數(shù)，w/(m2 .°c)；力熱流體側(cè)的對流傳熱血積，m3(t - tw -熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，°c；a2 冷流體與固體舉而的對流傳熱系數(shù)，w/(m2 -°c)；a2 冷流體側(cè)的對流傳熱而積，m

3、9;；(o-rl -固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差，°c；k -以傳熱而積a為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)，w/(m2.°c)；atm-冷熱流體的對數(shù)平均溫差，°c；熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式(42)計算,(4-2)(片譏)-(匚-幾2)式中：twl 冷流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，°c；tw2 冷流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，°c。固體壁而與冷流體的對數(shù)平均溫差可山式(43)計算,w2 (2(4-3)式中:twi 一冷流休進(jìn)口處冷流休側(cè)的壁血溫度，°c；如2 冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，°c。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可

4、由式(44)計算,at二(t _(2)_(丁2 _lj(4-4)當(dāng)在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對流傳熱系數(shù)測定實驗時，則由式(4-1)得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)，叫cp2«2 71)人2(心-jw(4-5)實驗中測定紫銅管的壁溫/麗、rw2;冷空氣或水的進(jìn)出口溫度八、t2；實驗用紫銅管的長度/、內(nèi)徑 d2, a2=7td2l,和冷流體的質(zhì)量流量，即可計算如。然而，直接測量固體壁而的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實驗技術(shù)難度大，而且所測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確 性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁 血間的

5、對流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式(4 1)得,(46)實驗測定加2、d(2、珀、t"并查取r平均=丄g+g)下冷流體對應(yīng)的52、換熱而積a,即可由上式計算得總給熱系數(shù)k。卜血通過兩種方法來求對流給熱系數(shù)。1. 近似法求算對流給熱系數(shù)&2以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對流給熱系數(shù)間的關(guān)系為,(4-7)丄+ /?門+處+ /?和僉+旦-5 一 見 心 axdx式中：di 換熱管外徑，m：d2 換熱管內(nèi)徑,m；dm 一換熱管的對數(shù)平均立徑，m；b -換熱管的壁厚，m；x 換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m- °c)；rs-換熱管外側(cè)的污垢熱阻，m2 k

6、/w :rs2 換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2 k/w o用木裝置進(jìn)行實驗時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為兒十到兒百w/mk ；而管外為 蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)可達(dá)-104 w/m2.k左右，因此冷凝傳熱熱阻厶可忽略，同時蒸汽冷凝 a較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻rs也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采川紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)'d為383.8w/加k,壁厚為2.5mm,因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻處可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻/?$2也忽略不計，則山式(4一7)得，a、h k(48)山此可見，被忽略的傳熱熱阻為冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準(zhǔn)確性就越高。2. 傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對流給熱系

7、數(shù)©2對于流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內(nèi)：re=1.0xi041.2x 105,pr= 0.7120,管長與管內(nèi)徑之比l/d260,則傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗式為，nu = o.o23re08 prn(4-9)式屮：nu 努塞爾數(shù)，nu=,無因次；九re 雷諾數(shù)，re = ,無因次；pr普蘭特數(shù)，pr=,無因次；九當(dāng)流體被加熱時n = 04,流體被冷卻時n=03；a 一流體與固體壁而的對流傳熱系數(shù)，w/(m2-°c)；d 換熱管內(nèi)徑，m； 九一流體的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m °c)；u -流體在管內(nèi)流動的平均速度，m/s；p 流體的密度，kg /m -流體的

8、粘度，pa-s；cp 一流體的比熱，j/(kg°c)。對于水或空氣在管內(nèi)強制對流被加熱時，可將式(4-9)改寫為,令,a20.8x cly x x/ 、生、4丿z2 pr畀嚴(yán)2丿x0.0230.80.8(4-10)710.023 <4(4-11)則式(4-7)可寫為,y = mx + c(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)當(dāng)測定管內(nèi)不同流量下的對流給熱系數(shù)時，山式(4-14) w所得的c值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2 定時，m也為常數(shù)。因此，實驗時測定不同流量所對應(yīng)的八、乙、人、山式(4一4)、(4一6)、 (4一12)、(4-13)求取一系列x、y值，再在xy圖上作圖或?qū)?/p>

9、所得的x、y值回歸成一立線， 該直線的斜率即為m0任一冷流體流量下的給熱系數(shù)血可用下式求得，(4-16)3. 冷流體質(zhì)量流量的測定(1) 若用轉(zhuǎn)子流量計測定冷空氣的流量，述須用下式換算得到實際的流量,(4-17)- p) ppf - p)式中：v -實際被測流體的體積流量，m3/s；pr -實際被測流體的密度，kg/m3；均可取r平均=-(r,+r2) k對應(yīng)水或空氣的密度,見冷流體物性與溫度的關(guān)系式；v標(biāo)定用流體的體積流量，m'/s；p 標(biāo)定用流體的密度，kg / m3：対水p = 1000 kg / m3；對空氣p = 1.205 kg / m3； pf轉(zhuǎn)子材料密度，kg / m3

10、o于是叫=v0(418)(2) 若用孔板流量計測冷流體的流量，貝u，= pv(419)式中，卩為冷流體進(jìn)口處流量計讀數(shù)，為冷流體進(jìn)口溫度下對應(yīng)的密度。4. 冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0100°cz間，冷流休的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。(1) 空氣的密度與溫度的關(guān)系式：p = l(rv4.5x107 + 1.2916(2) 空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60°c以下cp = 1005 j/(kg-°c),70°c以上4 = 1009 j/(kg-°c)o(3) 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：a = -2x1 o'8r + 8x1 o&#

11、39;5r + 0.0244(4) 空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：/ = (-2xl06r+5xl0-3r + 1.7169)xl0-5三、實驗裝置與流程1. 實驗裝置實驗裝置如圖41所示。了1風(fēng)機；2孔板流屋計；3冷流體管路；4轉(zhuǎn)子流量計；5冷流體進(jìn)口溫度；6惰性氣體排空閥;7蒸汽溫度；8視鏡；9冷流體出口溫度；10壓力表；11冷凝水排空閥；12蒸汽進(jìn)口閥：13冷凝水排空閥；14蒸汽進(jìn)口管路；15冷流體出口管路；圖4-1空氣-水熬氣換熱流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風(fēng)機的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱 交換，冷凝水排出裝置外。冷空氣經(jīng)孔板流量計或轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)入套管換熱器內(nèi)

12、管（紫銅管），熱交換 后排出裝置外。2. 設(shè)備為儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑g21x2.5mm, k度l=1000mm（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑d）100x5mm,長度l= 1000mm（4）鉗熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（5）全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽圧力農(nóng)四. 實驗步驟與注意事項（一）實驗步驟1、打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表顯示是否正常。2、在蒸汽發(fā)生器中灌裝淸水，開啟發(fā)生器電源，使水處于加熱狀態(tài)。到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會白動處于保溫狀態(tài)。3、打開控制面板上的風(fēng)機電源開關(guān)，讓風(fēng)機工作，同時打開冷流體進(jìn)口閥，讓套管換熱器電 充有一定量的空氣。4

13、、打開冷凝水出口閥，排出上次實驗殘留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注 意開度適小，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓 力過大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。5、在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實驗裝置之間管道屮的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水 的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽述口閥門，打開 裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽床力把管道中的冷凝水帶走，當(dāng)聽到蒸汽響時關(guān)閉冷凝 水排除閥，方可進(jìn)行下一步實驗。6、開始通入蒸汽時，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中, 使系統(tǒng)市“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，防

14、止不銹鋼管換熱器因突然受熱、 受壓而爆裂。7、上述準(zhǔn)備工作結(jié)束，系統(tǒng)處于“熱態(tài)”，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥，使蒸汽進(jìn)口壓力維持在0. oimpa, 可通過調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥和冷凝水排空閥開度來實現(xiàn)。8、自動調(diào)節(jié)冷空氣進(jìn)口流量時，可通過組態(tài)軟件或者儀表調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速頻率來改變冷流體的 流量到一定值，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩(wěn)定后方對記錄實驗數(shù)值，改變流 量，記錄不同流量下的實驗數(shù)值。9、記錄68組實驗數(shù)據(jù)，可結(jié)束實驗。先關(guān)閉熬汽發(fā)生器，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥，關(guān)閉儀表電源, 待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風(fēng)機電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉冷凝水出口閥，關(guān)閉總電源。待蒸 汽發(fā)生器內(nèi)的水冷卻后將水排盡。（二）注意事項1、先打開冷

15、凝水排空閥，注意只開一定的開度，開的太大會使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小 會使換熱不銹鋼管甲的熬汽壓力增人而使不銹鋼管炸裂。2、一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，方可開啟熬汽閥門，h必須在排除蒸汽管線 上原先積存的冷凝水后，方可把蒸汽通入套管換熱器屮。3、剛開始通入蒸汽時，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，rh “冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。4、操作過程中，蒸汽壓力必須控制在0.02mpa （表壓）以下，以免造成對裝置的損壞。5、確定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。五. 實驗數(shù)據(jù)處理1. 打開數(shù)據(jù)處理軟件，選擇“空氣一蒸汽給熱系數(shù)測定實驗”，導(dǎo)入mcgs實驗數(shù)據(jù)。2. 打開導(dǎo)入的實驗，可以查看實驗原始數(shù)據(jù)以及實驗數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果，點“顯示曲線”，則 可得到實驗結(jié)果的曲線對比圖和擬合公式。3. 數(shù)據(jù)輸入錯誤，或明顯不符合實驗情況，程序會有警告對話框跳出。每次修改數(shù)據(jù)后，都應(yīng)點 擊“保存數(shù)據(jù)”，再按2步中次序，點擊“顯示結(jié)杲”和“顯示曲線”。4. 記錄軟件處理結(jié)果，并可作為手算處理的対照。結(jié)束，點“退出程序”。六、實驗報告1、計算冷流體給熱系數(shù)的實驗值2、冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：nu/pr04 =