空氣—蒸汽對流給熱系數(shù)測定實驗報告及數(shù)據(jù)、答案

1、空氣一蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗?zāi)康?通過對空氣一水蒸氣光滑套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)a 1的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARmPr0.4中常數(shù) a m勺值。2通過對管程內(nèi)部插有螺紋管的空氣一水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BR；中常數(shù)B、m勺值和強化比Nu/Ns, 了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗裝置本實驗設(shè)備由兩組黃銅管(其中一組為光滑管，另一組為波紋管)組成平行的兩組套管換熱器，內(nèi)管為紫銅材質(zhì)，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，經(jīng)孔板流量計，由支路控

2、制閥選擇不同的支路進入換熱器。管程蒸 汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經(jīng)支路控制閥選擇逆流進入換熱器殼程，其冷凝放出熱量通過黃銅管壁被傳遞到管內(nèi)流動的空氣，達到逆流換熱的效果。飽和蒸汽由配套的電加熱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生。該實驗流程圖如圖 1所示，其主要參數(shù)見表1。表1實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑d (mr)i16.00實驗內(nèi)管外徑do (mn)17.92實驗外管內(nèi)徑D (mm50實驗外管外徑D (mr)52.5總管長(紫銅內(nèi)管)L( m1.30測量段長度1 (m)1.10寒電鉀換開關(guān)空氣壓力孔板流量計測量空氣流量=> 蒸汽溫度蒸汽壓力空氣出口溫度空氣入口溫度圖1 空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1

3、 光滑套管換熱器；2 螺紋管的強化套管換熱器；3蒸汽發(fā)生器；4 旋渦氣泵；5旁路調(diào)節(jié)閥；6 孔板流量計；7、& 9空氣支路控制閥；10、11蒸汽支路控制閥;12、13蒸汽放空口；15 放水口； 14液位計；16加水口;三、實驗內(nèi)容1光滑管 測定68個不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數(shù)a 1。 對a 1的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARe常數(shù)A、m勺值。2、波紋管 測定68個不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數(shù)a 1。 對a 1的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRe常數(shù)B、m勺值。四、實驗原理1準數(shù)關(guān)聯(lián)影響對流傳熱的因素很多，根據(jù)因次分析得到的對流傳熱的準數(shù)關(guān)聯(lián)為：Nu=

4、CRenPrnGrl（1）式中C、m n、丨為待定參數(shù)。參加傳熱的流體、流態(tài)及溫度等不同，待定參數(shù)不同。目前，只能通過實驗來確定特定因此，可以忽略自Pr可視為常數(shù)。所(2)范圍的參數(shù)。本實驗是測定空氣在圓管內(nèi)作強制對流時的對流傳熱系數(shù)。然對流對傳熱膜系數(shù)的影響，則 Gr為常數(shù)。在溫度變化不太大的情況下, 以，準數(shù)關(guān)聯(lián)式（1）可寫成一 mNu= CRe其中：ReduVd4Nud,50C時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.02826W/(m.K)因此：Remc -d待定參數(shù)C和m可通過實驗測定蒸汽、空氣的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對式（2）取對數(shù)，回歸求得直線斜率和截距。2 傳熱量計算努塞爾數(shù)Nl或a 1無法直接用實驗測定，

5、只能測定相關(guān)的參數(shù)并通過計算求得。當(dāng)通過套管環(huán)隙的飽和蒸汽與冷凝壁面接觸后，蒸汽將放出冷凝潛熱，冷凝成水，熱量通過間壁傳遞給套管內(nèi)的空氣，使空氣的溫度升高，空氣從管的末端排出管外，傳遞的熱量由（3）式計算。根據(jù)熱傳遞速率Q= KSA t m(4)所以 KSA t m=Vp iCpc (12 11)(5)式中：Q換熱器的熱負荷(即傳熱速率)，kJ/ s;We 冷流體的質(zhì)量流量，kg / s;V 冷流體(空氣)的體積流量，m/s;3P i冷流體(空氣)的密度，kg/m；K 換熱器總傳熱系數(shù)，W/ (卅C);C pc一一冷流體(空氣)的平均比定壓熱容，kJ/ (kg K)；2S 傳熱面積，m;A t

6、 m蒸汽與空氣的對數(shù)平均溫度差，C?？諝獾牧髁考皟煞N流體的溫度等可以通過各種測量儀表測得。綜合上面各式即可算出傳熱總系數(shù)K3 傳熱膜系數(shù)的計算當(dāng)傳熱面為平壁或者當(dāng)管壁很薄時，總的傳熱阻力和傳熱分阻力的關(guān)系可表示為：丄丄b丄K 12(6)式中：a l 空氣在圓管中強制對流的傳熱膜系數(shù)，W/( m C);2a 2蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(shù)，W/( m C) o當(dāng)管壁熱阻可以忽略(內(nèi)管為黃銅管而且壁厚b較薄，黃銅導(dǎo)熱系數(shù)入比較大)時,(7)蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)遠遠大于空氣傳熱膜系數(shù),則Ka 1。因此，只要在實驗中測得冷、熱流體的溫度及空氣的體積流量，即可通過熱衡算求出套管換熱器的總傳熱系數(shù)K值，由此求得空

7、氣傳熱膜系數(shù)a104 努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計算Redu 1dV 1d Kd V 件億2 tjdNu(9)V1S tm式中：入一一空氣導(dǎo)熱系數(shù)，V0( m-c)； 一空氣的粘度，Pa - s;d套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，mP i進口溫度ti時的空氣密度，kg/nt由于熱阻主要集中在空氣一側(cè)，本實驗的傳熱面積S取管子的內(nèi)表面較為合理，即S=n dl本裝置 d=0. 0178 m, l=1 . 327m5 .空氣流量和密度的計算空氣密度P 1可按理想氣體計算：1 1.29 Pp27(10)101330 273 t式中：pa當(dāng)?shù)卮髿鈮海琍a ；t孔板流量計前空氣溫度，C,可取 t=t 1；11)式計算空

8、氣的流量由1 / 4噴嘴流量計測量，合并常數(shù)后，空氣的體積流量可由(11)式中：C0合并整理的流量系數(shù)，其值為C0=0. 001233;R 噴嘴流量計的壓差計示值，mmH。V 1 空氣的體積流量，m5/s。五、實驗操作1. 實驗前的準備(1) 向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。(2 )檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。(3 )檢查普通管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管路的暢通。(4)接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動電熱鍋爐開關(guān)，開始加熱。2實驗開始(1) 當(dāng)蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動旋渦氣泵并運行一段時間，保證實驗開始時空氣入口溫度t1 （C）穩(wěn)定。（2）調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使

9、孔板流量計的壓差計讀數(shù)為所需的空 氣流量值。（3） 穩(wěn)定5- 8分鐘左右讀取壓差計讀數(shù)，讀取空氣入口、出口的溫度值t1、t2 （溫度 測量可采用熱電偶或溫度計）、空氣壓力值pi、空氣入、出口之間壓力差 P2、蒸汽溫度值t3 及壓力值P3,孔板流量計讀數(shù)P4。（4） 調(diào)節(jié)空氣流量，重復(fù)（3）與（4）共測6- 10組數(shù)據(jù)（注意：在空氣入、出口之 間壓力差P2最大值與最小值之間可分為 6-10段）。（5）實驗過程，要盡可能保證蒸汽溫度或壓力穩(wěn)定，在蒸汽鍋爐加熱過程（蒸汽溫度 或壓力變化較大）不要記錄數(shù)據(jù)。3 實驗結(jié)束（1）關(guān)閉加熱器開關(guān)。（2） 過5分鐘后關(guān)閉鼓風(fēng)機，并將旁路閥全開。（3）切斷總電源

10、。六、實驗注意事項1、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個實驗結(jié)束后，進行下一實 驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時補給水量。2、必須保證蒸汽上升管線的暢通。在轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另 一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。3、必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機電源之前，三個空氣支路控制閥之一和旁 路調(diào)節(jié)閥（見圖1所示）必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機電源，然后開啟和關(guān)閉控 制閥。4、調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定 510分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。5、套管換熱器中積累的熱水要及時放掉，以免影響蒸汽傳熱。七、實驗記錄及數(shù)據(jù)處理1.給熱系數(shù)K的

11、計算序號1234567空氣進口處密度PKg/m31.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192空氣質(zhì)量流量m2 Kg/s0.00190.00240.0030.0035 ().00410.00460.005空氣流速u m/s7.9810.0912.3714.561719.2121.01空氣定性溫度t平均 °C41.742.0542.442.7543.444.2545.25定性溫度下的空氣密度p'Kg/m31.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、熱流體間的對數(shù)平均溫差 tmC58.557.9157.6357.4256.745

12、5.8546.08總給熱系數(shù)K w/ mC29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362. a 2理論值的計算序號1234567對流給熱系數(shù)a 2 W/就C29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空氣黏度卩(X 10A -5Pa- s)1.9221.9241.9251.9251.931.9341.939空氣導(dǎo)熱系數(shù)入 W/m- K0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數(shù)Re8058.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.413普蘭

13、特數(shù)Pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努賽爾數(shù)Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.49a 2理論值a 2' w/就C45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努賽爾數(shù)理論值Nu'26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.163. a 2理論值與實驗值比較序號1234567a 2理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96a 2實驗值29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36a 2相對誤差0.3448

14、0.28050.23340.21650.17720.1468 -0.0258誤差分析：1. 迪圖斯-貝爾特公式有條件范圍，而實驗數(shù)據(jù)并非全在其適用范圍內(nèi)，用此公式算出的 Nu'和a 2'誤差就可能較大。2. 實驗時，等待時間不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未穩(wěn)定時就記錄了。序號1234567ln(Nu/Pr 0.4)33.223.313.593.763.894.12ln (Re)8.999.159.359.519.669.789.86冷流體給熱系數(shù)的準數(shù)式：Nu/Pr0.4=APrm0 4ln( Nu/Pr.)=1 nA+m In (Re)InA=-7.9273, A=0.0256m=1.212

15、4另附上原始實驗數(shù)據(jù):序號冷空氣熱蒸汽流量(m/h)進口溫度C)進口溫度(C)進口溫度(C)進口溫度(C)15.2719.2064.20103.10103.0027.3019.5064.60102.90102.8038.9519.8065.00103.00102.90410.6020.3065.20103.10103.00512.3021.0065.80103.10103.00613.9022.0066.50103.10102.90715.2023.3067.20102.90102.904、對實驗結(jié)果進行分析與討論。從圖像中線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)來看，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果不是很準確，特別是螺紋管。產(chǎn)生

16、誤差的來源很多，讀數(shù)不穩(wěn)定、換熱器保溫效果差、換熱器使用久了，污垢較厚，熱流量值下降等都使結(jié)果有一定的偏差。而且在處理數(shù)據(jù)時， 采用很多近似處理， 而實際實驗時很多的條件并不穩(wěn)定。在實驗過程中采用改變空氣流量來調(diào)節(jié)，但是在改變空氣流量的同時， 其他的數(shù)據(jù)也會改變， 比如說空氣出口溫度， 而且在改變的過程中， 要經(jīng)過一段時間空氣出口 溫度才會穩(wěn)定，而我們測定的溫度一定要是這個穩(wěn)定的溫度，所以在測定中沒有經(jīng)過足夠長的時間導(dǎo)致測定的溫度不是穩(wěn)定的溫度，所以實驗時要注意等待五到十分鐘待數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定時，這樣實驗結(jié)果就比較準確。八、思考題（1）影響傳熱膜系數(shù)的因素有哪些？答：膜的厚度，液體的物性，以及壓力

17、溫度。還有材料的分子結(jié)構(gòu)及其化學(xué)成份、材料重度、材料濕度狀況和溫度狀況。（2）在蒸氣冷凝時，若存在不凝性氣體，你認為將會有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？答：對換熱系數(shù)影響很大，一般想辦法除去，比如溴化鋰吸收式制冷機均陪伴真空泵，其作用就是及時排除系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。1）會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導(dǎo)致系統(tǒng)停機。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機。2）空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮氣。這些不凝性氣體會減少制冷劑的循環(huán)量，使制冷量降低。3）并且不凝性氣體會滯留在冷凝器的上部管路內(nèi)，致使實際冷凝面積減小，冷凝負荷增大，冷凝壓力升高，從而制冷量會降低。（3）蒸氣冷凝后，將產(chǎn)生冷凝水，如冷凝水不能放出，累積后淹埋加熱銅管，你認為將會有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？答:1 ）會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導(dǎo)致系統(tǒng)停機。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機。2）空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體