對流傳熱系數(shù)測定試驗

1、對流傳熱系數(shù)測定實驗一、實驗?zāi)康腶）測定空氣在傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)，掌握空氣在傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)的測定方法。b）把測得的實驗數(shù)據(jù)整理成 Nu=BRe式的準(zhǔn)數(shù)方程式，并與教材中相應(yīng)公式進(jìn)行比較。c）通過實驗提高對準(zhǔn)數(shù)方程式的理解，了解影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。二、實驗裝置實驗裝置如圖1所示，由蒸汽發(fā)生器、風(fēng)機(jī)、套管換熱器、流量調(diào)節(jié)閥及不銹鋼進(jìn)、出口管道、溫度測量和流量測量裝置等組成。1.風(fēng)機(jī)F1.旁路閥2.孔板流量計3.空氣壓力變送器4.蒸汽放空口 5.冷凝液排放 口 6.玻璃視鏡7.套管換熱器F2.空氣流量調(diào)節(jié)閥 F3.蒸汽流量調(diào)節(jié)閥8.加水裝置F4.進(jìn)水閥13.蒸汽發(fā)生器T.

2、蒸汽溫度t i、t2 .空氣進(jìn)、出口溫度Twi、Tw2空氣出口和進(jìn)口側(cè)的管壁溫度圖1空氣-水蒸氣傳熱實驗裝置示意圖三、對流傳熱及參數(shù)測取空氣從漩渦風(fēng)機(jī)吸入，經(jīng)孔板流量計計量后進(jìn)入套管換熱器的內(nèi)管（紫銅管），與來自蒸汽發(fā)生器的飽和水蒸汽在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱。被空氣冷凝下來的冷凝水經(jīng)冷凝液排放出口溫度t1、t2分別由銅一康銅口排入蒸汽發(fā)生器的加水裝置。進(jìn)入套管換熱器的空氣進(jìn)、熱電偶測出。換熱管兩端管壁溫度Twi、Tw2同樣也分別由埋在內(nèi)管（紫銅管）外壁上的銅一康銅熱電偶測出。蒸汽溫度 T由蒸汽發(fā)生器根據(jù)管路內(nèi)的實際狀況實現(xiàn)自動控制，T由熱電阻PT100測得?？諝饬髁客ㄟ^ F2、F2的組合調(diào)節(jié)來改

3、變或通過變頻器改變，由孔板流量計 測量，并通過壓力變送器測出空氣的壓力。套管換熱器內(nèi)管（紫銅管）的規(guī)格為：0 20 X 2 mm換熱管有效長度為 1200mm待測的空氣溫度、壓力、流量、管壁溫度和蒸汽溫度均可在無 紙記錄儀或計算機(jī)上讀取。四、原理和方法在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般情況下，均采用間壁式換熱方式進(jìn)行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱兩種流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸， 通過固體壁面進(jìn)行傳熱。1 測定總傳熱系數(shù) K由于換熱器內(nèi)的冷、熱流體的溫度和物性是變化的，因而在傳熱過程中的局部傳熱溫差和局部傳熱系數(shù)都是變化的，但在工程計算中，在沿程溫度和物性變化不是很大的情況下， 通常傳

4、熱系數(shù) K和傳熱溫差 tm0均可采用整個換熱器上的積分平均值，因此，對于整個換 熱器，傳熱速率方程可寫為t m0Q即:(2)Aitm0K式中：Q傳熱速率，W（瓦）；k空氣總傳熱系數(shù)，w/m. c；2 2A換熱管外表面積，m；本實驗中Ai =0.0754 mtm0 換熱管兩端的對數(shù)平均溫差，C。（此時，傳熱推動力為蒸汽、空氣）傳熱速率Q的計算Q W Cp （t2 ti）（3）式中：W空氣質(zhì)量流量，kg/s。Cp定性溫度下空氣的定壓比熱，kJ/kg . C；本實驗中，空氣的定性溫度等于空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。t1、t2換熱管內(nèi)空氣的進(jìn)、出口溫度，C。空氣質(zhì)量流量W的計算式中：v空氣的體積流量

5、，m/h ；孔板處空氣密度,3kg / m。其中:1000式中:C 孔板流量計的校正系數(shù)；本實驗中,P 孔板兩側(cè)差壓變送器的讀數(shù),kPa。本實驗中，可根據(jù)空氣的溫度和壓力，應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程來進(jìn)行計算，即:M A (Po P)R T式中：MA空氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol;本實驗中,MA=29.0 kg/kmol 。F0大氣壓，kPa;本實驗中,Po= kPa。P壓力變送器讀數(shù):空氣壓力,kPa；R通用氣體常數(shù),kJ/ ；本實驗中,R= kJ/ 。T孔板處空氣溫度,本實驗中，T=+ t i。對數(shù)平均溫差tmo的計算t m0tit2 .tr In t2其中:tiTwotit2 Two t2(8

6、)式中：Two蒸汽進(jìn)口溫度，C。（Two對應(yīng)實驗裝置的T測溫點）2 測定空氣傳熱系數(shù) ai本實驗系水蒸汽一空氣在套管換熱器中進(jìn)行強(qiáng)制對流的傳熱過程。根據(jù)牛頓冷卻定律:Q i Ai (Twt)(9)式中：Q傳熱速率， W（瓦）；ai空氣傳熱系數(shù)，w/m.C;Ai換熱管內(nèi)表面積，m ；2本實驗中 Ai=0.0603 mTw套管換熱器內(nèi)管的管壁溫度，C；t 換熱管內(nèi)空氣溫度，C。在實際傳熱過程中，換熱管進(jìn)、出口管壁溫度和進(jìn)、出口空氣溫度都是變化的，因此傳熱推動力(即氣體進(jìn)、出口溫差)應(yīng)用對數(shù)平均溫差來表示:(10)Q 1 Alt m即：Qi( 11)Al tm式中：tm 換熱管兩端的對數(shù)平均溫差，C

7、。傳熱速率Q的計算Q W Cp (t2 t1)(12)式中：W空氣質(zhì)量流量，kg/s。Cp定性溫度下空氣的定壓比熱，kJ/kg . C；本實驗中，空氣的定性溫度等于空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。t1、t2換熱管內(nèi)空氣的進(jìn)、出口溫度，C?？諝赓|(zhì)量流量W的計算Ma (P0 P)R T(15)式中：v空氣的體積流量，m/h ；3 孔板處空氣密度，kg / m。其中：1000V C(14)式中：C 孔板流量計的校正系數(shù)；本實驗中，C-。P 孔板兩側(cè)差壓變送器的讀數(shù)，kPa。W V(13)本實驗中，可根據(jù)空氣的溫度和壓力，應(yīng)用理想氣體狀態(tài)方程來進(jìn)行計算，即:(16)t2式中：M空氣的摩爾質(zhì)量，kg/km

8、ol ;本實驗中， M-29.0 kg/kmol 。F0大氣壓，kPa;本實驗中，P0- kPa。P壓力變送器讀數(shù)：空氣壓力，kPa;R 通用氣體常數(shù)，kJ/ ;本實驗中，R= kJ/。T孔板處空氣溫度，K本實驗中，T-+ t 1。對數(shù)平均溫差 t m的計算t1 t2tmld其中:t2TW1t2(17)式中：Tw、T/2空氣出口和進(jìn)口側(cè)的管壁溫度，C。3 .確定準(zhǔn)數(shù)方程式 Nu=BRe空氣在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對流時，Nu與Re之間存在如下關(guān)系:0.8 n/ “、Nu 0.023Re Pr（18 ）當(dāng)空氣被加熱時n =，當(dāng)空氣被冷卻時 n=，本實驗中空氣被加熱，n=。對于空氣等對稱雙原子氣體，在實

9、驗溫度范圍附近，普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr，代入（10 ）式可得如下簡化關(guān)系式：(19)0.8Nu 0.02 Re因此，當(dāng)空氣在管內(nèi)作強(qiáng)制對流傳熱時，其準(zhǔn)數(shù)方程式可表示成:Nu=BRe其中：dudWReA1dNu 式中：Nu努塞爾數(shù)；Re-雷諾數(shù)；u -換熱器內(nèi)空氣的流速，m/s;d-換熱器內(nèi)管的內(nèi)徑，m;A換熱器內(nèi)管的內(nèi)截面積，m;-定性溫度下空氣的粘度，；入一-定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，將測得的；aiW數(shù)據(jù)，根據(jù)式（13）和（(20)(21)(22)W/m.C。14）,算出相應(yīng)的 Nu-Re值，然后將算得的Nu Re值，標(biāo)繪在以 Re為橫坐標(biāo)軸、以 Nu為縱坐標(biāo)軸的雙對數(shù)坐標(biāo)上，繪成直線，根據(jù)求出的該

10、直線的斜率和截距，從而可確定準(zhǔn)數(shù)方程式中的指數(shù)n和系數(shù)Bo五、實驗操作步驟和注意事項1. 先給蒸汽發(fā)生器的水箱加水，直到加水裝置的水位不下降為止，實驗中應(yīng)及時加水, 保證加水裝置內(nèi)始終都維持有一定的水位。（有關(guān)蒸汽發(fā)生器的具體操作說明，請參照本裝置所附的蒸汽發(fā)生器相關(guān)使用說明書。）具體使用要求如下：1）每天第一次運(yùn)行前必須將蒸汽閥門打開，然后打開排污閥門，使?fàn)t內(nèi)的水及污物完全排盡。2）檢查水箱以保證水箱內(nèi)無雜物，否則將損壞水泵或卡死止回閥。3）關(guān)閉排污閥，蒸汽閥門仍開啟，開啟蒸汽發(fā)生器的電源開關(guān)，此時發(fā)出缺水報警， 水泵運(yùn)轉(zhuǎn)對蒸發(fā)器補(bǔ)水， 直至爐內(nèi)水位高于低水位時停止報警， 達(dá)到高水位時水泵停

11、止補(bǔ)水。4）蒸汽發(fā)生器每天至少排污一次。每天工作完畢后，應(yīng)在斷電15 分鐘后進(jìn)行排污（否則會燒壞電熱管） 。排污時應(yīng)注意安全，防止?fàn)C傷。5）蒸汽發(fā)生器所需用水規(guī)定為軟水或蒸餾水。6）電控箱、水泵電機(jī)等部位應(yīng)避免受潮進(jìn)水，以防燒毀。設(shè)備應(yīng)經(jīng)常保養(yǎng)，保持清潔。操作步驟如下：1）確認(rèn)水、電源接通。2）打開水源的閥門，向蒸汽發(fā)生器水箱內(nèi)注水。3）4)打開水泵放氣，將管道內(nèi)的空氣排凈。5）水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，并向蒸汽發(fā)生器內(nèi)加水。此時低水位燈（Low Water ）亮，蜂鳴器報打開電源開關(guān)，電源燈（Power）亮，水泵燈（Water Pump）亮。警。6）水滿之后，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，蜂鳴器停止鳴叫，正常燈（Nor

12、mal ）亮。7）電熱管開始加熱、加熱燈（ Heating ）亮。2全關(guān)風(fēng)機(jī)出口的旁路閥、 蒸汽發(fā)生器上面的排污閥、放汽閥， 全開放空閥、 空氣流量調(diào)節(jié)閥、蒸汽流量調(diào)節(jié)閥和蒸汽發(fā)生器上面的進(jìn)水閥。3 開啟儀表柜上的電源總開關(guān)、 變頻器、 無紙記錄儀和蒸汽發(fā)生器電源開關(guān)，再開啟 蒸汽發(fā)生器上的電源開關(guān)，此時蒸汽發(fā)生器將進(jìn)入自動工作狀態(tài)。利用無紙記錄儀和變頻器來控制管路流量步驟：a） 觀察無紙記錄儀屏幕，有自動 / 手動兩種控制方式可供選擇，現(xiàn)以手動為例，設(shè)置好MV（輸出百分比），按下變頻器上RUN,開始運(yùn)行。注意：不允許私自隨意改變無紙記錄儀的各設(shè)定參數(shù)4. 打開計算機(jī)，調(diào)整計算機(jī)分辨率在102

13、4X 768,運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)控工程軟件，進(jìn)入傳 熱系數(shù)測定實驗流程示意圖界面。 在該界面上可監(jiān)視蒸汽溫度、 空氣進(jìn)出口溫度、 換熱管進(jìn) 出口側(cè)的管壁溫度、 孔板流量計的壓差和空氣壓力等過程變量值。 當(dāng)蒸汽發(fā)生器有蒸汽產(chǎn)生 時（此時可看到在實驗裝置的放空口處有蒸汽流出） ,開啟儀表柜上的風(fēng)機(jī)開關(guān)。實驗過程 中,從最大流量處開始做起。在第一個空氣流量下,應(yīng)使實驗裝置持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 20 分鐘以上才可認(rèn)為其傳熱已達(dá)到 穩(wěn)定,此時,點擊計算機(jī)操作界面上的“ 采集數(shù)據(jù)” 按鈕,可把該空氣流量下的所有實驗數(shù) 據(jù)（分別是孔板兩側(cè)的壓差、管內(nèi)空氣的壓力、蒸汽溫度、空氣進(jìn)出口溫度和換熱管兩端的 管壁溫度）記錄到計算

14、機(jī)操作界面右側(cè)的原始數(shù)據(jù)記錄表格上5. 調(diào)節(jié)閥F2的開度，此時空氣流量相應(yīng)減小?？諝饬髁靠筛鶕?jù)孔板兩側(cè)的壓差來反 映，一般孔板兩側(cè)的壓差以每次減小左右為宜。 從第二個空氣流量開始， 傳熱穩(wěn)定就比較快， 一般只要穩(wěn)定運(yùn)行 510分鐘即可認(rèn)為傳熱已達(dá)穩(wěn)定。隨后點擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕就可進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集。6 實驗過程中，空氣流量所對應(yīng)的孔板兩側(cè)的壓差最小不能低于。因壓差讀數(shù)過小， 其相對誤差均會較大，從而影響實驗精度。7 每次實驗，要求測定 4 8 組不同空氣流量下的實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，點擊操作界面上的“導(dǎo)出EXCEL報表”按鈕，再根據(jù)計算機(jī)屏幕的提示， 取好待保存的EXCEL文件的 文件名，就可將本

15、次測到的所有實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出到 EXCEL表格中保存起來，供實驗結(jié)束后進(jìn)行 實驗數(shù)據(jù)處理時引用。8 實驗結(jié)束后，點擊“ 退出 ”按扭，再關(guān)閉蒸汽發(fā)生器上的電源開關(guān)，全開空氣流量調(diào)節(jié)閥，全關(guān)旁路閥，讓實驗裝置盡快冷卻。當(dāng)無紙記錄儀上的蒸汽溫度下降到95 C以下時，方可關(guān)閉儀表柜上的風(fēng)機(jī)開關(guān)和無紙記錄儀電源開關(guān)，再關(guān)閉計算機(jī)和儀表柜上電源總開關(guān)。注意事項1 實驗中應(yīng)及時向加水裝置中加水， 保證實驗過程中加水裝置內(nèi)始終都維持有一定的 水位，否則有可能燒壞蒸汽發(fā)生器，進(jìn)而引發(fā)事故。2 為了延長蒸汽發(fā)生器的使用壽命， 應(yīng)嚴(yán)格按所附蒸汽發(fā)生器的相關(guān)使用說明進(jìn)行操 作。3 蒸汽發(fā)生器內(nèi)的壓力控制器已調(diào)整到合適的

16、位置， 嚴(yán)禁私自打開重新調(diào)節(jié)， 以防壓 力過高，出現(xiàn)意外情況。4 實驗中， 不能打開蒸汽發(fā)生器上面的放氣閥和排污閥， 不能關(guān)閉進(jìn)水閥， 不能調(diào)節(jié) 放空閥和蒸汽流量調(diào)節(jié)閥。5 實驗過程中，不要改變無紙記錄儀等儀表的設(shè)置。6 當(dāng)環(huán)境溫度降低到一定溫度時， 實驗過程中可能會出現(xiàn)下列現(xiàn)象： 蒸汽出口管壁溫 度Tw2突然下降24C，接著又恢復(fù)原狀，此時的實驗數(shù)據(jù)不要采集。因為環(huán)境溫度越低， 蒸汽冷凝越快， 蒸汽出口管道積累的冷凝水也越多， 積累到一定量時冷凝水就會滴下來， 滴 到Tw2測溫點的時候，就會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。 如果數(shù)據(jù)表采集滿以后，仍需要繼續(xù)采集數(shù)據(jù)或采集到錯誤的數(shù)據(jù)時，均可點擊 “清除數(shù)據(jù)”

17、按鈕，從而將該數(shù)據(jù)清除掉。7 由于本實驗對測量元件的精度和穩(wěn)定性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性均要求極高，因此為了盡量減少或消除各種外界因素的干擾， 在各測量信號的傳輸線路和軟件數(shù)據(jù)處理上都對信號采取 了一定的濾波措施。 考慮到濾波后數(shù)據(jù)結(jié)果顯示有一定的滯后性， 因此在實驗裝置連續(xù)運(yùn)行， 并再次打開運(yùn)行傳熱實驗工程時， 應(yīng)先等候約 1 分鐘， 待各路信號穩(wěn)定后， 再點擊實驗流程 圖界面中的 “采集數(shù)據(jù)” 按扭，此時才可以對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。六、實驗數(shù)據(jù)處理考慮到本實驗采集的數(shù)據(jù)量較多，因此本裝置專門配備了傳熱實驗數(shù)據(jù)處理模板，下面 介紹該數(shù)據(jù)處理模板的使用方法。1 打開傳熱實驗過程中導(dǎo)出的保存有實驗數(shù)據(jù)的EX

18、CEL文件2. 選中打開的EXCEL表中的BH共七列的實驗數(shù)據(jù)，同時按 “Ctrl ”和“ C鍵，將 選中的該七列實驗數(shù)據(jù)拷貝下來3. 打開傳熱實驗數(shù)據(jù)處理模板文件4. 行，簡稱A4單元格，以下同），同時按“ Ctrl ”和“ V”鍵，將前面拷貝下來的 實驗數(shù)據(jù)粘貼上去5. 按住鼠標(biāo)左鍵，同時選中 H4T4這13個單元格6. 放開左鍵，將鼠標(biāo)的光標(biāo)移到選中的這13個單元格的右下角，這時鼠標(biāo)變成一個 黑的“十”字型。按住鼠標(biāo)左鍵，同時將鼠標(biāo)拖到與左邊的原始數(shù)據(jù)（剛拷貝進(jìn)來的各壓 力、溫度）齊平，再放開鼠標(biāo)的左鍵。7. 將鼠標(biāo)指針移至 Nu Re曲線圖表上面，單擊鼠標(biāo)右鍵，& 選中菜單欄中“源數(shù)據(jù)