對流傳熱系數(shù)測定實驗講義

1、對流傳熱系數(shù)測定實驗對流傳熱系數(shù)測定實驗實驗指導教師：曾明榮實驗指導教師：曾明榮對流傳熱概述 根據(jù)熱力學第二定律，凡是存在溫度差的地方就會發(fā)生熱量傳遞，并導致熱量自發(fā)地從高溫處向低溫處傳遞，這一過程稱為熱量傳遞過程，簡稱傳熱熱量傳遞過程，簡稱傳熱。 熱量傳遞過程分為穩(wěn)態(tài)過程與非穩(wěn)態(tài)過程兩大類。熱量傳遞過程分為穩(wěn)態(tài)過程與非穩(wěn)態(tài)過程兩大類。 熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流和熱輻熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流和熱輻射。射。 在化工生產(chǎn)中傳熱的應用主要是兩個方面： 1.強化傳熱：為了使物料達到操作溫度的要求進行的加熱或冷卻，希望熱量以所期望的速率進行傳遞； 2.削弱傳熱：為了使物料或設備減

2、少熱量散失，而對管道或設備進行保溫或保冷。對流傳熱的概念對流傳熱的概念在工業(yè)生產(chǎn)中，傳熱過程基本方式：在工業(yè)生產(chǎn)中，傳熱過程基本方式： 1.1.直接接觸式傳熱直接接觸式傳熱 2.2.間壁式傳熱：是一種常用的換熱設備，如列間壁式傳熱：是一種常用的換熱設備，如列管式換熱器。其熱流體借助于傳熱壁面，將熱量傳管式換熱器。其熱流體借助于傳熱壁面，將熱量傳遞給冷流體。遞給冷流體。 3.3.蓄熱式傳熱。（圖例）蓄熱式傳熱。（圖例） 影響換熱器傳熱速率的參數(shù)有：傳熱面積、平均溫度和傳熱系數(shù)。對流傳熱的概念對流傳熱的概念 不同溫度的流體各部分之間，或流體與固體壁面之間作整體相對位移時所發(fā)生的熱量傳遞過程，稱為對

3、流傳熱對流傳熱。 影響對流傳熱的因素：影響對流傳熱的因素： （1）流體的相態(tài)變化； （2）引起流動的原因(強制對流傳熱和自然對流傳熱)； （3）流體的流動型態(tài)(層流和湍流)； （4）流體的物理性質(zhì)(包括流體的比熱容、導熱系數(shù)、密度和黏度等）； （5）傳熱面的幾何因素(傳熱面的形狀、大小等）。對流傳熱分類：內(nèi)部流動強制對流傳熱外部流動大空間自然對流無相變 自然對流傳熱有限空間自然對流混合對流傳熱對流傳熱大容器沸騰沸騰傳熱管風沸騰有相變管外冷凝冷凝傳熱管內(nèi)冷凝流體流動排布型式1.逆流型式2.并流型式3.錯流型式4.折流型式逆流型式并流型式錯流型式折流型式實驗目的 1.通過實驗掌握總傳熱系數(shù)K及對流

4、傳熱系數(shù)的測定方法，并分析影響因素； 2.學習如何用實驗方法求出描述過程規(guī)律的經(jīng)驗公式,并檢驗通用的對流傳熱系數(shù)的準數(shù)關聯(lián)式 或 ； 3.通過實驗提高對關聯(lián)式的理解，進一步了解影響對流傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑； 4.掌握測溫熱電偶的使用方法。mANuRenmANuPrRe 實驗原理 根據(jù)傳熱基本方程、牛頓冷卻定律以及圓筒壁的熱傳導方程，已知傳熱設備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測得傳熱速率以及各有關溫度，即可算出和等。 間壁式換熱裝置 對于間壁式傳熱過程，可以將其看成是由下述三個傳熱子過程串聯(lián)而成：（1）熱流體與固體壁面之間的對流傳熱過程；（2）熱量通過固體壁面的熱傳導過程；（3）固體壁面與冷流體之間

5、的對流傳熱過程。1.1.計算熱負荷（熱流量）計算熱負荷（熱流量）)tt (CqQ12pccc熱量衡算方程式：式中：qc-空氣的體積流量（m3/h）； c-空氣的密度（kg/m3); Pc-空氣的定壓比熱容（J/(kgK）或（J/(kg)）； t1-空氣進換熱器的溫度（K或）； t2-空氣出換熱器的溫度（K或）。通過測定qc、t1、t2可計算出Q。 2.2.計算總傳熱系數(shù)計算總傳熱系數(shù)m tKAQ12211221ln)()(tTtTtTtTtm由傳熱基本方程式 得：式中：-基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)（W/(m2)）； A-換熱管內(nèi)表面積（m2）； tm-換熱器冷熱流體的對數(shù)平均溫差。mtAQK其

6、中：3.3.計算對流傳熱系數(shù)計算對流傳熱系數(shù) mhhhtAQmccctAQ1212ln)()(tttttttttwwwwmc下上下上依據(jù)牛頓冷卻定律： 式中： c c、h h -分別為冷、熱流體的平均對流傳熱系數(shù)（W/(m2)）； Ac、Ah-分別為冷、熱流體的傳熱面積，即與流體接觸的壁面積（m2）； tmc、 tmh-分別為冷、熱流體與壁面（或反之）間溫差的平均值（）?；蛳律舷律蟱wwwmhtTtTtTtTtln)()(其中：管內(nèi)強制對流傳熱管內(nèi)強制對流傳熱當流體在圓形直管內(nèi)作強制對流傳熱時，研究表明，Nu與Pr和Re之間存在如圖3-1所示的關系。圖3-1 流動狀況與對流傳熱系數(shù)的關系由圖可

7、見：由圖可見：管內(nèi)強制對流存在三個不同的區(qū)域：當Re10000時，流體的流動為完全湍流狀態(tài)；一般認為2300Re10000區(qū)域的流動為過渡狀態(tài)，在三個區(qū)域風流體的對流傳熱規(guī)律不同。流體在圓形直管內(nèi)流體在圓形直管內(nèi)作湍流時的對流傳熱系數(shù)作湍流時的對流傳熱系數(shù)其關聯(lián)式可采用迪圖斯-貝爾特公式描述，即nmANuPrRe0.80.023RePrnNu （經(jīng)驗式為 ）式中：Nu-努塞樂特準數(shù)，Nu=id/ ； Re-雷諾準數(shù)，Re=du/ ； Pr-普朗特準數(shù)，Pr=CP /； A、m、n-常數(shù)。 當流體被加熱時，n=0.4；當流體被冷卻時，n=0.3。上式適用于流體與管壁溫差不大的場合，對于氣體，其溫

8、差不超過50 ；對于水，溫差不大于20-30 ；對于黏度隨溫度變化較大的油類其值不超過10 。上式的其他適用的條件為：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120,管長與管內(nèi)徑之比l/d60。所采用的特征長度為管內(nèi)徑d，定性溫度為流體的平均溫度（即管道進、出口截面平均溫度的算術(shù)平均值）。 當溫差超過推薦的溫差范圍或?qū)τ陴ざ容^高的液體，由當溫差超過推薦的溫差范圍或?qū)τ陴ざ容^高的液體，由于管壁溫度與流體的主體溫度不同而引起壁面附近與流體主于管壁溫度與流體的主體溫度不同而引起壁面附近與流體主體處黏度相差較大，體處黏度相差較大，如果采用迪圖斯-貝爾特公式，則計算的誤差較大，因此可采用齊德齊德-

9、-泰特公式泰特公式進行計算，即14. 03/18 . 0PrRe027. 0wNu式中的特征長度為管內(nèi)徑d；定性溫度為流體的平均溫度；w 表示是以管壁溫度選取的流體黏度。上式適用范圍：Re104；Pr=0.716700，管長與管內(nèi)徑之比l/d60。當液體被加熱時，取當液體被冷卻時，取95. 014. 0w05. 114. 0w 對于短管（管長與管徑之比對于短管（管長與管徑之比l/d50l/d50）內(nèi)的強制對）內(nèi)的強制對流傳熱，由于其全部或絕大部分的管段處于熱邊界層流傳熱，由于其全部或絕大部分的管段處于熱邊界層尚未充分發(fā)展的入口段。因此，在計算對流傳熱系數(shù)尚未充分發(fā)展的入口段。因此，在計算對流傳

10、熱系數(shù)時應進行入口效應的修正，時應進行入口效應的修正，即7 . 01ld式中：為采用上式計算的對流傳熱系數(shù)； /為流體流經(jīng)短管的平均對流傳熱系數(shù)。流體在圓形直管內(nèi)流體在圓形直管內(nèi)呈過渡流時的對流傳熱系數(shù)呈過渡流時的對流傳熱系數(shù) 管內(nèi)流動處于過渡流狀態(tài)，即在2300Re102300Re104 4的范圍內(nèi)，其傳熱情況比較復雜。在此情況下的對流傳熱系數(shù)可先用湍流時的經(jīng)驗關聯(lián)式計算，然后將計算所得到的對流傳熱系數(shù)再乘以小于1的修正系數(shù)，即8 . 15Re1061式中：為采用湍流時的經(jīng)驗關聯(lián)式計算的對流傳熱系數(shù)； /為過渡流狀態(tài)下的對流傳熱系數(shù)。流體在圓形直管內(nèi)流體在圓形直管內(nèi)作層流時的對流傳熱系數(shù)作層

11、流時的對流傳熱系數(shù) 流體在圓形直管中作層流強制對流傳熱的情況比較復雜，因為附加的自然對流往往會影響層流對流傳熱。只有在小管徑，且流體與管壁的溫度差別不大的情況下，即Gr25000時，可按上式計算對流傳熱系數(shù)，然后再乘以修正系數(shù)得到3/1015.018 .0Gr流體在圓形直管內(nèi)流體在圓形直管內(nèi)作湍流時的作湍流時的A A、m m常數(shù)的確定常數(shù)的確定流體在圓形直管內(nèi)作湍流時的關聯(lián)式：nmANuPrReAmNunlgRelgPrlg即改寫為 根據(jù)不同流速下測得有關數(shù)據(jù)，算出準數(shù)Nu、Pr和Re的值，用圖解法在雙對數(shù)坐標紙上作Nu/PrnRe關系曲線圖，即可得出A、m的值。實驗裝置實驗裝置及流程及流程物

12、系：空氣（冷流體）-蒸汽（熱流體）測定管長度：L=1300mm，管內(nèi)徑：di =18mm管壁厚：=2.0mm實驗步驟實驗步驟 1.1.先打開加熱電源開關，待上壁溫開始升溫后，打開空氣電先打開加熱電源開關，待上壁溫開始升溫后，打開空氣電源開關，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計為源開關，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計為20 20 。2.2.待套管表面發(fā)熱，打開套管底端法蘭下的排氣拷克待套管表面發(fā)熱，打開套管底端法蘭下的排氣拷克2 23 3次，次，排除不凝性氣體。排除不凝性氣體。3.3.打開冷流體（小）系統(tǒng)的冷卻水開關，保證冷流體進口溫打開冷流體（小）系統(tǒng)的冷卻水開關，保證冷流體進口溫度恒定。度恒定。3.3.整個實驗操作控制蒸汽

13、壓力恒定在整個實驗操作控制蒸汽壓力恒定在0.04Mpa0.04Mpa以下某一刻度，以下某一刻度，待熱流體進口溫度恒定后，改變唯一操作變量即空氣轉(zhuǎn)子流待熱流體進口溫度恒定后，改變唯一操作變量即空氣轉(zhuǎn)子流量計閥門開度，達到改變流速的目的。量計閥門開度，達到改變流速的目的。5.5.待冷流體出口溫度顯示值保持待冷流體出口溫度顯示值保持5min5min以上不變時方可同時采以上不變時方可同時采集實驗數(shù)據(jù)。集實驗數(shù)據(jù)。6.6.實驗結(jié)束時，先關加熱電源，保持空氣繼續(xù)流動實驗結(jié)束時，先關加熱電源，保持空氣繼續(xù)流動10min10min，以足夠冷卻壁溫，保護熱電偶接促正常。以足夠冷卻壁溫，保護熱電偶接促正常。7.7

14、.上機數(shù)據(jù)處理的直線相關系數(shù)要求上機數(shù)據(jù)處理的直線相關系數(shù)要求R0.93R0.93，否則，實驗，否則，實驗重做。重做。h/m3實驗記錄及數(shù)據(jù)處理實驗記錄及數(shù)據(jù)處理1、原始數(shù)據(jù)記錄表實驗裝置號： ,di=18mm,=2mm,L=1.3mNo.蒸汽壓力MPa蒸汽溫度空氣流量m3/h空氣進口溫度空氣出口溫度下壁溫上壁溫123456實驗記錄及數(shù)據(jù)處理實驗記錄及數(shù)據(jù)處理2、計算結(jié)果表編號QWtmtmhtmcK10-2Wm2 c10-3Wm2 h10-2Wm2 Re10-4PrNu12345678數(shù)據(jù)計算過程數(shù)據(jù)計算過程 1.定性溫度 ，查，Cp，；2.換熱器流通面積：3.換熱器換熱面積：A=dl4.空氣

15、流量(校正值)： 流速：24dS122mttt273273273202730室室tttqqmSqu 數(shù)據(jù)計算過程數(shù)據(jù)計算過程5.計算熱負荷（熱流量）6.計算總傳熱系數(shù)K7.計算對流給熱系數(shù)c、h8.計算準數(shù)值eduR pCPrdNu雷諾準數(shù)： ，表征流體流動狀態(tài)；譜郞特準數(shù)： ，表征流體物性的影響；努塞爾準數(shù)： ，描述對流給熱系數(shù)的大小。格拉斯霍夫（Gr)準數(shù)：描述自然對流的影響（在強制湍流時，可忽略） 。實驗報告要求實驗報告要求（1）寫出一組數(shù)據(jù)的計算過程，即計算示例；（2）數(shù)據(jù)整理結(jié)果列成表格，在雙對數(shù)坐標紙上作Nu/PrnRe關系曲線，并由圖求出式 中的A、m值，并與 進行比較，分析實驗

16、誤差及原因；（3）應用實驗結(jié)果（c、h、K等）說明提高總傳熱系數(shù)關鍵措施是什么？（若ch，K值接近于h，整個傳熱過程為熱流體的傳熱步驟所控制；相反，若ch，K值接近于c，過程為冷流體對流傳熱步驟所控制。）0.80.023RePrnNu nmANuPrRe實驗注意事項實驗注意事項 1.實驗裝置的相關儀表學生不得隨便打開，以防觸電。2.打開加熱電源開關之前，首先觀察蒸發(fā)器內(nèi)是否有水，并及時補充水位至2/3處。3.實驗過程要注意防止燙傷（蒸汽發(fā)生器及換熱器部位）。4.實驗結(jié)束后，一定要注意先關加熱電源開關，待溫度降至50以下，方可關閉空氣電源開關。實驗實驗思考題思考題(1)(1)1.1.改變空氣流量后，如何使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定？2.2.實驗中蒸汽側(cè)的吸熱量和空氣側(cè)的放熱量，哪個用于估算總的傳熱量更合理？3.3.當空氣進口溫度不變而流量減小時，空氣出口溫度有何變化？4.4.為提高總傳熱系數(shù)K，可采用哪些方法？5.5.本實驗過程傳熱的阻力主要在那里？6.6.在實驗過程中，出現(xiàn)溫度不穩(wěn)或偏差？如何進行排除？7.7.影響對流傳熱系數(shù)的主要因素有哪些？實驗實驗思考題思考題(2)(2)8.8.本實驗中所測定的壁面溫度是靠近蒸汽的溫度，還是接近空氣側(cè)的溫度？為什么？9.9.對于同一個換熱