試驗(yàn)四空氣-蒸汽對流給熱系數(shù)測定

1、實(shí)驗(yàn)四空氣-蒸汽對流給熱系數(shù)測定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途 徑。、根本原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面(傳熱元件)進(jìn)行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖1所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳 執(zhí)八、5固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱圖1間壁式傳熱過程示意圖所組成。到達(dá)傳熱穩(wěn)定時，有Q -觀心】(可-坊)=喘/林匕-f J-斶嗎(丁-兀)M =豈爲(wèi)鶴- 琳= KAm(1) &qu

2、ot;式中：Q 傳熱量，J / s；mi 熱流體的質(zhì)量流率，kg / s ;cpi 熱流體的比熱，J / (kg ?C)；Ti 熱流體的進(jìn)口溫度，C；T2 熱流體的出口溫度，C；m2 冷流體的質(zhì)量流率，kg / s ；Cp2 冷流體的比熱，J / (kg ?C )；ti冷流體的進(jìn)口溫度，C；t2冷流體的出口溫度，c；2：-1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m ?C )；2A1 熱流體側(cè)的對流傳熱面積，m ；:/*“熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，C；：-2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m 2 ?C )；2A2 冷流體側(cè)的對流傳熱面積，m ；:固體壁面與冷流體的對數(shù)平均

3、溫差，C；以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)， ：冷熱流體的對數(shù)平均溫差，C；3.熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式2W / (m ?C );2計(jì)算,In婦-乙 式中：Twi 熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度,C;TW2 熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由式切-rl = % '】卜輪二hc。43)計(jì)算,(3)In _J-式中：twi 冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度，C;tw2 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)平均溫差可由式4 4計(jì)算,加.-勺一仇一 tj(4)In當(dāng)在套管式間壁換熱器中, 數(shù)測定實(shí)驗(yàn)時，那么由式*1 - 4環(huán)隙通以水蒸

4、氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對流傳熱系4 1得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數(shù)，1 州©二幾(5)實(shí)驗(yàn)中測定紫銅管的壁溫度I、內(nèi)徑d2,丄-；和冷流體的質(zhì)量流量，即可計(jì)算：-2°然而，直接測一量固體壁面的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)誤差。 因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接 推算流體與固體壁面間的對流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實(shí)驗(yàn)研究手段。由式1得，twi、tw2 ；冷空氣或水的進(jìn)出口溫度 ti、t2；實(shí)驗(yàn)用紫銅管的長 和冷流體的質(zhì)量流量，即可計(jì)算(6)實(shí)驗(yàn)測定一'、一 i、并查取I十 l

5、-，'| - ' J下冷流體對應(yīng)的-2即可由上式計(jì)算得總給熱系數(shù)下面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)-亠以管內(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，11 n bd. n d2 d.=一 + 論+ 1 n ' m;m;K式中：di -換熱管外徑，d2 換熱管內(nèi)徑， dm 換熱管的對數(shù)平均直徑,+ 1 + 刖魏 必ad1m;b 換熱管的壁厚，m; 換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)， 丄.換熱管外側(cè)的污垢熱阻， 丄：.換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，W / (m ? C )； 卅鋁W; 卅網(wǎng)。用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，管內(nèi)冷流體與管壁間的對流給熱系數(shù)約為幾十到幾百而管

6、外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)打可達(dá)丨丨|.左右，因此冷凝傳熱熱阻;可也可忽略。實(shí)驗(yàn)中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8二：，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱Ed阻二丄可忽略。假設(shè)換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì)，那么由式(7)得，忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小， 越咼。2.傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對流給熱系數(shù)芻對于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對流傳熱時，假設(shè)符合如下范圍內(nèi)：1.2 >K05,Pr= 0.7120，管長與管內(nèi)徑之比l/d > 6那么傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為,Nu = 0023R»P 廣式中

7、：Nu 努塞爾數(shù)，二L，無因次；ARe 雷諾數(shù)，1，無因次；kPr普蘭特?cái)?shù)，"-工，無因次；當(dāng)流體被加熱時n = 0.4,流體被冷卻時n= 0.3;2:-流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W / (m ?C)；d 換熱管內(nèi)徑，m;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;?流體的密度，-流體的粘度，Cp 流體的比熱，(8)此法所得的準(zhǔn)確性就Re=1.0X104(9),3kg / m ；Pa ? sJ / (kg ?C)。對于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對流被加熱時，可將式(9)改寫為,0&1 11皿7 x x砌 0.023嚴(yán)丿(10)令,1m =0

8、.023(11)(12)r=l，甩+處卡且+厶那么式(7)可寫為,當(dāng)測定管內(nèi)不同流量下的對流給熱系數(shù)時，由式(14)計(jì)算所得的(15)C值為一常數(shù)。管式中,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，P 標(biāo)定用流體的密度，丨/ m3;Pf 轉(zhuǎn)子材料密度，kg / m假設(shè)用孔板流量計(jì)測冷流體的流量，那么，V為冷流體進(jìn)口處流量計(jì)讀數(shù)，p為冷流體進(jìn)口溫度下對應(yīng)的密度。(2)3m / s;kg / m3；對水 p= 1000 kg / m3;對空氣p= 1.205 kg(18)(19)內(nèi)徑d2一定時，m也為常數(shù)。因此，實(shí)驗(yàn)時測定不同流量所對應(yīng)的氣，由式(4)、(6)、(12)、(

9、13)求取一系列X、Y值，再在XY圖上作圖或?qū)⑺玫?X、Y值回 歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數(shù)：-2可用下式求得，(16)盤二 _ xm3. 冷流體質(zhì)量流量的測定(1)假設(shè)用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實(shí)際的流量,(17)式中:V '實(shí)際被測流體的體積流量，m3 / s ；-J下對應(yīng)水或空p'實(shí)際被測流體的密度，kg / m3;均可取4. 冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0100 C之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。(1 )空氣的密度與溫度的關(guān)系式：/ III 'r'-. '.'-'l

10、l.(2) 空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60C以下 二=J / (kg ?C ),? 70 C以上J / (kg ?C )。(3) 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：(4 )空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖i空氣-水蒸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(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。 冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱 器內(nèi)管(紫銅管)，熱交換后排出裝置外。2. 設(shè)備與儀表規(guī)格(1) 紫銅管規(guī)格：直徑 $ 21 x 2.5mm長度L=1000mm(2) 外套不銹鋼管規(guī)格：直徑$ 100x

11、5mm長度L=1000mm(4) 鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示(5) 全自動蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表四、實(shí)驗(yàn)步驟與考前須知(一)實(shí)驗(yàn)步驟1、翻開控制面板上的總電源開關(guān)，翻開儀表電源開關(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)生器中灌裝清水至水箱的球體中部，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)會自動處于保溫狀態(tài)。3、翻開控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開關(guān)，讓風(fēng)機(jī)工作，同時翻開冷流體進(jìn)口閥，讓套管換 熱器里充有一定量的空氣。4、翻開冷凝水出口閥，排出上次實(shí)驗(yàn)余留的冷凝水，在整個實(shí)驗(yàn)過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱

12、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(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除，否那么夾帶 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)閉蒸汽進(jìn)口閥門，翻開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓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(shí)驗(yàn)。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)由 冷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?熱態(tài)不得少于10分鐘，防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)也處于熱態(tài)后，調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥，使蒸汽進(jìn)口壓力維持 在0. 01MPa，可通過調(diào)節(jié)蒸

13、汽發(fā)生器出口閥及蒸汽進(jìn)口閥開度來實(shí)現(xiàn)。8、自動調(diào)節(jié)冷空氣進(jìn)口流量時，可通過儀表調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)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)定前方可記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)值，一般每個流量下至少應(yīng)使熱交換過程保持 15分鐘方為視為穩(wěn)定；改變流量，記錄不同流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。9、記錄68組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。先關(guān)閉蒸汽發(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(jī)電源，待冷凝水流盡，關(guān)閉冷凝水出口閥，關(guān)閉總電源。10、翻開實(shí)驗(yàn)軟件，輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)處理。二考前須知1、先翻開排冷凝水的閥 1,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

14、里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。2、一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除 蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。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，由 冷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?熱態(tài)不得少于10分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆。4、 操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa 表壓以下，否那么可能造成不銹鋼管 爆裂和填料損壞。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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、 翻開數(shù)據(jù)處理軟件，在教師界面左上裝置參數(shù)設(shè)置的下拉菜單中輸入裝

15、置參數(shù)管長、管內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子密度。在本套裝置中，管長為 1m，管內(nèi)徑為16m m，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子密度為。2、數(shù)字型裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接倒入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軟件，可以表格形式得到本實(shí)驗(yàn)所要的 最終處理結(jié)果，點(diǎn) 顯示曲線那么可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線比照圖和擬合公式。3、數(shù)據(jù)輸入錯誤，或明顯不符合實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊 保存數(shù)據(jù)再按2步中次序，點(diǎn)擊 顯示結(jié)果和顯示曲線。4、 記錄軟件處理結(jié)果，并可作為手算處理的對照。結(jié)束，點(diǎn)退出程序。六、實(shí)驗(yàn)報告1、冷流體給熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與理論值列表比擬，計(jì)算各點(diǎn)誤差，并分析討論。2、 冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：.，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖擬合曲線方程，確定 式中常數(shù)A及m。3、 以'