對流傳熱系數(shù)的測定實(shí)驗報告

-.z..........專業(yè)..XX大學(xué)化學(xué)實(shí)驗報告課程名稱：過程工程原理實(shí)驗甲實(shí)驗名稱：對流傳熱系數(shù)的測定指導(dǎo)教師：專業(yè)班級：XX：學(xué)號：同組學(xué)生：實(shí)驗日期：實(shí)驗地點(diǎn)：目錄一、實(shí)驗?zāi)康暮鸵?二、實(shí)驗流程與裝置2三、實(shí)驗容和原理21.間壁式傳熱根本原理22.空氣流量的測定23.空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)QUOTE的測定23.1牛頓冷卻定律法23.2近似法23.3簡易Wilson圖解法24.擬合實(shí)驗準(zhǔn)數(shù)方程式25.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)歷式2四、操作方法與實(shí)驗步驟2五、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理21.原始數(shù)據(jù)：22.數(shù)據(jù)處理2六、實(shí)驗結(jié)果2七、實(shí)驗思考2實(shí)驗?zāi)康暮鸵?〕掌握空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑；2〕把測得的數(shù)據(jù)整理成形式的準(zhǔn)數(shù)方程，并與教材中公認(rèn)經(jīng)歷式進(jìn)展比擬；3〕了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。實(shí)驗流程與裝置本實(shí)驗流程圖〔橫管〕如下列圖1所示，實(shí)驗裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量計、變頻器、套管換熱器〔強(qiáng)化管和普通管〕及溫度傳感器、只能顯示儀表等構(gòu)成?？諝?水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器，與被風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的空氣進(jìn)展換熱交換，不凝氣或未冷凝蒸汽通過閥門〔F3和F4〕排出，冷凝水經(jīng)排出閥〔F5和F6〕排入盛水杯。空氣由風(fēng)機(jī)提供，流量通過變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)自動控制，空氣經(jīng)孔板流量計進(jìn)入套管換熱器管，熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排出。注意：普通管和強(qiáng)化管的選取：在實(shí)驗裝置上是通過閥門〔F1和F2〕進(jìn)展切換，儀表柜上通過旋鈕進(jìn)展切換，電腦界面上通過鼠標(biāo)選擇，三者必學(xué)統(tǒng)一。圖1橫管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗裝置流程圖圖中符號說明如下表：符號名稱單位備注V空氣流量m3/h紫銅管規(guī)格Φ19×1.5mm有效長度1020mmF1，F(xiàn)2為管路切換閥門F3，F(xiàn)4為不凝氣排出閥F5，F(xiàn)6為冷凝水排出閥t1空氣進(jìn)口溫度℃t2普通管空氣出口溫度℃t3強(qiáng)化管空氣出口溫度℃T1蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度℃T2普通管空氣出口端銅管外壁溫度℃T3普通管空氣進(jìn)口端銅管外壁溫度℃T4普通管外蒸汽溫度℃T5強(qiáng)化管空氣出口端銅管外壁溫度℃T6強(qiáng)化管空氣進(jìn)口端銅管外壁溫度℃T7強(qiáng)化管外蒸汽溫度℃三、實(shí)驗容和原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進(jìn)展換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱流體之間有一固體壁面，兩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〔傳熱元件〕進(jìn)展熱量交換。本裝置主要研究汽-氣綜合換熱，包括普通管和加強(qiáng)管。其中，水蒸氣和空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強(qiáng)管，是在紫銅管加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進(jìn)而增大了空氣流動的湍流程度，是換熱效果更明顯。1.間壁式傳熱根本原理如圖2所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱組成。圖2間壁式傳熱過程示意圖間壁式傳熱元件，在傳熱過程到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，有：QUOTEQUOTE………………(1)熱流體與固體壁面的對流平均溫差可由〔2〕式計算：QUOTE…………〔2〕固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由〔3〕式計算：QUOTE……………〔3〕熱、冷流體的對數(shù)平均溫差可由〔4〕式計算：QUOTE………〔4〕式中：熱流量，J/s；QUOTE,QUOTE分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s

QUOTE，QUOTE分別為定性溫度下熱、冷流體的比熱，J/(kg·℃)

QUOTE，QUOTE分別為熱流體的進(jìn)出口溫度，℃QUOTE，QUOTE分別為冷流體的進(jìn)出口溫度，℃QUOTE，QUOTE分別為熱、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，QUOTEQUOTE，QUOTE分別為熱、冷流體的傳熱面積，QUOTEQUOTE，QUOTE分別為熱、冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，℃以傳熱面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，QUOTE平均傳熱面積，QUOTEQUOTE冷、熱流體的対數(shù)平均溫差，℃由實(shí)驗裝置流程圖可見，本實(shí)驗的強(qiáng)化管或普通管換熱，熱流體是蒸汽，冷流體是空氣。2.空氣流量的測定空氣在無紙記錄儀上現(xiàn)實(shí)的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關(guān)，考慮到實(shí)際過程中，空氣的進(jìn)口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板出的空氣密度QUOTE當(dāng)作QUOTE時的讀數(shù)，因此，如果空氣實(shí)際密度不等于該值，那么空氣的實(shí)際體積流量應(yīng)該由下式進(jìn)展校正：QUOTE……………………〔5〕空氣質(zhì)量流量m:QUOTE…………〔6〕式中：QUOTE空氣實(shí)際體積流量，QUOTEV無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，QUOTEQUOTE空氣在孔板處的密度，QUOTE,本實(shí)驗中QUOTE即為空氣在進(jìn)口問題QUOTE下對應(yīng)的溫度。3.空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)QUOTE的測定3.1牛頓冷卻定律法在本裝置的套管加熱器中，環(huán)隙通空氣，水蒸氣在紫銅管外表冷凝放熱而加熱空氣。在傳熱過程到達(dá)穩(wěn)定后，空氣作為冷流體，空氣側(cè)傳熱由式〔1〕可得：QUOTE……〔7〕即QUOTE……………………〔8〕QUOTE和QUOTE分別是換熱管空氣進(jìn)口處的壁溫度和空氣出口處的壁溫度，當(dāng)管材料導(dǎo)熱性能很好，即QUOTE值很大，且管壁厚度較小時，可認(rèn)為QUOTE及QUOTE，QUOTE和QUOTE分別是空氣進(jìn)口處的換熱管外壁溫度和空氣出口處的換熱管外壁溫度。一般情況下直接測量固體壁面溫度，尤其是管壁溫度，實(shí)驗技術(shù)難度較大，因此，工程上也常采用通過測量相對較易測定的流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流傳熱系數(shù)。3.2近似法以管壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為：QUOTE……〔9〕式中：QUOTE,QUOTE分別為換熱管的外徑、徑，QUOTE換熱管的對流平均直徑，換熱管的壁厚，QUOTE換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，QUOTEQUOTE,QUOTE分別為換熱管外側(cè)、側(cè)的污垢熱阻，QUOTE總傳熱系數(shù)QUOTE可由式〔1〕得：QUOTE………………〔10〕用本裝置進(jìn)展實(shí)驗時，管空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)QUOTE約幾十到幾百Q(mào)UOTE，而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)QUOTE可到數(shù)萬QUOTE，因此冷凝傳熱熱阻QUOTE可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻QUOTE也可忽略。實(shí)驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)QUOTE為383.8QUOTE)，壁厚為1.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻QUOTE可忽略。假設(shè)換熱管測的污垢熱阻QUOTE也可忽略，那么由式〔9〕可知，QUOTE…………………〔11〕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，此法測得的QUOTE的準(zhǔn)確性就越高。3.3簡易Wilson圖解法空氣和蒸汽在套管換熱器中換熱，空氣在套管被套管環(huán)隙的蒸汽加熱，當(dāng)管空氣做充分湍流時，空氣側(cè)強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)可表示為QUOTE…………〔12〕將式〔12〕代入式〔9〕，得到：QUOTE…………〔13〕依據(jù)3.2的分析，式〔13〕右邊后側(cè)三項在本實(shí)驗條件下可認(rèn)為是常數(shù)，那么由式〔13〕可得：QUOTE……〔14〕式〔14〕為QUOTE線性方程，以QUOTE，QUOTE作圖，可求得直線斜率m，于是得到：QUOTE……〔15〕4.擬合實(shí)驗準(zhǔn)數(shù)方程式由實(shí)驗獲取的數(shù)據(jù)計算出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，擬合QUOTE直線，從而確定擬合方程，得出實(shí)驗式：QUOTE………〔16〕式中：QUOTE努塞爾數(shù)，QUOTE,無因次；QUOTE雷諾數(shù)，QUOTE,無因次。5.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)歷式對于流體在圓形直管做強(qiáng)制湍流對流傳熱時，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)歷式為：QUOTE…………〔17〕式中：QUOTE普蘭特數(shù)，QUOTE,無因次。上式適用圍為：QUOTE，QUOTE，管長與管徑之比QUOTE。當(dāng)流體被加熱時QUOTE，流體被冷卻時QUOTE。式中：QUOTE定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，QUOTEQUOTE空氣在換熱管的平均流速，QUOTEQUOTE定性溫度下空氣的密度，QUOTEQUOTE定性溫度下空氣的黏度，QUOTE在本實(shí)驗條件下，考慮QUOTE變化很小，可認(rèn)為是常數(shù)，那么〔17〕式改寫為：QUOTE附注：在QUOTE之間，空氣物性與溫度的關(guān)系式有如下擬合公式：空氣的密度與溫度的關(guān)系式：空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60℃以下QUOTE60℃以上QUOTE空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：QUOTE空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：QUOTE四、操作方法與實(shí)驗步驟1〕檢查儀表、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器及測溫點(diǎn)是否正常，將蒸汽發(fā)生器灌水至液位不低于QUOTE處；2〕翻開總電源開關(guān)、儀表開關(guān)，開啟蒸汽發(fā)生器加熱，同時，全部開啟兩個不凝氣排出閥，通過電腦設(shè)置溫度在103℃；3〕等有大量不凝氣體冒出時，蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器，此時關(guān)閉不凝氣體排出閥，翻開冷凝液排出閥，使環(huán)隙中的冷凝水不斷地排出，此時應(yīng)保證有少量蒸汽冒出，且環(huán)隙不能有大量冷凝液積留；4〕啟動風(fēng)機(jī)，選擇普通管，通過控制軟件的流量設(shè)定依次設(shè)定20,14,10,7QUOTE,待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集4組數(shù)據(jù)；5〕普通管測好后，切換為強(qiáng)化管，同4〕依次設(shè)定20，11.8,7QUOTE，待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集3組數(shù)據(jù)；6〕實(shí)驗完畢后，先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，待蒸汽溫度下降到95℃以下后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，總電源，清理實(shí)驗器材。五、實(shí)驗數(shù)據(jù)處理1.原始數(shù)據(jù)：表1管道名稱加熱器汽相溫度/℃管外蒸汽溫度/℃蒸汽出口處壁溫/℃蒸汽進(jìn)口處壁溫/℃冷流體流量(QUOTE)冷流體出口溫度/℃冷流體進(jìn)口溫度/℃普通管103.083102.334100.724101.77420.076965.67425普通管103.146102.42100.724101.71214.138968.7924.874普通管103.02102.344100.724101.6510.09470.8424.686普通管103.02102.39100.724101.7127.0627272.98424.686強(qiáng)化管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5強(qiáng)化管103.146101.42101.474101.52411.957476.5625.186強(qiáng)化管103.02101.254101.35101.47.0864378.264252.數(shù)據(jù)處理以強(qiáng)化管第一次數(shù)據(jù)〔空氣流量為20QUOTE〕為例，由式〔4〕可得：QUOTE在空氣進(jìn)口溫度QUOTE下，空氣密度：那么由式〔5〕可得：由式〔6〕可得：QUOTE定性溫度QUOTE那么空氣比熱為QUOTE于是，由式〔10〕得：QUOTE為利用Wilson圖解法，可求QUOTE,QUOTE，QUOTE于是可得下表表2管道名稱質(zhì)量流量/(kg/s)K/W/(QUOTEu/(m/s)普通管6.072E-0374.81325.4770.0130.075普通管4.277E-0358.98117.9380.0170.099普通管3.054E-0345.48612.8020.0220.130普通管2.137E-0334.2788.9570.0290.173強(qiáng)化管5.917E-0398.15624.8690.0100.076強(qiáng)化管3.615E-0366.86715.1780.0150.114強(qiáng)化管2.143E-0342.4168.9920.0240.173根據(jù)上表可作出下列圖由式〔15〕可得：表3管道名稱普通1普通2普通3普通4強(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化3QUOTE/w/(m2·℃)82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以強(qiáng)化管第一組數(shù)據(jù)為例：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)求得：QUOTE空氣的黏度求得：QUOTE空氣的密度求得：QUOTE那么有同樣的方法可得到下表：表4管道名稱普通1普通2普通3普通4強(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化347.0835.4126.9720.2152.7935.4323.2623290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用雙對數(shù)坐標(biāo)紙擬合QUOTE直線可得到如下列圖：六、實(shí)驗結(jié)果1〕普通管和強(qiáng)化管不同空氣流量下的對流傳熱系數(shù)如表2，從表中易得，對流傳熱系數(shù)QUOTE隨流量的增大而增大；且一樣條件下強(qiáng)化管的對流傳熱系數(shù)要比普通管大。2〕由QUOTE直線圖可得到普通管：