實驗七 對流傳熱實驗

對流傳熱實驗一、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)a1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=ARentPr04中常數(shù)A、m的值。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(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRe"中常數(shù)B、m的值和強化比Nu/Nu。，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?？諝庥尚郎u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7-1所示。表7-1實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑4(mm)1600實驗內(nèi)管外徑d。(mm)1792實驗外管內(nèi)徑Di(mm)50實驗外管外徑D。(mm)52.5總管長(紫銅內(nèi)管)L(ni)1.30測量段長度l(m)1.101Q7

圖7-1空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1-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；4一旋渦氣泵：5—旁路調(diào)節(jié)閥；6—孔板流量計：7、&9—空氣支路控制閥：10、11一蒸汽支路控制閥；12、13—蒸汽放空II；15—放水II：14—液位計；16—加水II；三、實驗內(nèi)容1、光滑管測定6?8個不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數(shù)a對a1的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=AReraPr04中常數(shù)A、m的值。2、波紋管測定6?8個不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數(shù)a】。對a1的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式NunBRe"中常數(shù)B、m的值。四、實驗原理準(zhǔn)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(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)為：NuMRe^RQi」(7-1)式中C、m、n、1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范【韋I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)。因此，可以忽略自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，Pr可視為常數(shù)。所以，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式(7-1)可寫成Nu其中:Re=±￡Nu其中:Re=±￡=2^“-dA4Nu=^,50°C時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)2=0.02826W/(m.K)A因此：cc=cA

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，根據(jù)原理計算、分析求得。傳熱量計算努塞爾數(shù)Nu或ai無法直接用實驗測定，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，傳遞的熱量由下式計算。Q=WeCpc=Vp]Cpc(t?f)(7-3)根據(jù)熱傳遞速率Q=KSAtTO(74)所以KSA^VpiCpc(t2-t!)(7-5)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，n?/s：Pi—冷流體(空氣)的密度，kg/m3：K——?換熱器總傳熱系數(shù)，W/(n??°C)；Cpc?一冷流體(空氣)的平均比定壓熱容，kJ/(kg-K)：s——傳熱面積，n?：△—蒸汽與空氣的對數(shù)平均溫度差，°C。空氣的流量及兩種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)K。3?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：11b1K=^?+—+——2a2(7-6)式中：a1———空氣在圓管中強制對流的傳熱膜系數(shù)，w/(nF?°C)：(X2——■蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(shù)，w/(m2-r)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)入比較人)時，1111——o——Ko\4u——55(7-7)蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)遠遠人于空氣傳熱膜系數(shù)，則K^a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，由此求得空氣傳熱膜系數(shù)aio4.努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計算Re=空乩dVA_Va7T。71丁十〃-d/i44(7-8)Nu=——A_Kd_VQCpG—tJd一2_^Atm(7-9)式中：入——空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?°C)；

卩一空氣的粘度，Pa-s；d——套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，m；pi——進口溫度h時的空氣密度，kg/m3o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=TTdl本裝置d=00178m,1=1.327m?？諝饬髁亢兔芏鹊挠嬎憧諝饷芏萷1可按理想氣體計算：心.29心.29丄x101330273273+t(7-10)式中：pa當(dāng)?shù)厝藲鈮海琍a；t__L板流量計前空氣溫度，°C,可取t=u；空氣的流量由1/4噴嘴流量計測量，合并常數(shù)后，空氣的體積流量可由下式計算(7-11)式中：Co——合并整理的流量系數(shù)，其值為Co=O.OOl233；R—噴嘴流量計的壓差計示值，mmHQ。V]——空氣的體積流量,m3/so五、實驗操作實驗前的準(zhǔn)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。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II溫度h（°C）比較穩(wěn)定。（2）調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使壓差計讀數(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II、出丨I溫度值W、七2、空氣壓力值pi、空氣入出II之間壓力差P2、蒸汽溫度值t?及壓力值P3,孔板流量計讀數(shù)P4,（注意：第1個數(shù)據(jù)點必須穩(wěn)定5—10分鐘。若為計算機在線數(shù)據(jù)采集，則可直接從屏幕上讀取這些數(shù)值）。（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：在最大值與最小值之間可分為6-10段，最小、最大流量值一定要做）。（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)。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。六、實驗數(shù)據(jù)處理表1光滑管實驗數(shù)據(jù)記錄實驗號空氣入丨1溫度值t/c空氣出口溫度值t2/0C空氣入口壓力值pi/mmH??？諝獬?1壓力差p2/mmH?O蒸汽溫度值t/c蒸汽壓力P3孔板流量計讀數(shù)P4備注13139687040132017340346449007813201735035.6664020113.5132017360437.4733930138132017370538.5722960161132017380表2波紋管實驗數(shù)據(jù)記錄實驗號空氣入11溫度值ti/r空氣出丨1溫度值t2/°c空氣入「1壓力值pi/mmH?O空氣出口壓力差pi/mmH?。蒸汽溫度值t/c蒸汽壓力P3孔板流量計讀數(shù)P4備注138.29645402101020.0206038914960152990.02052337.5925480931000.02042436.3906220431040.02034534.2746930271080.02026取光滑管的一組數(shù)據(jù)為例進行計算：定性溫度=(31+39)/2=35°C查得35°C空氣的物理性質(zhì)：cp=1.005kJ/(kg*°C)入=2.7155X10'2W/(m*°C)p=1.885XICT^a^sPi=0.7001、P=la贏x諾=1.29牆x希=0.770kg/m1、2、V==0.000.77040=0.00889m3/s2、V==0.000.77040=0.00889m3/s3、珈=警給總船劈"598皿4、5、adKdVpcp(t24、5、Nu==1=o=u.0u//□入入ASAtm2.7155X10"2XO.O742X62.72S=iEdL=3.14x0.0178x1.327=0.0742m26、Atra=62.72°CVpcp(t2_ti)=KSAtraK=001183W/(m2?°C)7、—a±=0.01183W/(m2?°C)haici2?i8、Nu=CRem兩邊取對數(shù)得1gNu=lgC+mlgRe

光滑管的數(shù)據(jù)如卜?:0(kg/m3)V(m3/s)K(W/m2?°C)ReNuIgReIgNu10.7700.008890.0118325989.110.038054415-1.4200.5440.0118200550923484.020.034704371-1.56030.4440.0143400532323241.330.033534366-1.77540.4310.015710.0611624406.410.033534388-1.77450.3240.0193800532422640.510.007754355-2.111繪制1gRe—IgNu圖如F：IgRe由圖可知，m=8.75252lgC=40.05527IgNu二40.5527+8.752521gRe即Nu=2.8XW41Res-75252波紋管數(shù)據(jù)如下:o(kg/m3)V(m3/s)K(W/m2?°C)ReNuIgReIgNu10.4970.0135500843123504.090.050774371-1.294n0.5430.0120600772723032.970.046934362-1.32930.6010.0103000753921779.540.045794338-1.33940.6850.0086900732821078.850.044934324-1.34750.7690.0071700576419932。660.035904300-1.445繪制1gRe—IgNu圖如F：

IgReIgRelgNu=-9.1399+1795151gRe由圖可知，m=1.79515lgC=-9.1399lgNu=-9.1399+1795151gRe即Nu=7.25X10"10ReL79515七、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，以及壓力溫度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：不凝性氣體存在可能會使蒸汽a大大降低。3、本實驗中所測定的壁面溫度是靠近蒸氣側(cè)的溫度，還是接近空氣側(cè)的溫度？為什么？答：接近空氣溫度是因為蒸汽冷凝膜系數(shù)犬于空氣的。4、在實驗中有哪些因素影響實驗的穩(wěn)定性？答：空氣流速與采用的管子等。八、注意事項1、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范闈內(nèi)。特別是每個實驗結(jié)