傳熱綜合實(shí)驗(yàn)――豎管對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定(精)（精編版）

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng) :過(guò)程工程原理實(shí)驗(yàn) (甲 指導(dǎo)老師 :成績(jī):_ 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng) :傳熱綜合實(shí)驗(yàn) 豎管對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定同組學(xué)生姓名 : 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容二、實(shí)驗(yàn)裝置與流程示意圖三、實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù) (實(shí)驗(yàn)原理 四、注意事項(xiàng)五、原始記錄數(shù)據(jù)表六、整理計(jì)算數(shù)據(jù)表七、數(shù)據(jù)整理計(jì)算過(guò)程舉例八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1、 掌握空氣在普通和強(qiáng)化傳熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)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(cè)得的數(shù)據(jù)整理成 n bre = nu 形勢(shì)的準(zhǔn)數(shù)方程 ,并與教材中相應(yīng)公式進(jìn)行比較。 3、了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動(dòng)控制原理和使用方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置

2、與流程示意圖本實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖 1由蒸汽發(fā)生器、孔板流量變送器、變頻器、套管換熱器及溫度傳感 器、智能顯示儀表等構(gòu)成。圖 1 豎管對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖表 1 豎管對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖符號(hào)說(shuō)明表氣進(jìn)行換熱交換 ,冷凝水經(jīng)排出閥排入盛水裝置?？諝庥娠L(fēng)機(jī)提供,流量通過(guò)變頻器改變 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動(dòng)控制 ,空氣經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管,熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排 出。注意:本實(shí)驗(yàn)中 ,普通和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)通過(guò)管路上的切換閥門(mén)進(jìn)行切換。三、實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù) (實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中 ,大量情況下 ,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 種流體之間有一固體壁面,兩流體分別在

3、固體壁面的兩側(cè)流動(dòng),兩流體不直接接觸 ,通過(guò)固體壁面 (傳 熱元件進(jìn)行熱量交換。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, 水蒸汽和空氣通過(guò)紫銅管間接換熱 , 空氣走紫銅管內(nèi) ,水蒸汽走紫銅管外 ,采用逆流換熱。所謂加強(qiáng)管,是在紫銅管內(nèi)加了彈簧 ,增大了絕 對(duì)粗糙度 ,進(jìn)而增大了空氣流動(dòng)的湍流程度,使換熱效果更明顯。1、 空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定如圖 2所示,間壁式傳熱過(guò)程由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱,固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì) 冷流體的對(duì)流傳熱所組成。t t 圖 1間壁式傳熱過(guò)程示意圖圖 2 間壁式傳熱過(guò)程示意圖間壁式傳熱元件 ,在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后 ,有(111

4、222211122(1 p p w w m m m q m c t t m c t t a t t a t t ka t =-=-=-=-=? ? ? ? ? ?熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由(2 式計(jì)算: (112211 22 (2ln w w w m w w t t t t t t t t -=- 固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由(3 式計(jì)算: ( 3(ln 2 21 1 2211 t t t t t t t t w w w w m w -=- 熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由(4式計(jì)算 : 4(ln ( (1 22 11221 t t t t t t t t t m -= ?冷流體

5、(空氣的質(zhì)量流量可由 (5式計(jì)算 : 5( 02 v m =注意:空氣在無(wú)紙記錄儀上顯示的體積流量,與空氣流過(guò)孔板時(shí)的密度有關(guān),考慮到實(shí)際過(guò)程中 , 空氣的進(jìn)口溫度不是定值 , 為了處理上的方便 , 無(wú)紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板處的空氣密度0 當(dāng)作 1kg/m3 時(shí)的讀數(shù) ,因此,如果空氣實(shí)際密度不等于該值 ,則空氣的實(shí)際體積流量應(yīng)按下式進(jìn)行校正: 6( 0 vv = 當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好 ,即 值很大 ,且管壁厚度較薄時(shí) ,可認(rèn)為同一截面處換熱管二側(cè)壁溫近似相等 ,即 t w2 tw1, t w1 tw2, 在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后 ,由式(1 可得: 7( ( (1221222 m w

6、 p t t a t t c m -=-即: 22212( (8( p w m m c t t a t t -= - 一般情況下 ,直接測(cè)量固體壁面溫度 ,尤其是管內(nèi)壁溫度 ,實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度較大 ,因此,工程上也常 采用通過(guò)測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的冷熱流體溫度來(lái)間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流傳熱系數(shù)。下面介紹其 他兩種測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)2 的實(shí)驗(yàn)方法。(1近似法求算空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)2 。以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為: 9(111 12121222 d d d d r d bd r k s m s +=總傳熱系數(shù) k 可由式 (1求得: 10( (1222 m p m t a

7、t t c m t a q k ? -=?=用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室時(shí) ,換熱管外側(cè)、管壁 ,內(nèi)側(cè)污垢熱阻均忽略不急,則可由式(9 近似得出 : 11(2 k 由此可見(jiàn) ,被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對(duì)流傳熱熱阻相比越小,此法所求得的結(jié)果準(zhǔn)確性越高。2、 準(zhǔn)數(shù)方程式對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí),傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為 : 14(pr re 023. 08. 0 n nu = 式中:nu 努塞爾數(shù) , 22 d nu =,無(wú)因次 ; re 雷諾數(shù) , 2re d u =,無(wú)因次 ; pr 普蘭特?cái)?shù) , 2 pr p c = ,無(wú)因次 ; 上式適用范圍為 :re =1.0 1041.2 105, p

8、r =0.7120,管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d 60。當(dāng)流體被 加熱時(shí) n =0.4,流體被冷卻時(shí) n =0.3。故可由實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后,在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上 ,即可作出nure直線,確定 nu=bren 的擬合方程 ,并與公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)普通管和強(qiáng)化傳熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,分析影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。四、注意事項(xiàng)(1開(kāi)始加熱功率可以很大 ,但當(dāng)溫度達(dá)到 100左右 ,有大量不凝氣體排出時(shí) ,加熱電 壓一般控制在 250v 左右。(2實(shí)際實(shí)驗(yàn)管路要和儀表柜上選擇開(kāi)關(guān)及計(jì)算機(jī)上的顯示一致,否則實(shí)驗(yàn)失敗。 (3 實(shí)驗(yàn)中不凝氣體閥門(mén)和冷凝水閥門(mén)要一直開(kāi)啟

9、,防止積水 ,影響實(shí)驗(yàn)效果。(4 測(cè)定各參數(shù)時(shí) , 必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下。一般傳熱穩(wěn)定時(shí)間都至少需保證8分鐘以 上,以保證數(shù)據(jù)的可靠性 (第一組數(shù)據(jù)的測(cè)定至少穩(wěn)定 15分鐘。 (5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要確保蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位不能低于警戒水位。五、原始記錄數(shù)據(jù)表六、整理計(jì)算數(shù)據(jù)表普通管定性溫度 t/ 48.30 49.20 49.85 50.30 51.00 51.25 密度 /( kg/m3 1.100 1.095 1.093 1.092 1.091 1.091 比熱 cp/j/(kg? 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 黏度 /10-5pa?s 1.950 1

10、.955 1.960 1.965 1.970 1.973 普蘭特準(zhǔn)數(shù) pr 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 導(dǎo)熱系數(shù) 0.0281 0.0282 0.0283 0.0283 0.0284 0.0285 雷諾數(shù) re 0.236 0.185 0.145 0.114 0.089 0.071 校正流量 質(zhì)量流率 平均流速 -3 3 10 v/(m /s 103m/(kg/s u/(m/s 對(duì)數(shù)平均溫度 （tw-t）m 51.22 53.12 52.77 52.58 52.00 51.93 2/ w/(m2?k 103.09 81.85 67.11 55.00

11、44.20 35.80 努賽爾準(zhǔn)數(shù) nu 58.70 46.44 37.94 31.10 24.90 20.10 5.25 5.77 26.12 4.14 4.53 20.59 3.26 3.56 16.22 2.57 2.81 12.81 2.02 2.21 10.07 1.60 1.75 7.97 以 re 為 x 軸，nu 為 y 軸作圖如下： 直線方程： lg nu = -2.07617 + 0.87869 lg re r = 0.99978 即有 n = 0.87869 b = 0.0084 nu = 0.0084 re0.87869 強(qiáng)化管定性溫度 t/ 56.45 56.65 5

12、6.65 56.80 密度 /( kg/m3 1.073 1.073 1.073 1.073 比熱 cp/j/(kg? 1.005 1.005 1.005 1.005 黏度 /10-5pa?s 1.99 1.99 1.99 1.99 普蘭特準(zhǔn)數(shù) pr 0.697 0.697 0.697 0.697 導(dǎo)熱系數(shù) 0.0287 0.0287 0.0287 0.0287 雷諾數(shù) re 0.161 0.122 0.092 0.070 校正流量 質(zhì)量流率 平均流速 -3 3 10 v/(m /s 103m/(kg/s u/(m/s 3.76 2.84 2.14 1.62 4.03 3.04 2.29 1.

13、74 18.70 14.11 10.63 8.07 對(duì)數(shù)平均溫度（tw-t）m 36.47 36.83 37.08 37.23 2 w/(m2?k 138.82 104.36 78.64 59.72 努賽爾準(zhǔn)數(shù) nu 77.39 58.18 43.84 33.29 以 re 為 x 軸，nu 為 y 軸作圖如下： 直線方程： lg nu = -2.33326 + 1.00325 lg re r = 0.99999 即有 n = 1.00325 b = 0.0046 nu = 0.0046 re1.00325 七、數(shù)據(jù)整理計(jì)算過(guò)程舉例以普通管的第一組為例定性溫度： - t = 0.5*(t 1

14、+ t 2 = 48.298 查表得： 密度： 0 = 1.100kg / m3 比熱容：c p = 1.005kj / kg ? k 粘度： = 1.95 10-5 pa ? s 普蘭特常數(shù)： pr = 0.698 導(dǎo)熱系數(shù)： = 0.0281w / m ? k （2） 、空氣的質(zhì)量流速和其在管內(nèi)流速體積流率v = v 0 = 5.25 10-3 m3 / s 質(zhì)量流率 m = v 0 = 5.774 10-3 kg / s 平均流速 u = 4v = 26.11m / s d2 （3） 、對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算固體壁面與冷液體之間的對(duì)數(shù)平均溫度： ( tw - t m = ( tw 1 - t

15、1 - ( tw 2 - t2 = 51.217 ln tw 1 - t1 tw 2 - t2 （4） 2 的計(jì)算（以?xún)?nèi)表面為基準(zhǔn)）、 用壁面溫度與冷流體之間傳熱求得：2 = nu = m 2c p 2 (t2 - t1 a2 (tw - t1 = 103.09w / m 2 ? k 2d = 58.70 八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 1、普通管 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隨著冷流體流量的增加，冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù) 2 逐漸 增大， nu 與 re 的關(guān)系式為： nu = 0.0084 re0.87869 2 、強(qiáng)化管 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，隨著冷流體流量的增加，冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)2 逐漸增大，

16、 nu 與 re 的關(guān)系式為： nu = 0.0046 re1.00325 由普通管和強(qiáng)化管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果可以看出強(qiáng)化管的2 值增大很多， 即是強(qiáng)化 管的傳熱效果比普通管好。 在實(shí)驗(yàn)中可以看出，當(dāng)用強(qiáng)化管時(shí)， 其流速明顯低于用普通管，因?yàn)樵诠軆?nèi)增加彈簧，雖然可以提高傳熱效率，但是卻降低了管路的效率，增加傳熱時(shí)功率的消耗。九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論思考題： 思考題： 1.實(shí)驗(yàn)中冷流體的和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響？答：逆流傳熱優(yōu)于并流傳熱，主要是tm 有所不同，在本次實(shí)驗(yàn)中可近似無(wú)影響，因?yàn)樵诒敬螌?shí)驗(yàn)中近似認(rèn)為熱蒸汽的溫度是不變的，則不管是逆流還是并流，tm 可以看做 是不變的。 2.在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算？答： 不一致， 計(jì)算冷流體質(zhì)量時(shí)所用到的密度值， 是冷流體進(jìn)入管道的溫度下的密度，而計(jì)算