化工原理實(shí)驗(yàn)-對流傳熱系數(shù)的測定

1、浙江大學(xué)本科生實(shí)驗(yàn)報告頁9 共9基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)報告浙江大學(xué)課程名稱 過程工程原理實(shí)驗(yàn)（乙） 實(shí)驗(yàn)名稱 對流傳熱系數(shù)的測定 指導(dǎo)教師 專業(yè) 學(xué)號 姓名 實(shí)驗(yàn)日期 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)整理成形勢的準(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、空氣流量的自動控制原理和使用方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置與流程示意圖本實(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。1 普通套管換熱器；2內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；3蒸汽發(fā)生器；旋渦氣泵

2、；5旁路調(diào)節(jié)閥；6孔板流量計(jì)；7、8、9空氣支路控制閥；10、11蒸汽支路控制閥；12、13蒸汽放空口；14傳熱系數(shù)分布實(shí)驗(yàn)套盒（本實(shí)驗(yàn)不用）；15紫銅管；16加水口；17放水口；18液位計(jì)；19熱點(diǎn)偶溫度測量實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)接口（本實(shí)驗(yàn)不用）圖1橫管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖表1 橫管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖符號說明表名稱符號單位備注冷流體流量Vm3/h紫銅管規(guī)格19×1.5mm，即內(nèi)徑為16mm，有效長度為1020mm，冷流體流量范圍：318 m3/h.冷流體進(jìn)口溫度t1普通管冷流體出口溫度t2強(qiáng)化管冷流體出口溫度t2蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度T1普通管熱流體進(jìn)口端壁溫TW1普通管

3、熱流體出口端壁溫TW2普通管外蒸汽溫度T強(qiáng)化管熱流體進(jìn)口端壁溫TW1強(qiáng)化管熱流體出口端壁溫TW2強(qiáng)化管外蒸汽溫度T空氣-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)行換熱交換，冷凝水經(jīng)排出閥排入盛水裝置。空氣由風(fēng)機(jī)提供，流量通過變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動控制，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)通過管路上的切換閥門進(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，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸，

4、通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換。本裝置主要研究汽氣綜合換熱，包括普通管和強(qiáng)化管。其中，水蒸汽和空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸汽走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂強(qiáng)化管，是在紫銅管內(nèi)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，使換熱效果更明顯。1、 空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定如圖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所組成。 圖2間壁式傳熱過程示意圖間壁式傳熱元件，在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，有熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由（2）式計(jì)算：固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計(jì)算：熱、冷流體間的對數(shù)平

5、均溫差可由（4）式計(jì)算：冷流體（空氣）的質(zhì)量流量可由（5）式計(jì)算：注意：空氣在無紙記錄儀上顯示的體積流量，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處的空氣密度r0當(dāng)作1kg/m3時的讀數(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：當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即l值很大，且管壁厚度較薄時，可認(rèn)為同一截面處換熱管二側(cè)壁溫近似相等，即TW2» tW1，TW1» tW2,在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定后，由式（1）可得：即： 一般情況下，直接測量固體壁面溫度，尤其是管內(nèi)壁溫度，實(shí)驗(yàn)技術(shù)難

6、度較大，因此，工程上也常采用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傳熱系數(shù)。下面介紹其他兩種測定對流傳熱系數(shù)a2的實(shí)驗(yàn)方法。（1）近似法求算空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)a2。以管內(nèi)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：總傳熱系數(shù)K可由式（1）求得：用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室時，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：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，此法所求得的結(jié)果準(zhǔn)確性越高。2、 準(zhǔn)數(shù)方程式對于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對流傳熱時，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為：式中：Nu努塞爾數(shù)，無因次；Re雷諾數(shù) ，無因次；Pr普蘭特?cái)?shù)，無因次；

7、上式適用范圍為：Re1.0×1041.2×105，Pr0.7120，管長與管內(nèi)徑之比L/d60。當(dāng)流體被加熱時n0.4，流體被冷卻時n0.3。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)行對比，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果。通過普通管和強(qiáng)化傳熱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，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，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

8、凝氣體閥門和冷凝水閥門要一直開啟，防止積水，影響實(shí)驗(yàn)效果。(4)測定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下。一般傳熱穩(wěn)定時間都至少需保證8分鐘以上，以保證數(shù)據(jù)的可靠性（第一組數(shù)據(jù)的測定至少穩(wěn)定15分鐘）。(5)實(shí)驗(yàn)過程中，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1、 普通管冷流體進(jìn)口溫度/冷流體出口溫度/冷流體流量(m3/h)蒸汽進(jìn)口處壁溫/蒸汽出口處壁溫/管外蒸汽溫度/加熱器汽相溫度/16.767.819.95699.688100.48102.212101.80616.89869.414.680399.392100.48101.91101.5041771.09810.847499

9、.392100.678102.01101.50416.79872.38.03193100.084101.47102.718102.1116.772.96.06917100.282101.568102.918102.3122、 強(qiáng)化管冷流體進(jìn)口溫度t1/冷流體出口溫度t2/冷流體流量V(m3/h)蒸汽進(jìn)口處壁溫/蒸汽出口處壁溫/管外蒸汽溫度T1/加熱器汽相溫度T2/1781.09814.661100.776101.07242.522102.2117.283.310.898101.372101.568105.444102.71617.184.58.17082101.568101.766105.74

10、8103.01817.285.1986.20698101.668101.964103.222103.12六、整理計(jì)算數(shù)據(jù)表普通管定性溫度t/密度/( kg/m3)比熱Cp/J/(kg)黏度/10-5Pas普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr導(dǎo)熱系數(shù)42.251.1211.0051.910.6990.027643.151.1171.0051.910.6990.027644.051.1141.0051.910.6990.027644.551.1101.0051.910.6990.027644.801.1101.0051.910.6990.0276校正流量10-3V'/(m3/s)質(zhì)量流量10-3m/(kg/s)

11、平均流速m/s對數(shù)平均溫度(tW-t)mK(2)W/(m2K)雷諾數(shù)Re努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu5.026.1224.9953.98113.472346965.783.704.5018.3852.6787.901720350.962.733.3213.5851.5568.371267739.642.022.4610.0651.5851.91935330.091.531.867.6051.3239.92706723.14強(qiáng)化管定性溫度t/密度/( kg/m3)比熱Cp/J/(kg)黏度/10-5Pas普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr導(dǎo)熱系數(shù)49.051.0961.0051.960.6980.028350.251.0931.

12、0051.960.6980.028350.801.0931.0051.960.6980.028351.201.0931.0051.960.6980.0283校正流量10-3V'/(m3/s)質(zhì)量流量103m/(kg/s)平均流速m/s對數(shù)平均溫度(tw-t)mK(2)W/(m2K)雷諾數(shù)Re努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu3.694.4918.3644.50126.851642768.062.743.3413.6543.14100.301217753.742.062.5010.2342.3378.15913041.871.561.907.7741.8760.55693632.441 計(jì)算舉例tm=(tW

13、-t)m=tW1-t1-tW2-t2lntW1-t1tW2-t2=99.688-16.7-(100.48-67.8)ln99.688-16.7100.48-67.8=53.98K在16.7下，空氣密度為1.217kgm3m2=V'0V0=19.9563600×1.217=6.12×10-3kgs2=m2cp2t2-t1A2tm=6.12×10-3×1.005×103×67.8-16.7×0.016×1.020×53.98=113.47W/(m2K)2 簡易Wilson圖解法普通管強(qiáng)化管1/u0.8

14、1/K1/u0.81/K0.076170.008810.097470.007880.097370.011380.123580.009970.124040.014630.155600.012800.157750.019260.193870.016510.197390.02505普通管：擬合直線為y = 0.1339x - 0.0017，R² = 0.9982即1K=0.13391u0.8-0.0017 強(qiáng)化管：擬合直線為y = 0.0897x - 0.001，R² = 0.9982即1K=0.08971u0.8-0.001 3 準(zhǔn)數(shù)方程式以Re為x軸，Nu為y軸作圖如下：普通

15、管：擬合線方程為y = 0.0091x0.8768，R² = 0.9992即Nu = 0.0091Re0.8768強(qiáng)化管：擬合線方程為y = 0.0155x0.8606，R² = 0.9988即Nu = 0.0155Re0.8606另一方面，經(jīng)驗(yàn)公式為Nu=0.023Re0.8Prn=0.023×(1.005×103×1.91×10-50.0276)0.4Re0.8=0.0199Re0.8，與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果較為接近。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流傳熱系數(shù)2逐漸增大，Nu與Re的關(guān)系

16、式為：Nu = 0.0091Re0.87682、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流傳熱系數(shù)2逐漸增大，Nu與Re的關(guān)系式為：Nu = 0.0155Re0.8606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，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，增加傳熱時功率的消耗。九、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論思考題：1.實(shí)驗(yàn)中冷流體的和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響？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)量流量時所用到的密度值與求雷諾數(shù)時的密度值是否一致？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)量時所用到的密