橫管對流傳熱系數(shù)的測定

1、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱:過程工程原理實(shí)驗(yàn) (乙 指導(dǎo)老師:成績: 實(shí)驗(yàn)名稱:傳熱綜合實(shí)驗(yàn)橫管對流傳熱系數(shù)的測定 同組學(xué)生姓名: 實(shí)驗(yàn)類型:物理性質(zhì)測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?必填 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理(必填三、實(shí)驗(yàn)材料與試劑(必填 四、實(shí)驗(yàn)器材與儀器(必填五、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟(必填 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(必填 八、討論、心得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 Nu = BRe n形式的準(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;在工業(yè)生產(chǎn)

2、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,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, 包括普通管和加強(qiáng)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。 所謂加強(qiáng)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 1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

3、所組成。 Tt圖 1間壁式傳熱過程示意圖圖 1 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(p p W W M Mm Q m c T T m c t t A T T A t t KA t =-=-=-=-=式中: Q 傳熱量, W ;m 1 熱流體質(zhì)量流量, kg/s;c p1 定性溫度下熱流體的比熱, J/(kg· ; T 1 熱流體進(jìn)口溫度,; T 2 熱流體出口溫度,; m 2 冷流體質(zhì)量流量, kg/s;c p2 定性溫度下冷流體的比熱, J/(kg· ; t 1 冷流體進(jìn)口溫度,; t 2 冷流體出口溫度,;1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù),

4、W/(m2· ;A 1 熱流體側(cè)的傳熱面積, m 2;(T - Tw M 熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫度差,; 2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù), W/(m2· ;A 2 冷流體側(cè)的傳熱面積, m 2;(tw - tm 固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫度差,; K 以傳熱面積 A 為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù), W/(m2· ; A 傳熱面積, m 2; t m 冷、熱流體的對數(shù)平均溫度差,。熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由式(2計(jì)算: (11221122(2ln W W W m W W T T T T T T T T T T -=-式中: T w1 熱流體進(jìn)口端熱流體側(cè)的

5、壁面溫度,; T w2 熱流體出口端熱流體側(cè)的壁面溫度,。固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由(3式計(jì)算:(11221122(3ln W W W m W W t t t t t t t t t t -=-式中: t w1 冷流體進(jìn)口端冷流體側(cè)的壁面溫度,;t w2 冷流體出口端冷流體側(cè)的壁面溫度,。熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由(4式計(jì)算:12211221( (4lnm T t T t t T t T t -=-冷流體(空氣的質(zhì)量流量可由(5式計(jì)算:20' (5m V =式中: V 空氣實(shí)際體積流量, m 3/s;0 空氣在孔板處的密度, kg/m3。本實(shí)驗(yàn)中 即為空氣在進(jìn)口溫度下對應(yīng)的

6、密度。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(shí)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 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' (6V = 式中: V 無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量, m 3/s。在本裝置的套管換熱器中, 環(huán)隙內(nèi)通水蒸汽, 紫銅管內(nèi)通空氣, 水蒸汽在紫銅管表面冷凝放熱而加熱空氣。 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 t

7、 W1, T W1 t W2,在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定后,由式(1可得: 2221221( ( (7p W m m c t t A t t -=-即22212( (8( p W mm c t t A t t -=-實(shí)驗(yàn)中測定出紫銅管的壁溫 t w1、 t w2;冷流體的進(jìn)出口溫度 t 1、 t 2,并查取 t平均=0.5*(t1 + t2 下冷流體對應(yīng)的 c p2、實(shí)驗(yàn)用紫銅管的長度 l 、內(nèi)徑 d 2, A=d 2l 和冷流體的質(zhì)量流量 m 2,即可計(jì)算出 2。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

8、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) 2的實(shí)驗(yàn)方法。(1近似法求算空氣側(cè)對流傳熱系數(shù) 2以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為:22221211111(9s s m bd d d R R K d d d =+式中: d 1 換熱管外徑, m ; d 2 換熱管內(nèi)徑, m ;d m 換熱管的對數(shù)平均直徑, m ; b 換熱管的壁厚, m ; 換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m2· ; R s1 換熱管外側(cè)的污垢熱阻, m 2·K/W; R s2 換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻, m 2·K/W?？倐鳠嵯禂?shù) K 可由式(1求得

9、:2221( (10p m mm c t t Q K A t A t -=實(shí)驗(yàn)測定 m 2、 t 1、 t 2、 T 1、 T 2,并查取 t 平均 =0.5*(t1 + t2 下冷流體對應(yīng)的 c p2、傳熱面積 A ,即可由上式計(jì)算得到總傳熱系數(shù) K 。 用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí), 管內(nèi)冷流體與管壁間的對流傳熱系數(shù)約為及時(shí)到幾百 W/(m2·K ;而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數(shù) 1可達(dá) 104W/(m2·K 左右,因 此冷凝傳熱熱阻 d 2/(a1d 1 可忽略,同時(shí)蒸汽冷凝較為清潔,因此換熱管外側(cè)的污 垢 熱 阻 R s1d 2/d1也 可 忽 略 。 實(shí) 驗(yàn) 中 的 傳 熱

10、 元 件 材 料 用 紫 銅 , 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 為 383.8W/(m·K ,壁厚 1.5mm ,因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻 (bd2/(d m 可忽略。若 換熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻 R s2也忽略不計(jì),則由式(9得2(11K 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(shí),傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為:0.80.023Re Pr (12n Nu =式中: Nu 努塞爾數(shù),22' d Nu =,無因次;Re 雷諾數(shù) ,2Re d u =,無因次;Pr 普蘭特?cái)?shù),2' Pr p c =,無

11、因次。上式適用范圍為:Re =1.0×1041.2×105, Pr =0.7120, 管長與管內(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。 式中: 定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù), W/(m·K ; u 空氣在換熱管內(nèi)流動的平均速度, m/s; 定性溫度下空氣的密度, kg/m3; 定性溫度下空氣的粘度, Pa ·s 。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,

12、 分析影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。三. 實(shí)驗(yàn)裝置及流程 本實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖 2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風(fēng)機(jī) 2蒸汽發(fā)生器 3孔板流量計(jì) 4壓差傳感器 5普通套管換熱器 6強(qiáng) 化套管換熱器 t1、 t2、 t3、 T1、 T 、 T 、 Tw1、 Tw2、 Tw1 、 Tw2溫度傳感器 F1、 F2、 F3、 F4、 F5、 F6閥門圖 2 橫管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖表 1 豎管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖符號說明表 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

13、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。1、檢查儀表、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器及測溫點(diǎn)是否正常;2、蒸汽發(fā)生器灌水至液位 4/5處;3、打開總電源開關(guān)、儀表電源開關(guān),選擇管路,并與儀表顯示一致后開啟蒸汽 發(fā)生器,加熱。(在儀表中通過 PID 調(diào)節(jié),可調(diào)節(jié)加熱功率。同時(shí),稍微打 開兩個(gè)不凝性氣體排出閥,控制溫度在 100左右;4、等有不凝性氣體大量冒出時(shí),蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套管換熱器, 再打開換熱器冷凝水排放閥 (冷凝水排

14、放閥開度不要開啟過大, 以免蒸汽泄漏 , 使環(huán)隙中冷凝水不斷的排出;5、啟動風(fēng)機(jī);6、調(diào)節(jié)風(fēng)量至實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測試要求,由大到小逐漸調(diào)節(jié)空氣流量, 合理確定 5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。 待流量和熱交換穩(wěn)定后記錄冷流體流量、 冷流體進(jìn)出口溫 度、熱流體進(jìn)出口端的壁溫及蒸汽溫度;7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器電源,待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度下降至 95以下 后,再關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源,關(guān)閉總電源,將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)原狀。1、普通管 2、強(qiáng)化管 普通管 中以第三組為例演示計(jì)算過程:定性溫度:1216.79867.5=42.149C 22t t t +=定性查表得該溫度下空氣的物性如下:密度: 3比熱容:(21.005/p c

15、 kJ kg K = 粘度: 51.9210Pa s -= 導(dǎo)熱系數(shù):(0.0277/W m K = 空氣的質(zhì)量流速和其在管內(nèi)流速= 質(zhì)量流量:320' 3.3710/m V kg s -= 平均流速:24'= 雷諾數(shù):5Re 128731.9210du -=對數(shù)平均溫差的計(jì)算固體壁面與冷液體之間的對數(shù)平均溫差:(12211221ln ln100.18816.798w w m w w T t T t t T t T t -=-=54.1472的計(jì)算(以內(nèi)表面為基準(zhǔn) 用壁面溫度與冷流體之間傳熱求得:(p w mm c t t W m K A t t -=-d Nu = 普通管 曲

16、線方程為:0.77710.0226Re Nu = 20. 9986R =強(qiáng)化管 中以第三組為例演示計(jì)算過程: 定性溫度: 1216.79876.698=46.748C 22t t t +=定性查表得該溫度下空氣的物性如下:密度: 3比熱容:(21.005/p c kJ kg K = 粘度: 51.9410Pa s -=/W m K = 空氣的質(zhì)量流速和其在管內(nèi)流速= 質(zhì)量流量:320' 2.6710/m V kg s -= 平均流速:24'= 雷諾數(shù):5du -= 對數(shù)平均溫差的計(jì)算固體壁面與冷液體之間的對數(shù)平均溫差:(12211221100.876.69898.30816.7

17、98( ( ln ln98.30816.798w w m w w T t T t t T t -=-=47.1162的計(jì)算(以內(nèi)表面為基準(zhǔn) 用壁面溫度與冷流體之間傳熱求得:(p w mm c t t W m K A t t -=-d Nu = 強(qiáng)化管定性溫度 t/ 43.15 45.349 46.748 47.599 校正流量 10-3 V'/(m3 /s 4.74 3.16 2.19 1.52 密度 3 /( kg/m 1.117 1.109 1.104 1.101 比熱 Cp2/kJ/(kg 1.005 1.005 1.005 1.005 平均流速 u/(m/s 23.57 15.

18、72 10.89 7.56 黏度 -5 /10 Pas 1.93 1.94 1.94 1.95 雷諾數(shù) Re 21826 14378 9916 6830 導(dǎo)熱系數(shù) /W/(mK 0.0278 0.0280 0.0281 0.0281 對數(shù)平均溫度 （tW -t）m 52.529 49.304 47.116 45.750 孔板處空氣 密度 0 /( kg/m3 1.218 1.218 1.218 1.219 2 W/(m2 K 112.61 86.78 66.54 49.14 冷流體進(jìn)出 口溫差 （t2 -t1 ）/ 52.300 52.698 59.900 61.998 努賽爾準(zhǔn)數(shù) Nu 64

19、.81 49.59 37.89 27.98 質(zhì)量流率 10-3 m2 /(kg/s 5.77 3.85 2.67 1.85 裝 訂 線 以 Re 為 x 軸，Nu 為 y 軸，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下做出如下曲線： 100 y = 0.0485x 0.7221 R 2 = 0.9971 系列1 乘冪 (系列1 Nu 10 1000 10000 Re 100000 曲線方程為： Nu = 0.0485Re0.7221 R2 = 0 . 9 9 7 1 七實(shí)驗(yàn)結(jié)論 1、普通管 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知對流傳熱系數(shù)與流體流量有關(guān)，具體規(guī)律為：冷流體與 固體壁面之間的對流傳熱系數(shù) 2 隨著冷流體流量的增加逐漸增大，

20、且 Nu 與 Re 的關(guān)系式為： Nu = 0.0226 Re 2、強(qiáng)化管 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知對流傳熱系數(shù)與流體流量有關(guān)，與普通管規(guī)律相似即： 冷流體與固體壁面之間的對流傳熱系數(shù) 2 0.7771 ； 隨著冷流體流量的增加逐漸增大，且 Nu 與 Re 的關(guān)系式為： Nu = 0.0485Re 3、強(qiáng)化管與普通管的對比 0.7221 ； 由普通管和強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果可以看出強(qiáng)化管的 這說明強(qiáng)化管的傳熱效果比普通管好。 2 值增大很多， 但在實(shí)驗(yàn)中我們可以觀察到，當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)時(shí)，其流速低于用普通管， 強(qiáng)化管的最大流量不能達(dá)到普通管的最大流量，經(jīng)思考分析后，其原因?yàn)閺?qiáng)化管 在管內(nèi)增加彈簧，

21、雖然可以提高傳熱效率，但是管路阻力增大，降低了管路的效 率，增加傳熱時(shí)功率的消耗。 八實(shí)驗(yàn)討論 裝 訂 線 （ 1）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 Dt 有所不同，在本次實(shí)驗(yàn)中可近似無 m 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， Dt 可以看做是不變的。 m 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)量流量時(shí)所用到的空氣密度值是冷流體進(jìn)口溫度 下的密度，而計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)用到的密度值是流體

22、進(jìn)行傳熱后溫度下的密度值，計(jì) 算中就是定性溫度（冷流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）下的密度值。 3.實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝水不及時(shí)排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷凝 水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對 關(guān)聯(lián)式有何影響？ 答：冷凝水不及時(shí)排走，附著在管外壁上，形成一層深液膜，使熱阻增大， 降低了傳熱速率。 通過在外管冷流體出口處設(shè)置排水口， 適當(dāng)調(diào)節(jié)閥門開口， 及時(shí)排走冷凝水。 r 2 g l 3r ö 4 ，當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)增 采用不同壓強(qiáng)下的蒸汽，基本無影響。因?yàn)?a µ æ ç ÷ è m d0 Dt ø 1 r 2 g l 3r ö 4 變化不大，所以認(rèn)為蒸汽