空氣—蒸汽對流給熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)答案

1、空氣一蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,通過對空氣一水蒸氣光滑套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對流傳熱系數(shù)al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=ARe mPr。4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(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRe m中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu 0, 了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方 式。二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)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

2、流量計(jì)，由支路控制閥選擇不同的支路進(jìn)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(jìn)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(dòng)的空氣，達(dá)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(shí)驗(yàn)流程圖如圖 1所示，其主要參數(shù)見表1。表1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di(mm )16.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do(mm )17.92實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di(mm )50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do(mm )52.5總管長（紫銅內(nèi),f)L ( m )1.30測量段長度l(m )1.10121熱電圜轉(zhuǎn)捶開芋孔板流量計(jì)測蒸汽溫度空氣入口 溫度圖1空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置1- 光滑套管換

3、熱器；2螺紋管的強(qiáng)化套管換熱器；3蒸汽發(fā)生器；4一旋渦氣泵;5 一旁路調(diào)節(jié)閥；6一孔板流量計(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；15一放水口； 14液位計(jì)；16一加水口;三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光滑管測定68個(gè)不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數(shù)al。對ai的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARe m中常數(shù)A、m的值。2、波紋管測定68個(gè)不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數(shù)ai。對ai的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。四、實(shí)驗(yàn)原理1.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：Nu=CRe mPrn

4、Grl(1)式中C、m、n、l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(shí)驗(yàn)來確定特定因此，可以忽略自范圍的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)是測定空氣在圓管內(nèi)作強(qiáng)制對流時(shí)的對流傳熱系數(shù)。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(1)可寫成(2)Nu =CRem其中：ReduNu50c時(shí)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.02826W/(m.K)待定參數(shù)C和m可通過實(shí)驗(yàn)測定蒸汽、空氣的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對式(2)取對數(shù)，回歸求得直線斜率和截距。因此:mRec d2 .傳熱量計(jì)算努塞爾數(shù)Nu或“1無法直接用實(shí)驗(yàn)測定，只能測定相關(guān)的參數(shù)并通過計(jì)算求得。

5、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(3）式計(jì)算。Q = WeCpc (t2 tl) = V plCpc (t2 tl)(3)根據(jù)熱傳遞速率Q = KSAtm(4)所以KS At m =V plCpc (t2 tl)(5)式中：Q 換熱器的熱負(fù)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，m3/s;pi 冷流體(空氣)的密度，kg/m3;K換熱器總彳熱系數(shù)，W/ (m2 C)Cpc一一冷流體(空氣)的平均比定壓熱容， kJ/ (

6、kg K);S 傳熱面積，m2;Atm 蒸汽與空氣的對數(shù)平均溫度差，C?？諝獾牧髁考皟煞N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)Ko3 .傳熱膜系數(shù)的計(jì)算當(dāng)傳熱面為平壁或者當(dāng)管壁很薄時(shí)，總的傳熱阻力和傳熱分阻力的關(guān)系可表示為：式中：ai 空氣在圓管中強(qiáng)制對流的傳熱膜系數(shù)，W/ (m2 C)o2 蒸汽冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)，W/ (m2 )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)入比較大)時(shí)，1111，、 (7)K 121蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣傳熱膜系數(shù)，則K=a1。因此，只要在實(shí)驗(yàn)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

7、換熱器的總傳熱系數(shù)K值，由此求得空氣傳熱膜系數(shù)a 1。4 .努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計(jì)算式中：入一一空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m C)科一空氣的粘度，Pas；d式一套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，m;p1 進(jìn)口溫度t1時(shí)的空氣密度，kg/m3。由于熱阻主要集中在空氣一側(cè)，本實(shí)驗(yàn)的傳熱面積S取管子的內(nèi)表面較為合理，即S= udl本裝置 d=0 . 0178 m , l=1 . 327m 。5 .空氣流量和密度的計(jì)算1 1.29PP273101330 273 t(10)空氣密度P 1可按理想氣體計(jì)算:式中：pa當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa ;t 孔板流量計(jì)前空氣溫度，C,可取 t=t 1；空氣的流量由1/4噴嘴流量計(jì)測量，合

8、并常數(shù)后，空氣的體積流量可由(11)式計(jì)算V1C0(11)式中：C0 合并整理的流量系數(shù)，其值為C0=0 . 001233 ;R噴嘴流量計(jì)的壓差計(jì)示值,mmH 2O。V1空氣的體積流量，m3/s。五、實(shí)驗(yàn)操作1 .實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備(1)向電加熱釜加水至液位計(jì)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(dòng)電熱鍋爐開關(guān)，開始加熱。2 .實(shí)驗(yàn)開始(1)當(dāng)蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)旋渦氣泵并運(yùn)行一段時(shí)間，保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)空氣入口溫度t1 (C)穩(wěn)定。(2)調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使孔板流量計(jì)的壓

9、差計(jì)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(jì)讀數(shù)，讀取空氣入口、出口的溫度值匕、t2 （溫度測量可采用熱電偶或溫度計(jì)）、空氣壓力值p 1、空氣入、出口之間壓力差p 2、蒸汽溫度值 t3 及壓力值p 3,孔板流量計(jì)讀數(shù)p4。（ 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：在空氣入、出口之間壓力差p 2 最大值與最小值之間可分為6-10 段） 。（ 5）實(shí)驗(yàn)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)。3 實(shí)驗(yàn)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(jī)，并將旁路閥全開。（ 3）切斷總電源。六、

10、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1 、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。2、必須保證蒸汽上升管線的暢通。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^大突然噴出。3、必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，三個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥（見圖1 所示）必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。4、調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定 510分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5、套管換熱器中積累的熱水要及時(shí)放掉，以免影響蒸汽傳熱。七、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理誤差分析:1.給熱系數(shù)K的

11、計(jì)算序號1234567空氣進(jìn)口處密度PKg/m31.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192空氣質(zhì)量流量m2 Kg/s0.00190.00240.0030.0035 ().00410.00460.005空氣流速u m/s7.9810.0912.3714.561719.2121.01空氣定性溫度t平均 41.742.0542.442.7543.444.2545.25定性溫度下的空氣密度p 'Kg/m31.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、熱流體間的對數(shù)平均溫差 tmc58.557.9157.6357.4256.7455.8546

12、.08總給熱系數(shù)K w/ m2 29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362. a 2理論值的計(jì)算序號1234567對流給熱系數(shù)a 2 w/ m2 - C29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空氣黏度V (X 10A-5Pa-s)1.9221.9241.9251.9251.931.9341.939空氣導(dǎo)熱系數(shù)入 W/m- K0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數(shù)Re8058.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.413普蘭特

13、數(shù)Pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努賽爾數(shù)Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.49a 2 理論值 a 2' w/ m2 45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努賽爾數(shù)理論值Nu'26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.163. a 2理論值與實(shí)驗(yàn)值比較序號1234567a 2理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96a 2實(shí)驗(yàn)值29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36a 2相對誤差0.3

14、4480.28050.23340.21650.17720.1468 -0.02581.迪圖斯-貝爾特公式有條件范圍，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并非全在其適用范圍內(nèi)，用此公式算出的Nu，和a 2'誤差就可能較大。2.實(shí)驗(yàn)時(shí)，等待時(shí)間不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未穩(wěn)定時(shí)就記錄了。序號12345670 4ln(Nu/Pr .)33.223.313.593.763.894.12ln(Re)8.999.159.359.519.669.789.86冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：Nu/Pr0.4=APrmln(Nu/Pr 0.4)=lnA+m ln(Re)lnA=-7.9273, A=0.0256m=1.2124另附上原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):廳

15、P冷空氣熱蒸汽8M:(m3/h )進(jìn)口溫度 (C)進(jìn)口溫度 (C)進(jìn)口溫度 (C)進(jìn)口溫度 (C)15.2719.2064.20103.10103.0027.3019.5064.60102.90102.8038.9519.8065.00103.00102.90410.6020.3065.20103.10103.00512.3021.0065.80103.10103.00613.9022.0066.50103.10102.90715.2023.3067.20102.90102.904、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。從圖像中線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)來看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果不是很準(zhǔn)確，特別是螺紋管。產(chǎn)生誤差的來

16、源很多，讀數(shù)不穩(wěn)定 、換熱器保溫效果差、換熱器使用久了，污垢較厚，熱流量值下降等都使結(jié)果有一定的偏差。而且在處理數(shù)據(jù)時(shí)， 采用很多近似處理， 而實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)很多的條件并不穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過程中采用改變空氣流量來調(diào)節(jié)，但是在改變空氣流量的同時(shí)， 其他的數(shù)據(jù)也會(huì)改變， 比如說空氣出口溫度， 而且在改變的過程中， 要經(jīng)過一段時(shí)間空氣出口溫度才會(huì)穩(wěn)定，而我們測定的溫度一定要是這個(gè)穩(wěn)定的溫度，所以在測定中沒有經(jīng)過足夠長的時(shí)間導(dǎo)致測定的溫度不是穩(wěn)定的溫度，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意等待五到十分鐘待數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定時(shí)，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比較準(zhǔn)確。八、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。還

17、有材料的分子結(jié)構(gòu)及其化學(xué)成份、材料重度、材料濕度狀況和溫度狀況。(2)在蒸氣冷凝時(shí)，若存在不凝性氣體，你認(rèn)為將會(huì)有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？其作答：對換熱系數(shù)影響很大，一般想辦法除去，比如澳化鋰吸收式制冷機(jī)均陪伴真空泵,用就是及時(shí)排除系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。1)會(huì)由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會(huì)損壞壓縮機(jī)。2)空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮?dú)?。這些不凝性氣體會(huì)減少制冷劑的循環(huán)量，使制冷量降低。3)并且不凝性氣體會(huì)滯留在冷凝器的上部管路內(nèi)，致使實(shí)際冷凝面積減小，冷凝負(fù)荷增大，冷凝壓力升高，從而制冷量會(huì)降低。(3)蒸氣冷凝后，將產(chǎn)生冷凝水，如冷凝水不能放出，累積后淹埋加熱銅管，你認(rèn)為將會(huì)有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？答:1)會(huì)由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會(huì)損壞壓縮機(jī)。2)空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮?dú)?/p>