空氣—蒸汽對流給熱系數測定實驗報告及數據、答案

1、.空氣蒸汽對流給熱系數測定一、實驗目的通過對空氣水蒸氣光滑套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數1的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。并應用線性回歸分析方法，確定關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的值。通過對管程內部插有螺紋管的空氣水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準數關聯式Nu=BRem中常數B、m的值和強化比Nu/Nu0，了解強化傳熱的根本理論和根本方式。二、實驗裝置本實驗設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，內管為紫銅材質，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調節(jié)閥調節(jié)，經孔板流量計，由支路控制閥選擇不同的

2、支路進入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經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流動的空氣，到達逆流換熱的效果。飽和蒸汽由配套的電加熱蒸汽發(fā)生器產生。該實驗流程圖如圖1所示，其主要參數見表1。表1 實驗裝置構造參數實驗內管內徑dimm16.00實驗內管外徑domm17.92實驗外管內徑Dimm50實驗外管外徑Domm52.5總管長紫銅內管Lm1.30測量段長度lm1.10蒸汽溫度空氣出口溫度空氣入口溫度蒸汽壓力空氣壓力孔板流量計測量空氣流量圖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旋渦氣泵；5

3、旁路調節(jié)閥；6孔板流量計；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放水口；14液位計；16加水口； 三、實驗內容1、光滑管測定68個不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數1。對1的實驗數據進展線性回歸，求關聯式Nu=ARem中常數A、m的值。2、波紋管測定68個不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數1。對1的實驗數據進展線性回歸，求關聯式Nu=BRem中常數B、m的值。四、實驗原理 1準數關聯 影響對流傳熱的因素很多，根據因次分析得到的對流傳熱的準數關聯為：Nu=CRemPrnGrl 1式中C、m、n、l為待定參數。參加傳熱的流體、流態(tài)及溫度等不同，待定參數

4、不同。目前，只能通過實驗來確定特定X圍的參數。本實驗是測定空氣在圓管內作強制對流時的對流傳熱系數。因此，可以忽略自然對流對傳熱膜系數的影響，那么Gr為常數。在溫度變化不太大的情況下，Pr可視為常數。所以，準數關聯式1可寫成NuCRem 2待定參數C和m可通過實驗測定蒸汽、空氣的有關數據后，對式2取對數，回歸求得直線斜率和截距。 2傳熱量計算 努塞爾數Nu或1無法直接用實驗測定，只能測定相關的參數并通過計算求得。當通過套管環(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式計算。 QWecpct2

5、t1= V1cpct2t1 3 根據熱傳遞速率 QKStm 4所以 KStm=V1cpct2t1 5式中：Q換熱器的熱負荷即傳熱速率，kJs； We冷流體的質量流量，kgs； V冷流體空氣的體積流量，m3/s；1一冷流體空氣的密度，kgm3； K換熱器總傳熱系數，W/m2·； Cpc一一冷流體空氣的平均比定壓熱容，kJ/kg·K； S傳熱面積，m2；tm蒸汽與空氣的對數平均溫度差，。 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K。 3傳熱膜系數的計算 當傳熱面為平壁或者當管壁很薄時，總的傳熱阻力和傳熱分阻力的關系可表示為：式中：l空

6、氣在圓管中強制對流的傳熱膜系數，Wm2·；2蒸汽冷凝時的傳熱膜系數，Wm2·。當管壁熱阻可以忽略內管為黃銅管而且壁厚b較薄，黃銅導熱系數比擬大時，7 蒸汽冷凝傳熱膜系數遠遠大于空氣傳熱膜系數，那么K1。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K值，由此求得空氣傳熱膜系數1。 4努塞爾數和雷諾數的計算式中：空氣導熱系數，Wm·；一空氣的粘度，Pa·s； d套管換熱器的內管平均直徑，m；1進口溫度t1時的空氣密度，kgm3。 由于熱阻主要集中在空氣一側，本實驗的傳熱面積S取管子的內外表較為合理，即Sdl

7、本裝置d=00178 m，l=1327m。 5空氣流量和密度的計算 空氣密度1可按理想氣體計算：式中：pa當地大氣壓，Pa ； t孔板流量計前空氣溫度，可取t=t1； 空氣的流量由 14噴嘴流量計測量，合并常數后，空氣的體積流量可由11式計算11式中：C0合并整理的流量系數，其值為C0=0001233； R噴嘴流量計的壓差計示值，mmH2O。 V1空氣的體積流量，m3s。五、實驗操作1實驗前的準備 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節(jié)閥是否全開。 3檢查普通管支路各控制閥是否已翻開，保證蒸汽和空氣管路的暢通。 4接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電熱鍋爐開關，開場加熱。2

8、實驗開場 1當蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動旋渦氣泵并運行一段時間，保證實驗開場時空氣入口溫度穩(wěn)定。 2調節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使孔板流量計的壓差計讀數為所需的空氣流量值。 3穩(wěn)定58分鐘左右讀取壓差計讀數，讀取空氣入口、出口的溫度值、溫度測量可采用熱電偶或溫度計、空氣壓力值p1、空氣入、出口之間壓力差p2、蒸汽溫度值t3及壓力值p3,孔板流量計讀數p4。 4調節(jié)空氣流量，重復3與4共測610組數據注意：在空氣入、出口之間壓力差p2最大值與最小值之間可分為6-10段。 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據。3實驗完畢 1關閉加熱器開

9、關。 2過5分鐘后關閉鼓風機，并將旁路閥全開。 3切斷總電源。六、實驗考前須知1、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常X圍內。特別是每個實驗完畢后，進展下一實驗之前，如果發(fā)現水位過低，應及時補給水量。2、必須保證蒸汽上升管線的暢通。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉控制閥必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。3、必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，三個空氣支路控制閥之一和旁路調節(jié)閥見圖1所示必須全開。在轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉控制閥。4、調節(jié)流量后，應至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實驗數據。5、套管換熱器中積累的熱水要及時放掉，以免影響蒸

10、汽傳熱。七、實驗記錄及數據處理1.給熱系數K的計算序號1234567空氣進口處密度 Kg/m³1.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192空氣質量流量m2 Kg/s0.00190.00240.0030.00350.00410.00460.005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Kg/m³1.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、熱流體間的對數平均溫差tm58.557.9

11、157.6357.4256.7455.8546.08總給熱系數K w/·29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362.2理論值的計算序號1234567對流給熱系數2 w/·29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空氣黏度×10-5Pa·s1.9221.9241.9251.9251.931.9341.939空氣導熱系數 W/m·K0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數 Re8058.0569397.75511505.06413529.83315

12、713.9917672.40519209.413普蘭特數 Pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努賽爾數 Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.492理論值 2 w/·45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努賽爾數理論值 Nu'26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.163.2理論值與實驗值比擬序號12345672理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.962實驗值29.8437.4247.154.7964.8173.38

13、95.362相對誤差0.34480.28050.23340.21650.17720.1468-0.0258誤差分析：1. 迪圖斯-貝爾特公式有條件X圍，而實驗數據并非全在其適用X圍內，用此公式算出的Nu和2誤差就可能較大。2. 實驗時，等待時間缺乏，導致數據未穩(wěn)定時就記錄了。序號1234567ln(Nu/Pr0.4)33.223.313.593.763.894.12ln(Re)8.999.159.359.519.669.789.86 冷流體給熱系數的準數式：Nu/Pr0.4=APrm ln(Nu/Pr0.4)=lnA+m ln(Re) lnA=-7.9273 ，A=0.0256 m=1.212

14、4另附上原始實驗數據：序號冷空氣熱蒸汽流量m3/h進口溫度進口溫度進口溫度進口溫度15.27 19.20 64.20 103.10 103.00 27.30 19.50 64.60 102.90 102.80 38.95 19.80 65.00 103.00 102.90 410.60 20.30 65.20 103.10 103.00 512.30 21.00 65.80 103.10 103.00 613.90 22.00 66.50 103.10 102.90 715.20 23.30 67.20 102.90 102.90 4、對實驗結果進展分析與討論。從圖像中線性回歸方程的相關系數來

15、看，實驗數據結果不是很準確，特別是螺紋管。產生誤差的來源很多，讀數不穩(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果有一定的偏差。而且在處理數據時，采用很多近似處理，而實際實驗時很多的條件并不穩(wěn)定。在實驗過程中采用改變空氣流量來調節(jié)，但是在改變空氣流量的同時，其他的數據也會改變，比方說空氣出口溫度，而且在改變的過程中，要經過一段時間空氣出口溫度才會穩(wěn)定，而我們測定的溫度一定要是這個穩(wěn)定的溫度，所以在測定中沒有經過足夠長的時間導致測定的溫度不是穩(wěn)定的溫度，所以實驗時要注意等待五到十分鐘待數據比擬穩(wěn)定時，這樣實驗結果就比擬準確。八、思考題 1影響傳熱膜系數的因素有哪些.答

16、：膜的厚度，液體的物性，以及壓力溫度。還有材料的分子構造及其化學成份、材料重度、材料濕度狀況和溫度狀況。2在蒸氣冷凝時，假設存在不凝性氣體，你認為將會有什么影響.應該采取什么措施.答：對換熱系數影響很大，一般想方法除去，比方溴化鋰吸收式制冷機均陪伴真空泵，其作用就是及時排除系統(tǒng)內的不凝性氣體。1會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導致系統(tǒng)停機。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機。2空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮氣。這些不凝性氣體會減少制冷劑的循環(huán)量，使制冷量降低。3并且不凝性氣體會滯留在冷凝器的上部管路內，致使實際冷凝面積減小，冷凝負荷增大，冷凝壓力升高，從而制冷量會降低。3蒸氣冷凝后，將產生冷凝水，如冷凝水不能放出，累積后淹埋加熱銅管，你認為將會有什么影響.應該采取什么措施.答:1會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導致系統(tǒng)停機。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機。2空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體