實驗五 對流給熱系數(shù)測定

1、5對流給熱系數(shù)測定5.1實驗目的（1）測定水蒸汽在圓直水平管外冷凝給熱系數(shù)a0及冷流體（空氣或水）在圓直水平管內(nèi)的強 制對流給熱系數(shù)a.o（2）觀察水蒸汽在圓直水平管外壁上的冷凝狀況（膜狀冷凝和滴狀冷凝）。5.2實驗原理5.2.1.串聯(lián)傳熱過程冷流體（空氣和水）與熱流體水蒸汽通過套管換熱器的內(nèi)管管壁發(fā)生熱量交換的過程可 分為三步：套管環(huán)隙內(nèi)的水蒸汽通過冷凝給熱將熱量傳給圓直水平管的外壁面（A0）；熱量從圓直水平管的外壁面以熱傳導的方式傳至內(nèi)壁面（A.）；內(nèi)壁面通過對流給熱的方式將熱量傳給冷流vc）。1在實驗中，水蒸汽走套管換熱器的環(huán)隙通道，冷流體走套管換熱器的內(nèi)管管內(nèi)，當冷、 熱流體間的傳熱達

2、到穩(wěn)定狀態(tài)后，根據(jù)傳熱的三個過程、牛頓冷卻定律及冷流體得到的熱量， 可以計算出冷熱流體的給熱系數(shù)（以上是實驗原理）。（以下是計算方法）傳熱計算公式如下： TOC o 1-5 h z Q=%A（ T-T ） = a.A.（ t -t） =V p C （t-t）（1）0 0 w m i i w m c c pc 2 1由（1）式可得：V p C (t -1 )(2)c c nc 210 Ay - T )V p C (t -1 ) a = c_c_pc 2U-I J ) m式（2）中，（T-Tw）為水蒸汽溫度與內(nèi)管外壁面溫度之差，式（3）中，（tw-t）為內(nèi)管內(nèi)壁 面溫度與冷流體溫度之差。由于熱流體

3、溫度T、內(nèi)管外壁溫Tw、冷流體溫度t及內(nèi)管內(nèi)壁溫 tw均沿內(nèi)管管長不斷發(fā)生變化，因此，溫差（T-Tw）和（tw-t）也隨管長發(fā)生變化，在用牛頓冷 卻定律算傳熱速率Q時，溫差應分別取進口 （1）與出口（ 2）處兩端溫差的對數(shù)平均值（T-Tw）m 和（t -t），方法如下：(T - T )=W(T - T ) - (T - T )_-1t - Tln 1T - T2 w2(4)(5)wm(t - t)=匕寸-(-2) w mt tIn 1tw2 - 12當套管換熱器的內(nèi)管壁較薄且管壁導熱性能優(yōu)良（即入值較大）時，管壁熱阻可以忽略 不計，可近似認為管壁內(nèi)、外表面溫度相等，即T =t , T =t。，

4、、，w1 w1 w2 w2因此，只要測出冷流體的流量Vc、進出口溫度t1和t2、水蒸汽進出口溫度T1和T2、內(nèi) 管壁溫Tw1和Tw2,根據(jù)定性溫度查出冷流體的物性pc和Cpc，再計算出內(nèi)管的內(nèi)、外表面 積A.和A0,根據(jù)公式（2）和（3）就可計算出水蒸汽的冷凝給熱系數(shù)a0及冷流體的對流給熱系 數(shù)a.o5.2.2.給熱系數(shù)的經(jīng)驗公式Nusselt利用數(shù)值積分法求得純凈蒸汽在水平圓管外表面膜狀冷凝平均給熱系數(shù)的半經(jīng)驗公式:a 0 = 0.725gP2 入 3yM (t t )0 s w0.25(6)式（6）中，蒸汽冷凝潛熱y為飽和蒸汽溫度ts下的數(shù)據(jù)，壁溫tw取進、出口壁溫的平均值 （t + t

5、J/2，冷凝液物性p、入、g取液膜溫度（t+t ）/2下的數(shù)值。因此，只要測出套管換熱器w1 w2s w內(nèi)管的外徑d0,就可算出蒸汽冷凝給熱系數(shù)a0。對低粘度的液體在圓形直管內(nèi)的呈湍流流動且被加熱時，其對流給熱系數(shù)可采用0.4（7）Dittus-Boelter 關(guān)聯(lián)式:=0.023 X di式（7）中的冷流體的物性入、g、p、Cp為冷流體在管內(nèi)進、出口溫度的算術(shù)平均值（J+t2） /2所對應的數(shù)據(jù)，流速u為冷流體體積Vc流量除以管內(nèi)徑di計算的截面積。5.3實驗流程與裝置1本實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、LWQ-25型渦輪流量變送器、變頻器或PS電動調(diào)節(jié) 閥、套管換熱器及溫度傳感器、智能顯示儀表等構(gòu)成

6、。其實驗裝置流程和實驗控制柜面板如 圖5-1、5-2所示。圖5-1水蒸氣水（或空氣）對流給熱系數(shù)測定實驗流程圖蠹汽表 主器1、水泵或旋渦氣泵2、蒸氣發(fā)生器 3、4、旁路閥 5、電動調(diào)節(jié)閥6、蒸汽總閥7、蒸氣調(diào)節(jié)閥8、9、冷凝水排放閥10、水或空氣流量調(diào)節(jié)閥11、惰性氣體排放閥水蒸氣一水體系：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入玻璃套管換熱器，與來自高位槽的水進 行熱交換，冷凝水經(jīng)管道排入地溝。冷水經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥和LWY-15型渦輪流量計進入套管 換熱器內(nèi)管(紫銅管)，熱交換后進入下水道。水流量可用閥門調(diào)節(jié)或電動調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)。2)設(shè)備與儀表規(guī)格紫銅管規(guī)格：直徑中16 X 1.5mm，長度L=1010mm；

7、外套玻璃管規(guī)格：直徑中112X6mm，長度L=1010mm；旋渦氣泵：XGB12型，風量090m3/h，風壓12kPa；壓力表規(guī)格：00.1Mpa。電動調(diào)節(jié)閥：PS渦輪流量計：LWY15流量手/自動控制儀智能流量積算儀(m3h)溫度、壓力巡檢儀 01進口管壁溫度1 02進口管壁溫度2 03進口管壁溫度3 04出口管壁溫度1 05出口管壁溫度2 06出口管壁溫度3 07蒸汽I溫度 08蒸汽II溫度 09水進口溫度水出口溫度套管內(nèi)蒸汽壓力圖52水蒸氣水體系對流給熱系數(shù)測定實驗控制柜面板圖水蒸汽自蒸汽發(fā)生器。途經(jīng)閥、閥由蒸汽分布管進入套管換熱器的環(huán)隙通道，冷凝 水由閥。、閥的排入水溝。冷流體水依次經(jīng)

8、過閥?；螂妱诱{(diào)節(jié)閥。、渦輪流量計。、水或空氣流量調(diào)節(jié)閥9進入套 管換熱器的內(nèi)管，被加熱后排入下水道或放空。5.4操作步驟5.4.1水水蒸汽系統(tǒng)開啟電源。依次打開控制面板上的總電源、儀表電源。啟動旋渦氣泵，調(diào)節(jié)手動調(diào)節(jié)閥9使風量最大。排蒸汽管道的冷凝水。打開閥、閥的，排除套管環(huán)隙中積存的冷凝水，然后適當關(guān)小 閥，注意閥&不能開得太大，否則蒸氣泄漏嚴重。調(diào)節(jié)蒸汽壓力。打開閥，蒸汽從蒸汽發(fā)生器沿保溫管路流至閥。；慢慢打開閥， 蒸汽開始流入套管環(huán)隙并對內(nèi)管的外表面加熱，控制蒸汽壓力穩(wěn)定在0.02MPa,不要超過 0.05MPa，否則蒸汽不夠用。分別測定不同流量下所對應的溫度。當控制面板上的巡檢儀顯示的11個溫度、壓力數(shù)據(jù) 及智能流量積算儀上顯示的空氣流量穩(wěn)定后，記錄下最大空氣流量下的全部的溫度、壓力、 流量數(shù)據(jù)。然后再調(diào)節(jié)閥，分別取最大空氣流量的1/2及1/3,分別記錄下相應流量下的 穩(wěn)定的溫度和壓力數(shù)據(jù)，這樣總共有3個實驗點。實驗結(jié)束后，關(guān)閉蒸汽閥C和閥，關(guān)閉儀表電源及總電源。5.4.