空氣-蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告與數(shù)據(jù)、答案

化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)空氣—蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑蓖ㄟ^對(duì)空氣—水蒸氣光滑套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)α的測(cè)定方法，1加深對(duì)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=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。⒉通過對(duì)管程內(nèi)部插有螺紋管的空氣—水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 Nu=BRem中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比 Nu/Nu0，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d（mm）16.00i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(zhǎng)（紫銅內(nèi)管）L（m）1.301化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)測(cè)量段長(zhǎng)度l（m）1.102化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)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(jì)測(cè)量空氣流量圖1 空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1— 光滑套管換熱器； 2—螺紋管的強(qiáng)化套管換熱器； 3—蒸汽發(fā)生器； 4—旋渦氣泵；3化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)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； 15—放水口； 14—液位計(jì)； 16—加水口；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、光滑管①測(cè)定6～8個(gè)不同流速下光滑管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)1。α②對(duì) α1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式 Nu=ARem中常數(shù)A、m的值。、波紋管①測(cè)定6～8個(gè)不同流速下波紋管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù) α1。②對(duì)1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。α四、實(shí)驗(yàn)原理1．準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)影響對(duì)流傳熱的因素很多，根據(jù)因次分析得到的對(duì)流傳熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)為：Nu=CRemPrnGrl（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)來確定特定范圍的參數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定空氣在圓管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。 因此，可以忽略自然對(duì)流對(duì)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Nu＝CRem （2）du V其中：Red4dNu ,50℃時(shí)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù) 0.02826W/(m.K)4化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)待定參數(shù) C和m可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定蒸汽、空氣的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對(duì)式（ 2）取對(duì)數(shù)，回歸求得直線斜率和截距。mRe因此： cd2．傳熱量計(jì)算努塞爾數(shù) Nu或α1無法直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，只能測(cè)定相關(guān)的參數(shù)并通過計(jì)算求得。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。epc211pc21）（3）Q＝Wc（t－t）=Vρc（t－t根據(jù)熱傳遞速率Q＝KStm（4）所以KSt=Vρcpc（t－t）（5）m121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；ρ1一冷流體（空氣）的密度， kg／m3；K——換熱器總傳熱系數(shù)， 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(duì)數(shù)平均溫度差，℃?？諝獾牧髁考皟煞N流體的溫度等可以通過各種測(cè)量?jī)x表測(cè)得。 綜合上面各式即可算出傳5化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)熱總系數(shù) K。3．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：1 1 b 1(6)K12式中：αl——空氣在圓管中強(qiáng)制對(duì)流的傳熱膜系數(shù)， W／（m2·℃）；α2——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)λ比較大）時(shí)，1 1 1 1（7）K 1 2 1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≈α1。因此，只要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)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(shù) K值，由此求得空氣傳熱膜系數(shù)α 1。4．努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計(jì)算du1dV1V1Re2(8)dd44dKdV1cpc(t2t1)dNu(9)S tm式中：λ——空氣導(dǎo)熱系數(shù)， W／（m·℃）；μ一空氣的粘度， Pa·s；d——套管換熱器的內(nèi)管平均直徑， m；ρ1——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＝πdl6化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)本裝置 d=0．0178m ，l=1．327m。．空氣流量和密度的計(jì)算Pp 2731 1.29 (10)101330 273 t空氣密度ρ 1可按理想氣體計(jì)算：式中：pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮海?Pa ；t——孔板流量計(jì)前空氣溫度，℃，可取 t=t1；空氣的流量由 1／4噴嘴流量計(jì)測(cè)量，合并常數(shù)后，空氣的體積流量可由（ 11）式計(jì)算RV1 C01（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， mmH2O。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（℃）穩(wěn)定。7化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)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 t1、t2（溫度測(cè)量可采用熱電偶或溫度計(jì)） 、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(jì)讀數(shù) p4。（4）調(diào)節(jié)空氣流量，重復(fù)（3）與（4）共測(cè)6－10組數(shù)據(jù)（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(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、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 5～10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。8化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)給熱系數(shù)K的計(jì)算序號(hào)空氣進(jìn)口處密度 ρKg/m3空氣質(zhì)量流量 m2Kg/s空氣流速 u m/s空氣定性溫度 t平均 ℃定性溫度下的空氣密度 ρ’Kg/m3冷、熱流體間的對(duì)數(shù)平均溫差△ tm℃總給熱系數(shù) Kw/㎡·℃

12345671.2091.2081.2061.2041.2021.1971.1920.00190.00240.0030.00350.00410.00460.0057.9810.0912.3714.561719.2121.0141.742.0542.442.7543.444.2545.251.2131.121.1191.1181.1151.1121.10858.557.9157.6357.4256.7455.8546.0829.8437.4247.154.7964.8173.3895.36七、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理2..α2理論值的計(jì)算序號(hào)對(duì)流給熱系數(shù) α2w/㎡·℃空氣黏度 μ（×10∧-5Pa·s）空氣導(dǎo)熱系數(shù) λW/m·K

123456729.8437.4247.154.7964.8173.3895.361.9221.9241.9251.9251.931.9341.9390.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數(shù)Re8058.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.413普蘭特?cái)?shù)Pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努賽爾數(shù)Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.49α2理論值α2’w/㎡·℃45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努賽爾數(shù)理論值Nu'26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.16α2理論值與實(shí)驗(yàn)值比較序號(hào)1234567α2理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96α2實(shí)驗(yàn)值29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36α2相對(duì)誤差0.34480.28050.23340.21650.17720.1468-0.02589化工原理實(shí)驗(yàn) 對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)誤差分析：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α2’誤差就可能較大。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(hào)1234567ln(Nu/Pr0.43.223.313.593.763.894.12)3ln(Re)8.999.159.359.519.669.789.860.4 m冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式： Nu/Pr =APrln(Nu/Pr0.4)=lnA+mln(Re)lnA=-7.9273 ，A=0.0256 m=1.2124另附上原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：冷空氣熱蒸汽序號(hào)流量進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度3）（℃）（℃）（℃）（℃）（m/h15.2719.2064.20103.10103.0027.3019.5064.60102.90102.8038.9519.8065.00103.00102.9010化工原理實(shí)驗(yàn)對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)410.6020.3065.20103.10103.00512.3021.0065.80103.10103.00613.9022.0066.50103.10102.90715.2023.3067.20102.90102.904、對(duì)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(cè)定的溫度一定要是這個(gè)穩(wěn)定的溫度， 所以在測(cè)定中沒有經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間導(dǎo)致測(cè)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？答：對(duì)換熱系數(shù)影響很大，一般想辦法除去， 比如溴化鋰吸收式制冷機(jī)均陪伴真空泵， 其作用就是及