化工原理二對(duì)流傳熱系數(shù)電子教案

化工原理二對(duì)流傳熱系數(shù)電子教案1第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

一、實(shí)驗(yàn)原理1、對(duì)流傳熱過程分析對(duì)流傳熱（對(duì)流給熱）是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。實(shí)質(zhì)上對(duì)流傳熱是流體的對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體流過固體表面時(shí)與固體表面間發(fā)生的熱量交換。這一過程稱為對(duì)流給熱。2第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程3第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理2、對(duì)流傳熱過程的數(shù)學(xué)描述流體被冷卻時(shí)，流體被加熱時(shí)上兩式稱為牛頓冷卻定律。它并非理論推導(dǎo)的結(jié)果，它只是一種推論，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，假設(shè)Q∝t。對(duì)流傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，實(shí)際上由于有效膜厚度難以測(cè)定，牛頓冷卻定律只是給出了計(jì)算傳熱速率簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并未簡(jiǎn)化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)到了當(dāng)中──復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化表示。4第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理影響因素：（1）間壁傳熱由對(duì)流傳熱－導(dǎo)熱－對(duì)流傳熱三個(gè)過程組成。（2）同一管壁界面上的溫度以折線表示，且逐步下降，其層流內(nèi)層熱阻最大，因而溫降也最大。（3）對(duì)流傳熱是由層流內(nèi)層的導(dǎo)熱和層流外層的流體質(zhì)點(diǎn)作相對(duì)位移和傳熱混合的統(tǒng)稱。（4）為簡(jiǎn)化處理，對(duì)流傳熱作為通過厚度的傳熱邊界層的導(dǎo)熱處理。必須指出是不存在的，為了處理問題而假設(shè)的。5第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理3、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素（1）

引起流動(dòng)的原因自然對(duì)流：強(qiáng)制對(duì)流：（2）

流體的物性影響較大的物性有：，，，cp。（3）

流動(dòng)型態(tài)層流：流體中主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大；但Re動(dòng)力消耗大。6第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理（4）傳熱面的形狀、大小和位置

不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使增大。（1）形狀：比如管、板、管束等；（2）大小：比如管徑和管長(zhǎng)等；D/L越小，湍動(dòng)程度越?。?）位置：比如管子得排列方式

對(duì)于一種類型的傳熱面常用一個(gè)對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。（5）是否發(fā)生相變

主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。一般情況下，有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)較大。

7第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

一、實(shí)驗(yàn)原理4、獲得給熱系數(shù)的方法①解析法：對(duì)所考察的流場(chǎng)建立動(dòng)量傳遞、熱量傳遞的衡算方程和速率方程，在少數(shù)簡(jiǎn)單的情況下可以聯(lián)立求解流場(chǎng)的溫度分布和壁面熱流密度，然后將所得結(jié)果改寫成牛頓冷卻定律的形式，獲得給熱系數(shù)的理論計(jì)算式。這是對(duì)流給熱過程的解析解。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般用于理論討論。②數(shù)學(xué)模型法：對(duì)給熱過程作出簡(jiǎn)化的物理模型和數(shù)學(xué)描述，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或修正模型，確定模型參數(shù)。③因次分析法：將影響給熱的因素?zé)o因次化，通過實(shí)驗(yàn)決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系。這是理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法，在對(duì)流給熱中廣為使用。④實(shí)驗(yàn)法：對(duì)少數(shù)復(fù)雜的對(duì)流給熱過程適用。8第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理5、對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立

由于對(duì)流傳熱本身是一個(gè)非常復(fù)雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單表示，把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)到計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)上面。所以，對(duì)流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個(gè)復(fù)雜問題，其影響因素非常多。目前還不能對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。9第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、實(shí)驗(yàn)原理因次分析法

＝f(u，l，，，cp，，g，t)

基本因次，共4個(gè)，長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度t

變量總數(shù)：共8個(gè)因次分析之后，所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個(gè)無因次數(shù)群（由定理8-4=4

）因次分析結(jié)果如下：10第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一11第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

5、對(duì)流傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

在套管換熱器中，環(huán)隙中通水蒸汽，內(nèi)管管內(nèi)通空氣，水蒸冷凝放熱加熱空氣，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)i與總傳熱系數(shù)K

有以下關(guān)系：若一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于另一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，如，則。說明很大的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)K值得影響很小，K值接近小的對(duì)流傳熱系數(shù)值。換句話說，總熱阻由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)所決定。12第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

(1)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系

通過上式計(jì)算出實(shí)測(cè)值i?？梢岳靡阎膇，整理出不同流速下的Nu準(zhǔn)數(shù)與Re準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，也就是確定出式中的C和γ。13第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

（2）Re與Nu的計(jì)算（3）流量的測(cè)量和密度的計(jì)算14第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱器中的進(jìn)、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)。

15第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法。2．測(cè)定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，以檢驗(yàn)通用的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。3.了解對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。

16第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

四、測(cè)量參數(shù)流量壓強(qiáng)溫度管子尺寸17第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

五、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備（1）套管換熱器：光滑管：螺旋槽管：（2）風(fēng)機(jī)型號(hào)：D2—4型微音氣泵；（3）銅電阻：Cu50型；（4）蒸汽發(fā)生器；（5）流量計(jì)；（6）壓差計(jì)。18第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一六、實(shí)驗(yàn)流程圖

1．

蒸汽發(fā)生器

2．壓力表

3．安全閥

4．套管換熱器

5．放氣閥

6．壓力表7．轉(zhuǎn)子流量計(jì)

8．旁通閥

9．風(fēng)機(jī)

10．冷凝水放水閥

11．冷凝水收集罐

p

p

Ｔ

Ｔ123465789101119第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一六、實(shí)驗(yàn)流程圖20第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

七、實(shí)驗(yàn)操作1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作(1).給溫控儀設(shè)定適當(dāng)溫度，加熱；(2).待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，打開蒸汽閥門，使蒸汽進(jìn)入套管環(huán)隙，并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥，以便冷凝水及時(shí)排除。21第21頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一實(shí)驗(yàn)五對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定

2、實(shí)驗(yàn)操作1．等溫度穩(wěn)定后，打開空氣旁通閥，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥門使流量到指定刻度，待穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)2．改變空氣流量，穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。注意:

實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)及時(shí)排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中，盡量不要影響實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性。22第22頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)束

（1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后關(guān)閉風(fēng)機(jī)，最后關(guān)閉總電源開關(guān)。

（2）讀大氣壓力計(jì)值，記錄操作條件下大氣壓強(qiáng)值。2