傳熱膜系數(shù)測(cè)定

PAGE6-傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、報(bào)告摘要在工業(yè)生產(chǎn)中，要實(shí)現(xiàn)熱量的交換，須采用一定的設(shè)備，此種交換的設(shè)備稱為換熱器?；どa(chǎn)中所指的換熱器，常指間壁式換熱器，它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開(kāi)，熱流體將熱傳到壁面的另一側(cè)（對(duì)流傳熱），通過(guò)堅(jiān)壁內(nèi)的熱傳遞再由間壁的另一側(cè)將熱傳遞給冷流體。從而使熱流體物流被冷卻，冷流體被加熱，滿足化工生產(chǎn)中對(duì)冷物流或熱物流溫度的控制要求。對(duì)流傳熱的核心問(wèn)題是求算傳熱膜系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中，可用圖解法和最小二乘法計(jì)算準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。二、目的及任務(wù)掌握傳熱膜系數(shù)的測(cè)定方法；測(cè)定強(qiáng)化與非強(qiáng)化傳熱過(guò)程中，傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的系數(shù)A和指數(shù)m、n；測(cè)定套管換熱器的靜壓損失與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系；通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高對(duì)傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的理解，并分析影響傳熱膜系數(shù)的因素，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施。三、基本原理對(duì)流傳熱的核心問(wèn)題是求算傳熱膜系數(shù)，當(dāng)流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：對(duì)于強(qiáng)制湍流而言，Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略，故本實(shí)驗(yàn)中，可用圖解法和最小二乘法計(jì)算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，要對(duì)不同變量Re和Pr分別回歸。本實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化上式，即取n＝0.4（流體被加熱）。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取?duì)數(shù)，即得到直線方程：在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點(diǎn)的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即：用圖解法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)確定直線位置有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用微機(jī)，對(duì)多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時(shí)得到A、m、n。對(duì)于方程的關(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為：,,實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量以改變Re準(zhǔn)數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）計(jì)算對(duì)應(yīng)的Pr準(zhǔn)數(shù)值。同時(shí)，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)α值進(jìn)而算得Nu準(zhǔn)數(shù)值。牛頓冷卻定律：式中：α——傳熱膜系數(shù)，[W/m2·℃]；Q——傳熱量，[W]；A——總傳熱面積[m2]。Δtm——管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，[℃]傳熱量可由下式求得：式中：W——質(zhì)量流量，[kg/h]；Cp——流體定壓比熱，[J/kg·℃]；t1、t2——流體進(jìn)、出口溫度[℃]；ρ——定性溫度下流體密度，[kg/m3]；V——流體體積流量，[m3/s]。四、裝置和流程圖一、套管式換熱器實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖1、蒸汽發(fā)生器2、蒸汽管3、補(bǔ)水口4、補(bǔ)水閥5、排水閥6、套管換熱器7、放氣閥8、冷凝水回流管9、空氣流量調(diào)節(jié)閥10、壓力（壓差）傳感器11、孔板流量計(jì)12、空氣管13、風(fēng)機(jī)五、操作要點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先熟悉配電箱各按鈕與設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便正確開(kāi)啟按鈕；檢查蒸汽發(fā)生器中水位，使液位保持在1/2—2/3；打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)及儀表開(kāi)關(guān)；實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，打開(kāi)排放不凝氣閥門(mén)（有一點(diǎn)開(kāi)度即可）；待蒸汽產(chǎn)生后，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)（風(fēng)機(jī)閥門(mén)不要長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉），將空氣流量控制在某一定值。待進(jìn)出口溫度、壁溫穩(wěn)定后，記錄進(jìn)出口溫度、壁溫和壓差（壓力）讀數(shù)。改變空氣流量（8—10次），重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)；強(qiáng)化傳熱，在上述實(shí)驗(yàn)完成后，將強(qiáng)化元件插入銅管中，再改變空氣流量（4-5次）并記錄數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風(fēng)機(jī)，清理現(xiàn)場(chǎng)。六、注意事項(xiàng)：蒸汽發(fā)生器液位一定不要太低，以免燒損加熱器；風(fēng)機(jī)不要在出口閥關(guān)閉下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；不凝氣排放閥在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)始終微開(kāi)；調(diào)節(jié)空氣流量時(shí)，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板流量計(jì)壓差可在30—300mmH2O之間調(diào)節(jié)；切記每改變一個(gè)流量后，應(yīng)等到數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再測(cè)取數(shù)據(jù)。七、數(shù)據(jù)處理表1：直管入口溫度出口溫度壁溫1壁溫2壓差計(jì)度數(shù)/千帕傳熱膜系數(shù)Nu準(zhǔn)數(shù)Re準(zhǔn)數(shù)Pr準(zhǔn)數(shù)29.659.4100.299.83.68115.7283.24540880.697435.264.8100.199.92.98112.4879.74467660.696336.166.2100.299.82.38103.6373.24411470.6960735.966.7100.199.91.8492.6665.46357780.6960434.966.9100.199.91.3681.3957.56304590.6961233.766.9100.11000.9568.9148.81251810.6962432.367100.11000.6357.2240.60202470.696373166.9100.11000.5252.8537.57183280.696513066.9100.1100.10.4248.0334.19163780.6966129.167100.11000.3343.1730.76144120.69669計(jì)算舉例：以第一組數(shù)據(jù)為例空氣的定性溫度t=t入+t出/2=(29.6+59.4)/2=44.5對(duì)數(shù)平均溫度：Δtm=tw1-t入-tw2+t出=(100.2-29.6-99.8+59.4)/LN((100.2-29.6)/(99.8-59.4))=54.1密度：ρ=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*44.5=1.12㎏/m3黏度：μ=(1.71+0.005*t)/100000=(1.71+0.005*44.5)/100000=0.0000193Pa·s傳熱系數(shù)：λ=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*44.5)/100=0.0278W/m·K流速:u=26.2*(ΔP)^0.54/(0.25*3.14*d^2)/3600=26.2*(3.68)^0.54/(0.25*3.14*0.02^2)/3600=46.84m/s傳熱量：Q=ρ*26.2*(ΔP)^0.54*(t出-t入)*Cp/3600=1.12*26.2*(3.68)^0.54*(59.4-29.6)*1005/3600=491W傳熱膜系數(shù)：α=Q/Δtm/(3.14*d*l)=491/54.1/(3.14*0.02*1.25)=115.7W/m2·KNu準(zhǔn)數(shù)：Nu=α*d/λ=115.7*0.02/0.0278=83.24Re準(zhǔn)數(shù)：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.12*46.84/0.0000193=54088Pr準(zhǔn)數(shù)：Pr=0.7063-2*t/10000=0.7063-2*44.5/10000=0.6974入口溫度出口溫度壁溫1壁溫2壓差計(jì)度數(shù)/千帕傳熱膜系數(shù)Nu準(zhǔn)數(shù)Re準(zhǔn)數(shù)Pr準(zhǔn)數(shù)36.177.7100.1100.11.57133.8293.18317970.6949241.181.3100.3100.11.01113.0577.85244420.694064081.9100.4100.20.7197.3967.11202360.694113882.6100.2100.10.4581.2356.07158780.694243683.6100.3100.30.2563.1143.62115940.694344081.9100.4100.20.2150.4534.76104820.69411表2：強(qiáng)化傳熱計(jì)算舉例：以第一組數(shù)據(jù)為例空氣的定性溫度t=t入+t出/2=(36.1+77.7)/2=56.9對(duì)數(shù)平均溫度：Δtm=tw1-t入-tw2+t出=(100.1-36.1-100.1+77.7)/LN((100.1-36.1)/(100.1-77.7))=54.1密度：ρ=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*56.9=1.072㎏/m3黏度：μ=(1.71+0.005*t)/100000=(1.71+0.005*56.9)/100000=0.0000199Pa·s傳熱系數(shù)：λ=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*56.9)/100=0.0287W/m·K流速:u=26.2*(ΔP)^0.54/(0.25*3.14*d^2)/3600=26.2*(1.57)^0.54/(0.25*3.14*0.02^2)/3600=29.57m傳熱量：Q=ρ*26.2*(ΔP)^0.54*(t出-t入)*Cp/3600=1.072*26.2*(1.57)^0.54*(77.7-36.1)*1005/3600=416W傳熱膜系數(shù)：α=Q/Δtm/(3.14*d*l)=416/54.1/(3.14*0.02*1.25)=133.8W/m2·KNu準(zhǔn)數(shù)：Nu=α*d/λ=133.8*0.02/0.0287=93.18Re準(zhǔn)數(shù)：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.072*29.57/0.0000199=31797Pr準(zhǔn)數(shù)：Pr=0.7063-2*t/10000=0.7063-2*56.9/10000=0.69492八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論如圖所示：m=k=0.820A=10-1.860=0.014如圖所示：m=k=0.843A=10-1.748=0.018九、思考題1.本實(shí)驗(yàn)中管壁溫度應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：接近蒸汽溫度。因?yàn)檎羝淠齻鳠崮は禂?shù)a(蒸汽)>>a(空氣)。2