化工原理二對流傳熱系數(shù)電子教案

1,第四章、實驗,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,2,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,一、實驗原理 1、對流傳熱過程分析 對流傳熱（對流給熱）是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動狀況密切相關(guān)。實質(zhì)上對流傳熱是流體的對流與熱傳導共同作用的結(jié)果。工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體流過固體表面時與固體表面間發(fā)生的熱量交換。這一過程稱為對流給熱。,3,一、實驗原理,熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程,4,一、實驗原理,2、對流傳熱過程的數(shù)學描述 流體被冷卻時， 流體被加熱時 上兩式稱為牛頓冷卻定律。它并非理論推導的結(jié)果，它只是一種推論，是一個實驗定律，假設Qt。對流傳熱是一個非常復雜的物理過程，實際上由于有效膜厚度難以測定，牛頓冷卻定律只是給出了計算傳熱速率簡單的數(shù)學表達式，并未簡化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都歸結(jié)到了當中復雜問題簡單化表示。,5,一、實驗原理,影響因素： （1）間壁傳熱由對流傳熱導熱對流傳熱三 個過程組成。 （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）對流傳熱是由層流內(nèi)層的導熱和層流外層 的流體質(zhì)點作相對位移和傳熱混合的統(tǒng)稱。 （4）為簡化處理，對流傳熱作為通過厚度 的 傳熱邊界層的導熱處理。必須指出是不存 在的，為了處理問題而假設的。,6,一、實驗原理,3、影響對流傳熱系數(shù)的因素 （1） 引起流動的原因 自然對流： 強制對流： （2） 流體的物性 影響較大的物性有：，cp。 （3） 流動型態(tài) 層流：流體中主要依靠熱傳導的方式傳熱。由于流體的導熱系數(shù)比金屬的導熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。 湍流：質(zhì)點充分混合且層流底層變薄，較大；但Re動力消耗大。,7,一、實驗原理,（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；會造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動，使增大。 （1）形狀：比如管、板、管束等； （2）大小：比如管徑和管長等；D/L越小，湍動程度越小 （3）位置：比如管子得排列方式 對于一種類型的傳熱面常用一個對對流傳熱系數(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，有相變化時對流傳熱系數(shù)較大。,8,一、實驗原理,4、獲得給熱系數(shù)的方法 解析法：對所考察的流場建立動量傳遞、熱量傳遞的衡算方程和速率方程，在少數(shù)簡單的情況下可以聯(lián)立求解流場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)的理論計算式。這是對流給熱過程的解析解。這是一個復雜的過程，一般用于理論討論。 數(shù)學模型法：對給熱過程作出簡化的物理模型和數(shù)學描述，用實驗檢驗或修正模型，確定模型參數(shù)。 因次分析法：將影響給熱的因素無因次化，通過實驗決定無因次準數(shù)之間的關(guān)系。這是理論指導下的實驗研究方法，在對流給熱中廣為使用。 實驗法：對少數(shù)復雜的對流給熱過程適用。,9,一、實驗原理,5、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立 由于對流傳熱本身是一個非常復雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復雜問題簡單表示，把復雜問題轉(zhuǎn)到計算對流傳熱系數(shù)上面。所以，對流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個復雜問題，其影響因素非常多。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導它的計算式，只能通過實驗得到其經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。,10,一、實驗原理,因次分析法 f(u，l，cp，g，t) 基本因次，共4個，長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度t 變量總數(shù)：共8個 因次分析之后，所得準數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個無因次數(shù)群 （由定理 8-4 = 4 ） 因次分析結(jié)果如下：,11,12,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,5、對流傳熱系數(shù)的實驗測定 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，當傳熱達到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)i與總傳熱系數(shù)K 有以下關(guān)系： 若一側(cè)的對流傳熱系數(shù)遠小于另一側(cè)的對流傳熱系數(shù)時，如 ，則 。說明很大的對流傳熱系數(shù)對K值得影響很小，K 值接近小的對流傳熱系數(shù)值。換句話說，總熱阻由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱系數(shù)所決定。,13,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,(1)對流傳熱系數(shù)的計算 根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系,通過上式計算出實測值i。 可以利用已知的i，整理出不同流速下的Nu準數(shù)與Re準數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，也就是確定出式中的C和。,14,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,（2）Re與Nu的計算 （3）流量的測量和密度的計算,15,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,二、實驗內(nèi)容 測定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱 器中的進、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對 流傳熱系數(shù)。,16,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,三、實驗目的 1掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法。 2測定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強制對流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準數(shù)關(guān)聯(lián)式，以檢驗通用的對流傳熱準數(shù)關(guān)聯(lián)式。 3.了解對流傳熱系數(shù)的影響因素和強化傳熱的 途徑。,17,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,四、測量參數(shù) 流量 壓強 溫度 管子尺寸,18,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,五、實驗所需儀器設備 （1）套管換熱器：光滑管：螺旋槽管： （2）風機型號：D24型微音氣泵； （3）銅電阻：Cu50型； （4）蒸汽發(fā)生器； （5）流量計； （6）壓差計。,19,六、實驗流程圖,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 8旁通閥 9風機 10冷凝水放水閥 11冷凝水收集罐,1,2,3,4,6,5,7,8,9,10,11,20,六、實驗流程圖,21,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,七、實驗操作 1. 實驗前準備工作 (1). 給溫控儀設定適當溫度，加熱； (2).待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設定溫度時，打開蒸汽閥門，使蒸汽進入套管環(huán)隙，并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥，以便冷凝水及時排除。,22,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,2、實驗操作 1等溫度穩(wěn)定后，打開空氣旁通閥，開啟風機，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: 實驗過程中應及時排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中，盡量不要影響實驗操作的穩(wěn)定性。,23,3、實驗結(jié)束 （1）實驗結(jié)束后，先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后關(guān)閉風機，最后關(guān)閉總電源開關(guān)。 （2）讀大氣壓力計值，記錄操作條件下大氣壓強值。,24,八、思考題,1實驗過程中，蒸汽溫度改變對實驗結(jié)果有什么影響？如何保持蒸汽溫度恒定？ 2本實驗中，空氣與蒸汽流徑能否改變？這樣安排的優(yōu)點是什么？ 3實驗過程中，如何判斷傳熱達到穩(wěn)定？ 4.蒸汽冷凝過程中不凝性氣體存在對實驗結(jié)果會有什么影響？應采取什么措施解決？,