對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx

浙 江 大 學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：過(guò)程工程原理實(shí)驗(yàn)甲實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定指導(dǎo)教師： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 同組學(xué)生： 實(shí)驗(yàn)日期： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?二、實(shí)驗(yàn)流程與裝置2三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理31.間壁式傳熱基本原理32.空氣流量的測(cè)定53.空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定53.1牛頓冷卻定律法53.2近似法63.3簡(jiǎn)易Wilson圖解法64.擬合實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)方程式75.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式7四、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟8五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理91.原始數(shù)據(jù)：92.數(shù)據(jù)處理9六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果12七、實(shí)驗(yàn)思考13一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?）掌握空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法，了解影響傳熱系數(shù)的 因素和強(qiáng)化傳熱的途徑；2）把測(cè)得的數(shù)據(jù)整理成 Nu=ARen 形式的準(zhǔn)數(shù)方程，并與教材中公認(rèn) 經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行比較；3）了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動(dòng)控制原理和使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)流程與裝置 本實(shí)驗(yàn)流程圖（橫管）如下圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量計(jì)、變頻器、套管換熱器（強(qiáng)化管和普通管）及溫度傳感器、只能顯示儀表等構(gòu)成。 空氣-水蒸氣換熱流程：來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器，與被風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的空氣進(jìn)行換熱交換，不凝氣或未冷凝蒸汽通過(guò)閥門(mén)（F3和F4）排出，冷凝水經(jīng)排出閥（F5和F6）排入盛水杯?？諝庥娠L(fēng)機(jī)提供，流量通過(guò)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動(dòng)控制，空氣經(jīng)孔板流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管，熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排出。 注意：普通管和強(qiáng)化管的選?。涸趯?shí)驗(yàn)裝置上是通過(guò)閥門(mén)（F1和F2）進(jìn)行切換，儀表柜上通過(guò)旋鈕進(jìn)行切換，電腦界面上通過(guò)鼠標(biāo)選擇，三者必學(xué)統(tǒng)一。 圖1 橫管對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程圖圖中符號(hào)說(shuō)明如下表：符號(hào)名稱(chēng)單位備注V空氣流量m3/h紫銅管規(guī)格191.5mm有效長(zhǎng)度1020mmF1，F(xiàn)2為管路切換閥門(mén)F3，F(xiàn)4為不凝氣排出閥F5，F(xiàn)6為冷凝水排出閥t1空氣進(jìn)口溫度t2普通管空氣出口溫度t3強(qiáng)化管空氣出口溫度T1蒸汽發(fā)生器內(nèi)的蒸汽溫度T2普通管空氣出口端銅管外壁溫度T3普通管空氣進(jìn)口端銅管外壁溫度T4普通管外蒸汽溫度T5強(qiáng)化管空氣出口端銅管外壁溫度T6強(qiáng)化管空氣進(jìn)口端銅管外壁溫度T7強(qiáng)化管外蒸汽溫度三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進(jìn)行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動(dòng)，兩流體不直接接觸，通過(guò)固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換。 本裝置主要研究汽-氣綜合換熱，包括普通管和加強(qiáng)管。其中，水蒸氣和空氣通過(guò)紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強(qiáng)管，是在紫銅管內(nèi)加了彈簧，增大了絕對(duì)粗糙度，進(jìn)而增大了空氣流動(dòng)的湍流程度，是換熱效果更明顯。1.間壁式傳熱基本原理如圖2所示，間壁式傳熱過(guò)程由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱組成。圖2 間壁式傳熱過(guò)程示意圖間壁式傳熱元件，在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，有： Q=m1cp1T1-T2=m2cp2t2-t1 =1A1(T-Tw)m=2A2(tw-t)m =KAtm(1)熱流體與固體壁面的對(duì)流平均溫差可由（2）式計(jì)算： (T-Tw)m=T1-Tw1-(T2-Tw2)lnT1-Tw1T2-Tw2（2）固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由（3）式計(jì)算： (t-tw)m=t1-tw1-(t2-tw2)lnt1-tw1t2-tw2（3）熱、冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由（4）式計(jì)算： tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1（4）式中：Q -熱流量，J/s； m1, m2-分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s cp1，cp2-分別為定性溫度下熱、冷流體的比熱，J/(kg) T1，T2-分別為熱流體的進(jìn)出口溫度， t2，t1-分別為冷流體的進(jìn)出口溫度， 1，2-分別為熱、冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2) A1，A2-分別為熱、冷流體的傳熱面積，m2 (T-Tw)m，(t-tw)m-分別為熱、冷流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差， K-以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/(m2) A-平均傳熱面積，m2 tm-冷、熱流體的対數(shù)平均溫差，由實(shí)驗(yàn)裝置流程圖可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)化管或普通管換熱，熱流體是蒸汽，冷流體是空氣。2.空氣流量的測(cè)定空氣在無(wú)紙記錄儀上現(xiàn)實(shí)的體積流量，與空氣流過(guò)孔板時(shí)的密度有關(guān)，考慮到實(shí)際過(guò)程中，空氣的進(jìn)口溫度不是定值，為了處理上的方便，無(wú)紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板出的空氣密度0當(dāng)作1kgm3時(shí)的讀數(shù)，因此，如果空氣實(shí)際密度不等于該值，則空氣的實(shí)際體積流量應(yīng)該由下式進(jìn)行校正： V=V0（5）空氣質(zhì)量流量m:m=V0（6）式中：V-空氣實(shí)際體積流量，m3/s V-無(wú)紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，m3/s 0-空氣在孔板處的密度，kg/m3,本實(shí)驗(yàn)中0即為空氣在進(jìn)口問(wèn)題t1下對(duì)應(yīng)的溫度。3.空氣在傳熱管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定 3.1牛頓冷卻定律法 在本裝置的套管加熱器中，環(huán)隙內(nèi)通空氣，水蒸氣在紫銅管表面冷凝放熱而加熱空氣。在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后，空氣作為冷流體，空氣側(cè)傳熱由式（1）可得： mct2-t1=A(tw-t)m（7） 即 =mc(t2-t1)A(tw-t)m（8）tw1和tw2分別是換熱管空氣進(jìn)口處的內(nèi)壁溫度和空氣出口處的內(nèi)壁溫度，當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即值很大，且管壁厚度較小時(shí)，可認(rèn)為T(mén)w1tw1及Tw2tw2，Tw1和Tw2分別是空氣進(jìn)口處的換熱管外壁溫度和空氣出口處的換熱管外壁溫度。一般情況下直接測(cè)量固體壁面溫度，尤其是管內(nèi)壁溫度，實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度較大，因此，工程上也常采用通過(guò)測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的流體溫度來(lái)間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流傳熱系數(shù)。 3.2近似法以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對(duì)流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為： 1K=12+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（9）式中：d1, d2-分別為換熱管的外徑、內(nèi)徑，m dm-換熱管的對(duì)流平均直徑，m b-換熱管的壁厚，m -換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m) Rs1,Rs2-分別為換熱管外側(cè)、內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2K/W總傳熱系數(shù)K可由式（1）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm（10） 用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)空氣與管壁間的對(duì)流傳熱系數(shù)2約幾十到幾百W/(m2K)，而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)1可到數(shù)萬(wàn)W/(m2K)，因此冷凝傳熱熱阻d21d1可忽略，同時(shí)蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻Rs1d2d1也可忽略。實(shí)驗(yàn)中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8 W/(mK)，壁厚為1.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻bd2dm可忽略。若換熱管內(nèi)測(cè)的污垢熱阻Rs2也可忽略，則由式（9）可知， =K（11）由此可見(jiàn)，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對(duì)流傳熱熱阻相比越小，此法測(cè)得的的準(zhǔn)確性就越高。3.3簡(jiǎn)易Wilson圖解法空氣和蒸汽在套管換熱器中換熱，空氣在套管內(nèi)被套管環(huán)隙的蒸汽加熱，當(dāng)管內(nèi)空氣做充分湍流時(shí)，空氣側(cè)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)可表示為 =Cu0.8（12）將式（12）代入式（9），得到： 1K=1Cu0.8+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（13）依據(jù)3.2的分析，式（13）右邊后側(cè)三項(xiàng)在本實(shí)驗(yàn)條件下可認(rèn)為是常數(shù)，則由式（13）可得： 1K=1Cu0.8+常數(shù)（14）式（14）為Y=mX+B線(xiàn)性方程，以Y=1K，X=1u0.8作圖，可求得直線(xiàn)斜率m，于是得到： =Cu0.8=u0.8m（15）4.擬合實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)數(shù)方程式由實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，擬合NuRe直線(xiàn)，從而確定擬合方程，得出實(shí)驗(yàn)式： Nu=ARen（16）式中：Nu-努塞爾數(shù)，Nu=d,無(wú)因次； Re-雷諾數(shù)，Re=ud,無(wú)因次。5.傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式 對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)做強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí)，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為： Nu=0.023Re0.8Prn（17） 式中：Pr-普蘭特?cái)?shù)，Pr=c,無(wú)因次。 上式適用范圍為：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120，管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比Ld60。當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4，流體被冷卻時(shí)n=0.3。式中：-定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m） u-空氣在換熱管內(nèi)的平均流速，ms -定性溫度下空氣的密度，kgm3 -定性溫度下空氣的黏度，Pas在本實(shí)驗(yàn)條件下，考慮Pr變化很小，可認(rèn)為是常數(shù)，則（17）式改寫(xiě)為： Nu=0.02Re0.8附注：在0100之間，空氣物性與溫度的關(guān)系式有如下擬合公式：（1） 空氣的密度與溫度的關(guān)系式：=10-5t2-4.510-3t+1.2916（2） 空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60以下 Cp=1005J/(kg)60以上 Cp=1009J/(kg)（3） 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：=-210-8t2+810-5t+0.0244（4） 空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：=（-210-6t2+510-3t+1.7196）10-5四、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟 1）檢查儀表、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器及測(cè)溫點(diǎn)是否正常，將蒸汽發(fā)生器灌水至液位不低于 45 處； 2）打開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)、儀表開(kāi)關(guān)，開(kāi)啟蒸汽發(fā)生器加熱，同時(shí)，全部開(kāi)啟兩個(gè)不凝氣排出閥，通過(guò)電腦設(shè)置溫度在103； 3）等有大量不凝氣體冒出時(shí)，蒸汽緩緩進(jìn)入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器，此時(shí)關(guān)閉不凝氣體排出閥，打開(kāi)冷凝液排出閥，使環(huán)隙中的冷凝水不斷地排出，此時(shí)應(yīng)保證有少量蒸汽冒出，且環(huán)隙內(nèi)不能有大量冷凝液積留； 4）啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，選擇普通管，通過(guò)控制軟件的流量設(shè)定依次設(shè)定20,14,10,7 m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集4組數(shù)據(jù)； 5）普通管測(cè)好后，切換為強(qiáng)化管，同4）依次設(shè)定20，11.8,7 m3h，待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集3組數(shù)據(jù)； 6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，待蒸汽溫度下降到95以下后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，總電源，清理實(shí)驗(yàn)器材。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 1.原始數(shù)據(jù)： 表 1管道名稱(chēng)加熱器汽相溫度/管外蒸汽溫度/蒸汽出口處壁溫/蒸汽進(jìn)口處壁溫/冷流體流量(m3h)冷流體出口溫度/冷流體進(jìn)口溫度/普通管103.083102.334100.724101.77420.076965.67425普通管103.146102.42100.724101.71214.138968.7924.874普通管103.02102.344100.724101.6510.09470.8424.686普通管103.02102.39100.724101.7127.0627272.98424.686強(qiáng)化管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5強(qiáng)化管103.146101.42101.474101.52411.957476.5625.186強(qiáng)化管103.02101.254101.35101.47.0864378.264252.數(shù)據(jù)處理 以強(qiáng)化管第一次數(shù)據(jù)（空氣流量為20m3h）為例，由式（4）可得： tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=101.264-73.53-(101.264-25.5)ln101.264-73.53101.264-25.5=47.793 在空氣進(jìn)口溫度t1下，空氣密度： 0=10-5t2-4.510-3t+1.2916=10-525.52-4.510-325.5+1.2916=1.183kgm3 則由式（5）可得：V=V0=19.581736001.183=5.00110-3m3/s由式（6）可得： m=V0=5.00110-31.183=5.91710-3kgs定性溫度t=t1+t22=25.5+73.532=49.515<60則空氣比熱為Cp=1005J/(kg)于是，由式（10）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm=5.91710-31005(73.53-25.5)0.0191.02047.793=98.156W/(m2)為利用Wilson圖解法，可求 1K=198.138=0.010,u=5.00110-30.01624=24.869m/s，1u0.8=124.8730.8=0.076于是可得下表 表 2管道名稱(chēng)質(zhì)量流量/(kg/s)K/W/(m2)u/(m/s)1K1u0.8普通管6.072E-0374.813 25.477 0.013 0.075 普通管4.277E-0358.981 17.938 0.017 0.099 普通管3.054E-0345.486 12.802 0.022 0.130 普通管2.137E-0334.278 8.957 0.029 0.173 強(qiáng)化管5.917E-0398.156 24.869 0.010 0.076 強(qiáng)化管3.615E-0366.867 15.178 0.015 0.114 強(qiáng)化管2.143E-0342.416 8.992 0.024 0.173 根據(jù)上表可作出下圖由式（15）可得： 表 3管道名稱(chēng)普通1普通2普通3普通4強(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化3/w/(m2)82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以強(qiáng)化管第一組數(shù)據(jù)為例：空氣的導(dǎo)熱系數(shù)求得： =-210-8t2+810-5t+0.0244=-210-849.5152+810-549.515+0.0244=0.028312 W/(m）空氣的黏度求得： =-210-6t2+510-3t+1.719610-5=1.9595710-5Pas 空氣的密度求得： =10-5t2-4.510-3t+1.2916=1.108kgm3則有Nu=d=93.4120.0160.028312=52.79Re=ud=1.10824.8690.0161.9595710-5=22200.18同樣的方法可得到下表： 表 4管道名稱(chēng)普通1普通2普通3普通4強(qiáng)化1強(qiáng)化2強(qiáng)化3Nu47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.26Re23290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙擬合NuRe直線(xiàn)可得到如下圖：六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1）普通管和強(qiáng)化管不同空氣流量下的對(duì)流傳熱系數(shù)如表 2，從表中易得，對(duì)流傳熱系數(shù)隨流量的增大而增大；且相同條件下強(qiáng)化管的對(duì)流傳熱系數(shù)要比普通管大。2）由0i愁件的流量設(shè)定分別更長(zhǎng)對(duì)流傳熱系數(shù)建算流體與固體壁面建131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313NuRe直線(xiàn)圖可得到普通管：Nu=0.016Re0.7942強(qiáng)化管：Nu=0.0183Re0.7964由此可見(jiàn)，強(qiáng)化管的圖像始終在普通管的上方，即相同條件下努塞爾數(shù)更大，對(duì)流傳熱系數(shù)更大，故此，換熱效果更好。但同公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)式Nu=0.02Re0.8比較，雖然比較接近，但即使是強(qiáng)化管也比理想值偏小，傳熱系數(shù)與蒸汽消耗量、換熱時(shí)間、空氣流量和溫度、冷凝水是否及時(shí)排出、以及熱量損失等因素有關(guān)，但在此實(shí)驗(yàn)中由于蒸汽溫度與室溫的差距（約80）較大，故應(yīng)該受熱量損失的影響最大。其次，由于橫式套管換熱器比較平，則冷凝水的排出效率會(huì)低一些，所以對(duì)傳熱系數(shù)的影響也比較大。七、實(shí)驗(yàn)思考1）實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч泻斡绊懀?在一般的套管換熱器中，冷流體和蒸汽采用逆流和并流時(shí)，它們的出口溫度都會(huì)發(fā)生變化，故而傳熱效果會(huì)有所不同；但在本實(shí)驗(yàn)中，由于蒸汽在環(huán)隙中的溫度可認(rèn)為是處處相等的，因此無(wú)論并流還是逆流傳熱效果都一樣。 2）在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)所用的密度值是否一致？它們分別是在什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算？ 二者并不一致。計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)，孔板流量計(jì)在套管換熱器系統(tǒng)之外，故而此時(shí)應(yīng)采用孔板流量計(jì)處（即空氣入口處）空氣的密度值；計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)，應(yīng)采用空氣在套管內(nèi)流動(dòng)的定性溫度下的密度值。 3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝水不及時(shí)排出，會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷凝水？如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)關(guān)聯(lián)式有何影響？ 冷凝水如果不能及時(shí)排出，則會(huì)附著再內(nèi)管外壁上，形成液膜，使傳熱效果下降。為使冷凝水及時(shí)排出，冷凝水排出閥不能開(kāi)得過(guò)小，且安裝位置應(yīng)在外管最低處。 在管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)的表達(dá)式有： =0.023d(ud)0.8(Cp)0.4 當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)增大時(shí)，蒸汽溫度升高，但變化量很小，從而對(duì)內(nèi)管的冷流體空氣的影響也很小，所以對(duì)關(guān)聯(lián)式基本無(wú)影響。 14 / 13