空氣蒸汽對流給熱系數(shù)測定實驗報告及數(shù)據(jù)答案沐風(fēng)教育

1、空氣蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗?zāi)康耐ㄟ^對空氣水蒸氣光滑套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)1的測定方法，加深對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。通過對管程內(nèi)部插有螺紋管的空氣水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實驗研究，測定其準(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、實驗裝置本實驗設(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，由支路控制閥選擇不同

2、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。該實驗流程圖如圖1所示，其主要參數(shù)見表1。表1 實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）16.00實驗內(nèi)管外徑do（mm）17.92實驗外管內(nèi)徑di（mm）50實驗外管外徑do（mm）52.5總管長（紫銅內(nèi)管）l（m）1.30測量段長度l（m）1.10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測量空氣流量圖1 空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1 光滑套管換熱器；2螺紋管的強(qiáng)化套管換熱器

3、；3蒸汽發(fā)生器；4旋渦氣泵；5旁路調(diào)節(jié)閥；6孔板流量計；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；16加水口； 三、實驗內(nèi)容1、光滑管測定68個不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數(shù)1。對 1的實驗數(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。2、波紋管測定68個不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數(shù)1。對 1的實驗數(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。四、實驗原理 1準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián) 影響對流傳熱的因素很多，根據(jù)因次分析得到的對流傳熱的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)為： nu=cremprngrl （1）式中c、m、n、l為待定參數(shù)。參

4、加傳熱的流體、流態(tài)及溫度等不同，待定參數(shù)不同。目前，只能通過實驗來確定特定范圍的參數(shù)。本實驗是測定空氣在圓管內(nèi)作強(qiáng)制對流時的對流傳熱系數(shù)。因此，可以忽略自然對流對傳熱膜系數(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nucrem （2）待定參數(shù)c和m可通過實驗測定蒸汽、空氣的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對式（2）取對數(shù)，回歸求得直線斜率和截距。 2傳熱量計算 努塞爾數(shù)nu或1無法直接用實驗測定，只能測定相關(guān)的參數(shù)并通過計算求得。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

5、排出管外，傳遞的熱量由（3）式計算。 qwecpc（t2t1）= v1cpc（t2t1） （3） 根據(jù)熱傳遞速率 qkstm （4）所以 kstm=v1cpc（t2t1） （5）式中：q換熱器的熱負(fù)荷（即傳熱速率），kjs； we冷流體的質(zhì)量流量，kgs； v冷流體（空氣）的體積流量，m3/s； 1一冷流體（空氣）的密度，kgm3； 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/（kgk）； s傳熱面積，m2； tm蒸汽與空氣的對數(shù)平均溫度差，。 空氣的流量及兩種流體的溫度等可以通過各種測量儀表測得。綜合上面各式即可算出傳熱總系數(shù)k。 3傳熱膜系數(shù)的計算

6、當(dāng)傳熱面為平壁或者當(dāng)管壁很薄時，總的傳熱阻力和傳熱分阻力的關(guān)系可表示為： 式中：l空氣在圓管中強(qiáng)制對流的傳熱膜系數(shù)，w（m2）； 2蒸汽冷凝時的傳熱膜系數(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)比較大）時，（7） 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k1。因此，只要在實驗中測得冷、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)1。 4努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計算 式中：空氣導(dǎo)熱系數(shù)，w（m）； 一空氣的粘度，pas； d套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，m； 1進(jìn)口溫度t1時的空氣密度，kgm3。 由于熱阻主要集中

7、在空氣一側(cè)，本實驗的傳熱面積s取管子的內(nèi)表面較為合理，即 sdl本裝置d=00178 m，l=1327m。 5空氣流量和密度的計算 空氣密度1可按理想氣體計算：式中：pa當(dāng)?shù)卮髿鈮海琾a ； t孔板流量計前空氣溫度，可取t=t1； 空氣的流量由 14噴嘴流量計測量，合并常數(shù)后，空氣的體積流量可由（11）式計算（11）式中：c0合并整理的流量系數(shù)，其值為c0=0001233； r噴嘴流量計的壓差計示值，mmh2o。 v1空氣的體積流量，m3s。五、實驗操作1實驗前的準(zhǔn)備 （1）向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。 （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

8、蒸汽和空氣管路的暢通。 （4）接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動電熱鍋爐開關(guān)，開始加熱。2實驗開始 （1）當(dāng)蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動旋渦氣泵并運行一段時間，保證實驗開始時空氣入口溫度（）穩(wěn)定。 （2）調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使孔板流量計的壓差計讀數(shù)為所需的空氣流量值。 （3）穩(wěn)定58分鐘左右讀取壓差計讀數(shù)，讀取空氣入口、出口的溫度值、（溫度測量可采用熱電偶或溫度計）、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,孔板流量計讀數(shù)p4。 （4）調(diào)節(jié)空氣流量，重復(fù)（3）與（4）共測610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）。

9、（5）實驗過程，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實驗結(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、實驗注意事項1、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個實驗結(jié)束后，進(jìn)行下一實驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時補(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，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，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。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

10、支路時，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510分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。5、套管換熱器中積累的熱水要及時放掉，以免影響蒸汽傳熱。七、實驗記錄及數(shù)據(jù)處理1.給熱系數(shù)k的計算序號1234567空氣進(jìn)口處密度 kg/m1.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192空氣質(zhì)量流量m2 kg/s0.00190.00240.0030.00350.00410.00460.005空氣流速 u m/s7.9810.0912.3714.561719.2121.01空氣定性溫度t平均 41.742.0542.442.7543.444.2545.25定性溫度下的空氣密

11、度kg/m1.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、熱流體間的對數(shù)平均溫差tm58.557.9157.6357.4256.7455.8546.08總給熱系數(shù)k w/29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362.2理論值的計算序號1234567對流給熱系數(shù)2 w/29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空氣黏度（10-5pas）1.9221.9241.9251.9251.931.9341.939空氣導(dǎo)熱系數(shù) w/mk0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數(shù) re80

12、58.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.413普蘭特數(shù) pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努賽爾數(shù) nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.492理論值 2 w/45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努賽爾數(shù)理論值 nu26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.163.2理論值與實驗值比較序號12345672理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.962實驗值29.843

13、7.4247.154.7964.8173.3895.362相對誤差0.34480.28050.23340.21650.17720.1468-0.0258誤差分析：1. 迪圖斯-貝爾特公式有條件范圍，而實驗數(shù)據(jù)并非全在其適用范圍內(nèi)，用此公式算出的nu和2誤差就可能較大。2. 實驗時，等待時間不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未穩(wěn)定時就記錄了。序號1234567ln(nu/pr0.4)33.223.313.593.763.894.12ln(re)8.999.159.359.519.669.789.86 冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式：nu/pr0.4=aprm ln(nu/pr0.4)=lna+m ln(re) lna=-7

14、.9273 ，a=0.0256 m=1.2124另附上原始實驗數(shù)據(jù)：序號冷空氣熱蒸汽流量（m3/h）進(jìn)口溫度（）進(jìn)口溫度（）進(jìn)口溫度（）進(jìn)口溫度（）15.27 19.20 64.20 103.10 103.00 27.30 19.50 64.60 102.90 102.80 38.95 19.80 65.00 103.00 102.90 410.60 20.30 65.20 103.10 103.00 512.30 21.00 65.80 103.10 103.00 613.90 22.00 66.50 103.10 102.90 715.20 23.30 67.20 102.90 102.9

15、0 4、對實驗結(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，實驗數(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，采用很多近似處理，而實際實驗時很多的條件并不穩(wěn)定。在實驗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，其他的數(shù)據(jù)也會改變，比如說空氣出口溫度，而且在改變的過程中，要經(jīng)過一段時間空氣出口溫度才會穩(wěn)定，而我們測定的溫度一定要是這個穩(wěn)定的溫度，所以在測定中沒有經(jīng)過足夠長的時間導(dǎo)致測定的溫度不是穩(wěn)定的溫度，所以實驗時要注意等待五到十分鐘待數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定時，這

16、樣實驗結(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，若存在不凝性氣體，你認(rèn)為將會有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？答：對換熱系數(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，其作用就是及時排除系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。1）會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機(jī)。2）空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮氣。這些不凝性氣體會減少制冷劑的循環(huán)量，使制冷量降低。3）并且不凝性氣體會滯留在冷凝器的上部管路內(nèi)，致使實際冷凝面積減小，冷凝負(fù)荷增大，冷凝壓力升高，從而制冷量會降低。 （3）蒸氣冷凝后，將產(chǎn)生冷凝水，如冷凝水不能放出，累積后淹埋加熱銅管，你認(rèn)為將會有什么影響？應(yīng)該采取什么措施？答:1）會由于空氣中含有水分造成冰堵。冰堵不單使制冷效率下降。而且會導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會損壞壓縮機(jī)。2）空氣混入壓縮腔，由于空氣中含有不凝性氣體，如氮氣。