對流傳熱系數(shù)地測定實驗報告材料

1、浙江大學化學實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗甲實驗名稱：對流傳熱系數(shù)的測定指導教師：專業(yè)班級： 姓 名: 學 號: 同組學生：實驗日期:實驗地點:目錄一、實驗目的和要求2二、實驗流程與裝置2三、實驗容和原理 41間壁式傳熱基本原理 42. 空氣流量的測定63. 空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)忖的測定73.1牛頓冷卻定律法 73.2近似法73.3簡易 Wils on圖解法84. 擬合實驗準數(shù)方程式95. 傳熱準數(shù)經驗式9四、操作方法與實驗步驟 10五、實驗數(shù)據(jù)處理 111. 原始數(shù)據(jù)：112. 數(shù)據(jù)處理12六、實驗結果15七、實驗思考16實驗目的和要求1）掌握空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解

2、影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑；2）把測得的數(shù)據(jù)整理成 叫L ARM形式的準數(shù)方程，并與教材中公認 經驗式進行比較；3）了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。實驗流程與裝置本實驗流程圖（橫管）如下圖1所示，實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板 流量計、變頻器、套管換熱器（強化管和普通管）及溫度傳感器、只能顯 示儀表等構成?？諝?水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入套管換熱器，與被風機抽進的空氣進行換熱交換，不凝氣或未冷凝蒸汽通過閥門（F3和F4）排出，冷凝水經排出閥（F5和F6）排入盛水杯?？諝庥娠L機提供， 流量通過變頻器改變風機轉速達到自動控制， 空氣經孔板流量計進入套管 換

3、熱器管，熱交換后從風機出口排出。注意：普通管和強化管的選取：在實驗裝置上是通過閥門（F1和F2） 進行切換，儀表柜上通過旋鈕進行切換，電腦界面上通過鼠標選擇，三者 必學統(tǒng)一。圖1 橫管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖圖中符號說明如下表:符號名稱單位備注V空氣流量m/h紫銅管規(guī)格19X 1.5mmt1空氣進口溫度有效長度1020mmt2普通管空氣出口溫度CF1, F2為管路切換閥門t3強化管空氣出口溫度CF3, F4為不凝氣排出閥T1蒸汽發(fā)生器的蒸汽溫度CF5, F6為冷凝水排出閥T2普通管空氣出口端銅管外 壁溫度T3普通管空氣進口端銅管外 壁溫度T4普通管外蒸汽溫度T5強化管空氣出口端銅管外 壁

4、溫度T6強化管空氣進口端銅管外 壁溫度T7強化管外蒸汽溫度三、實驗容和原理在工業(yè)生產過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進行換熱。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流 動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換。本裝置主要研究汽-氣綜合換熱，包括普通管和加強管。其中，水蒸氣和空 氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所 謂加強管，是在紫銅管加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進而增大了空氣流動的湍 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，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳

5、導和固體壁面對冷流體的對流傳熱組成。圖2間壁式傳熱過程示意圖間壁式傳熱元件，在傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)后，有：Q =叫0 丁2)= m2CP2(t2tl-Tw)m = a2A2(tw- t)=KA%熱流體與固體壁面的對流平均溫差可由（2）式計算:j）-企-固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計算:3）熱、冷流體的對數(shù)平均溫差可由（4）式計算:A (T1 _ f2)-(T2 - at (4)式中：-熱流量，J/S ；，-分別為熱、冷流體的質量流量，kg/s-分別為定性溫度下熱、冷流體的比熱，J/（kgC ）2-分別為熱流體的進出口溫度，C5, “L-分別為冷流體的進出口溫度，c勻， 2-分別為熱、

6、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，八C)月1, P2-分別為熱、冷流體的傳熱面積， 亦加-分別為熱、冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，C-以傳熱面積川為基準的總傳熱系數(shù)，:A-平均傳熱面積，哄'-冷、熱流體的対數(shù)平均溫差，C由實驗裝置流程圖可見，本實驗的強化管或普通管換熱，熱流體是蒸汽，冷 流體是空氣。2. 空氣流量的測定空氣在無紙記錄儀上現(xiàn)實的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關，考慮到實際過程中，空氣的進口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯 示的體積流量是將孔板出的空氣密度當作Iky'n?時的讀數(shù)，因此，如果空氣實際密度不等于該值，則空氣的實際體積流量應該由下式進行

7、校正：' V鳳(5)空氣質量流量= b% (6)式中：卩1-空氣實際體積流量，心V-無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，皿條兔-空氣在孔板處的密度，氏切本實驗中即為空氣在進口問 題下對應的溫度。3. 空氣在傳熱管對流傳熱系數(shù)u的測定3.1牛頓冷卻定律法在本裝置的套管加熱器中，環(huán)隙通空氣，水蒸氣在紫銅管表面冷凝放熱而 加熱空氣。在傳熱過程達到穩(wěn)定后，空氣作為冷流體，空氣側傳熱由式（1）可得：=（ 7）w（t2 tja =即軌口 （8）'和'分別是換熱管空氣進口處的壁溫度和空氣出口處的壁溫度，當管材料導熱性能很好，即久值很大，且管壁厚度較小時，可認為J嚴51/就"血

8、， 和'分別是空氣進口處的換熱管外壁溫度和空氣出口處的換熱管外壁溫度。一般情況下直接測量固體壁面溫度，尤其是管壁溫度，實驗技術難度較大， 因此，工程上也常采用通過測量相對較易測定的流體溫度來間接推算流體與固體 壁面間的對流傳熱系數(shù)。3.2近似法(9)以管壁面積為基準的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關系為:廠寸心+瓦+R嗚+胡式中：珀，5-分別為換熱管的外徑、徑，閥1 -換熱管的對流平均直徑，-換熱管的壁厚，R-換熱管材料的導熱系數(shù)，骯弋）總傳熱系數(shù)可由式（1）得:(10)用本裝置進行實驗時，管空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)口2約幾十到幾百W/（卅-K）,而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù) 叭可到

9、數(shù)萬W/M > K），因此%冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻p纟山也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數(shù)久為383.8“，性壁厚為1.5mm因此換熱管壁的導熱熱阻八心可忽略。若換熱管測的污垢熱阻尺靈也可忽略，則由式（9）可知，(11)由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法測得的的準確性就越高。3.3簡易 Wils on圖解法空氣和蒸汽在套管換熱器中換熱，空氣在套管被套管環(huán)隙的蒸汽加熱，當管 空氣做充分湍流時，空氣側強制對流傳熱系數(shù)可表示為(12)將式（12）代入式（9），得到:hlf2 % 叭!麗+比2+磅+心1石十帀(

10、13)依據(jù)3.2的分析，式（13）右邊后側三項在本實驗條件下可認為是常數(shù)，則 由式（13）可得：v _ 1 X 式（14）為“線性方程，以 ,作圖，可求得直線斜率m于是得到：(15)4. 擬合實驗準數(shù)方程式由實驗獲取的數(shù)據(jù)計算出相關準數(shù)后，在雙對數(shù)坐標紙上，擬合叫廠直線, 從而確定擬合方程，得出實驗式：Nu = ARe11(16)式中：/Vtrf1嘰-努塞爾數(shù)，廠 兀無因次;nRe雷諾數(shù)，叫一帀，無因次。5. 傳熱準數(shù)經驗式對于流體在圓形直管做強制湍流對流傳熱時，傳熱準數(shù)經驗式為:(17)式中:普蘭特數(shù),上式適用圍為:Re = 1.0 x 104-1,2 x 105 pr0.7-120，管長與

11、管徑之比Lfd > 60。當流體被加熱時R04,流體被冷卻時式中：A-定性溫度下空氣的導熱系數(shù)，-弋）K-空氣在換熱管的平均流速，機怡O14-定性溫度下空氣的密度，-k-定性溫度下空氣的黏度，陶f在本實驗條件下，考慮變化很小，可認為是常數(shù)，則（17）式改寫為：Nu = 0.02 fie08附注：在：之間，空氣物性與溫度的關系式有如下擬合公式：（1）空氣的密度與溫度的關系式：|p = 1O-15? -4,5 X 10 _£ + 17916（2）空氣的比熱與溫度的關系式：60C以下0 "25血代）|60C以上C廠10°叨血®（3）空氣的導熱系數(shù)與溫度的

12、關系式:|A =- 2 X 10 _ V + 8 x 10_5t 4- 0,0244（4）空氣的黏度與溫度的關系式：i = （ - 2 x 10 " V + 5 x 10'3t + 1.7196 ） X 10 ' 5四、操作方法與實驗步驟1 ）檢查儀表、風機、蒸汽發(fā)生器及測溫點是否正常，將蒸汽發(fā)生器灌水至1液位不低于 處；2 ）打開總電源開關、儀表開關，開啟蒸汽發(fā)生器加熱，同時，全部開啟兩 個不凝氣排出閥，通過電腦設置溫度在 103C；3 ）等有大量不凝氣體冒出時，蒸汽緩緩進入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器， 此時關閉不凝氣體排出閥，打開冷凝液排出閥，使環(huán)隙中的冷凝水不斷

13、地排出， 此時應保證有少量蒸汽冒出，且環(huán)隙不能有大量冷凝液積留；4 ）啟動風機，選擇普通管，通過控制軟件的流量設定依次設定 20,14,10,7 心,待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集4組數(shù)據(jù)；5 ）普通管測好后，切換為強化管，同4）依次設定20，11.8,7皿"用，待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集3組數(shù)據(jù)；6 ）實驗結束后，先關閉蒸汽發(fā)生器，待蒸汽溫度下降到95C以下后，關閉風機電源，總電源，清理實驗器材。五、實驗數(shù)據(jù)處理1.原始數(shù)據(jù)：表 1管道 名稱加熱器 汽相溫 度/c管外蒸 汽溫度/ c蒸汽出 口處壁 溫/ c蒸汽進 口處壁 溫/ c冷流體 流 量冷流 體出 口 溫 度/ c冷流 體進 口

14、 溫 度/ c嚴切）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化強管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5化強管-5J-化強管-二2.數(shù)據(jù)處理以強化管第一次數(shù)據(jù)（空氣流量為 2滬*“）為例，由式（4）可得:4Z793&

15、#176;C(W 1.264 - 73.53)-(101,264-25.5J, 訃1加-想AmiJb4 -鉛£在空氣進口溫度。下，空氣密度:10-3 x 25.5 十Po=10_V-4.5 X 10_3t 4- 1.2916 = 10_S X 25.52 - 4.5=1.183/m3則由式（5）可得:V 195817 3600jpqe聞5.001 X 10'3m3/s由式（6）可得:m= rp(3 = 5.001 X 10 _ 3 X 1.183 = 5.917 X 10_3kg/s定性溫度255t7a53 = 49.51ST<60T則空氣比熱為5 = 1°&

16、#176;5（如°于是，由式（10）得:5,?17 10 2X 1005x (73.53-25.5>jt x 0.01Q x k020 x 47.7*13= 98.1561V/Cn? r)為利用Wils on圖解法，可求i = -L- = 0.010 U =如z；“ = 24B69m/sK 9fl. 113, n+于是可得下表表2管道名稱質量流量/(kg/s)K/W/(m2 u/(m/s)r K1普通管6.072E-0374.81325.4770.0130.075普通管4.277E-0358.98117.9380.0170.099普通管3.054E-0345.48612.802

17、0.0220.130普通管2.137E-0334.2788.9570.0290.173強化管5.917E-0398.15624.8690.0100.076強化管3.615E-0366.86715.1780.0150.114強化管2.143E-0342.4168.9920.0240.173根據(jù)上表可作出下圖1腫a sLineart強化管】由式（15）可得：表3管道名稱普通1普通2普通3普通4強化1強化2強化3u/w/(m2C)82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以強化管第一組數(shù)據(jù)為例:空氣的導熱系數(shù)求得：=-2 X 10_V + 8 x 10_st

18、 + 0,0244 = -2 x 10_y x 49,5152 + 8 X 1049.515 + 0,0244 = 0.028312 W/(m °C)空氣的黏度求得:H =(-2 x 10 "V 卜 5 x 10_3t4 1,7396) x 10 _ 5 = 1,95957 x 10 _ 耳空氣的密度求得:p = 10"3-45 x 10_Jt + 1.2916則有ad93412 X 0.0160.02831252.79pudRe = Z1.108 x 24,869 x 0.016- =22200.181.95957 x 10S90,00SO.OO70 0060

19、0050.004D.OO30 0020.001Q.QQ1C0D.00600C 00110CO.0016000 X 21000. 0026000.0&Po訕3闊化管同樣的方法可得到下表：表4管 道 名 稱普通1普通2普通3普通4強化1強化2強化3N47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.2623290.416258.911542.38026.622200.113445.67931.66744819利用雙對數(shù)坐標紙擬合. 直線可得到如下圖：六、實驗結果1） 普通管和強化管不同空氣流量下的對流傳熱系數(shù)如表2，從表中易得， 對流傳熱系數(shù)隨流量的增大而增大；且相同條件下強化管的對流傳熱系數(shù)要比 普通管大。2） 由直線圖可得到普通管：強化管：由此可見，強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， 對流傳熱系數(shù)更大，故此，換熱效果更好。但同公認的經驗式1 :比較，雖然比較接近，但即使是強化管也比理想