空氣—蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告及數(shù)據(jù)、答案

1、.空氣蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)對(duì)空氣水蒸氣光滑套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)1的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線(xiàn)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(guò)對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，測(cè)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)化傳熱的根本理論和根本方式。二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)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(jì)，由支路控制閥選擇不同的

2、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(guò)黃銅管壁被傳遞到管內(nèi)流動(dòng)的空氣，到達(dá)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(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。表1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑dimm16.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑domm17.92實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Dimm50實(shí)驗(yàn)外管外徑Domm52.5總管長(zhǎng)紫銅內(nèi)管Lm1.30測(cè)量段長(zhǎng)度lm1.10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(jì)測(cè)量空氣流量圖1 空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)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蒸汽發(fā)生器；4旋渦氣泵；5

3、旁路調(diào)節(jié)閥；6孔板流量計(jì)；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(jì)；16加水口； 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光滑管測(cè)定68個(gè)不同流速下光滑管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)1。對(duì)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展線(xiàn)性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARem中常數(shù)A、m的值。2、波紋管測(cè)定68個(gè)不同流速下波紋管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)1。對(duì)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)展線(xiàn)性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。四、實(shí)驗(yàn)原理 1準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián) 影響對(duì)流傳熱的因素很多，根據(jù)因次分析得到的對(duì)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)。參加傳熱的流體、流態(tài)及溫度等不同，待定參數(shù)

4、不同。目前，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定特定X圍的參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定空氣在圓管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)。因此，可以忽略自然對(duì)流對(duì)傳熱膜系數(shù)的影響，那么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(xiě)成NuCRem 2待定參數(shù)C和m可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定蒸汽、空氣的有關(guān)數(shù)據(jù)后，對(duì)式2取對(duì)數(shù)，回歸求得直線(xiàn)斜率和截距。 2傳熱量計(jì)算 努塞爾數(shù)Nu或1無(wú)法直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)定，只能測(cè)定相關(guān)的參數(shù)并通過(guò)計(jì)算求得。當(dāng)通過(guò)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(guò)間壁傳遞給套管內(nèi)的空氣，使空氣的溫度升高，空氣從管的末端排出管外，傳遞的熱量由3式計(jì)算。 QWecpct2

5、t1= V1cpct2t1 3 根據(jù)熱傳遞速率 QKStm 4所以 KStm=V1cpct2t1 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/kg·K； S傳熱面積，m2；tm蒸汽與空氣的對(duì)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(guò)各種測(cè)量?jī)x表測(cè)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(jì)算 當(dāng)傳熱面為平壁或者當(dāng)管壁很薄時(shí)，總的傳熱阻力和傳熱分阻力的關(guān)系可表示為：式中：l空

6、氣在圓管中強(qiáng)制對(duì)流的傳熱膜系數(shù)，Wm2·；2蒸汽冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)，Wm2·。當(dāng)管壁熱阻可以忽略?xún)?nèi)管為黃銅管而且壁厚b較薄，黃銅導(dǎo)熱系數(shù)比擬大時(shí)，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)，那么K1。因此，只要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得冷、熱流體的溫度及空氣的體積流量，即可通過(guò)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(jì)算式中：空氣導(dǎo)熱系數(shù)，Wm·；一空氣的粘度，Pa·s； d套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，m；1進(jìn)口溫度t1時(shí)的空氣密度，kgm3。 由于熱阻主要集中在空氣一側(cè)，本實(shí)驗(yàn)的傳熱面積S取管子的內(nèi)外表較為合理，即Sdl

7、本裝置d=00178 m，l=1327m。 5空氣流量和密度的計(jì)算 空氣密度1可按理想氣體計(jì)算：式中：pa當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa ； t孔板流量計(jì)前空氣溫度，可取t=t1； 空氣的流量由 14噴嘴流量計(jì)測(cè)量，合并常數(shù)后，空氣的體積流量可由11式計(jì)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(jì)的壓差計(jì)示值，mmH2O。 V1空氣的體積流量，m3s。五、實(shí)驗(yàn)操作1實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備 1向電加熱釜加水至液位計(jì)上端紅線(xiàn)處。 2檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi)。 3檢查普通管支路各控制閥是否已翻開(kāi)，保證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(dòng)電熱鍋爐開(kāi)關(guān)，開(kāi)場(chǎng)加熱。2

8、實(shí)驗(yàn)開(kāi)場(chǎng) 1當(dāng)蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)旋渦氣泵并運(yùn)行一段時(shí)間，保證實(shí)驗(yàn)開(kāi)場(chǎng)時(shí)空氣入口溫度穩(wěn)定。 2調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開(kāi)度或主閥開(kāi)度，使孔板流量計(jì)的壓差計(jì)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(jì)讀數(shù)，讀取空氣入口、出口的溫度值、溫度測(cè)量可采用熱電偶或溫度計(jì)、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(jì)讀數(shù)p4。 4調(diào)節(jié)空氣流量，重復(fù)3與4共測(cè)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。 5實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程蒸汽溫度或壓力變化較大不要記錄數(shù)據(jù)。3實(shí)驗(yàn)完畢 1關(guān)閉加熱器開(kāi)

9、關(guān)。 2過(guò)5分鐘后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，并將旁路閥全開(kāi)。 3切斷總電源。六、實(shí)驗(yàn)考前須知1、檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常X圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)完畢后，進(jìn)展下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過(guò)低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。2、必須保證蒸汽上升管線(xiàn)的暢通。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開(kāi)啟和關(guān)閉控制閥必須緩慢，防止管線(xiàn)截?cái)嗷蛘羝麎毫^(guò)大突然噴出。3、必須保證空氣管線(xiàn)的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，三個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥見(jiàn)圖1所示必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開(kāi)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5、套管換熱器中積累的熱水要及時(shí)放掉，以免影響蒸

10、汽傳熱。七、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理1.給熱系數(shù)K的計(jì)算序號(hào)1234567空氣進(jìn)口處密度 Kg/m³1.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192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度Kg/m³1.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、熱流體間的對(duì)數(shù)平均溫差tm58.557.9

11、157.6357.4256.7455.8546.08總給熱系數(shù)K w/·29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362.2理論值的計(jì)算序號(hào)1234567對(duì)流給熱系數(shù)2 w/·29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空氣黏度×10-5Pa·s1.9221.9241.9251.9251.931.9341.939空氣導(dǎo)熱系數(shù) W/m·K0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷諾數(shù) Re8058.0569397.75511505.06413529.83315

12、713.9917672.40519209.413普蘭特?cái)?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 Nu'26.6930.0435.3640.2545.2950.0453.163.2理論值與實(shí)驗(yàn)值比擬序號(hào)12345672理論值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.962實(shí)驗(yàn)值29.8437.4247.154.7964.8173.38

13、95.362相對(duì)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X圍，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并非全在其適用X圍內(nèi)，用此公式算出的Nu和2誤差就可能較大。2. 實(shí)驗(yàn)時(shí)，等待時(shí)間缺乏，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未穩(wěn)定時(shí)就記錄了。序號(hào)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=-7.9273 ，A=0.0256 m=1.212

14、4另附上原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：序號(hào)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 67.20 102.90 102.90 4、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)展分析與討論。從圖像中線(xiàn)性回歸方程的相關(guān)系數(shù)來(lái)

15、看，實(shí)驗(yàn)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(lái)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(shí)，采用很多近似處理，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)很多的條件并不穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用改變空氣流量來(lái)調(diào)節(jié)，但是在改變空氣流量的同時(shí)，其他的數(shù)據(jù)也會(huì)改變，比方說(shuō)空氣出口溫度，而且在改變的過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間空氣出口溫度才會(huì)穩(wěn)定，而我們測(cè)定的溫度一定要是這個(gè)穩(wěn)定的溫度，所以在測(cè)定中沒(méi)有經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間導(dǎo)致測(cè)定的溫度不是穩(wěn)定的溫度，所以實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意等待五到十分鐘待數(shù)據(jù)比擬穩(wěn)定時(shí)，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比擬準(zhǔn)確。八、思考題 1影響傳熱膜系數(shù)的因素有哪些.答

16、：膜的厚度，液體的物性，以及壓力溫度。還有材料的分子構(gòu)造及其化學(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(shí)，假設(shè)存在不凝性氣體，你認(rèn)為將會(huì)有什么影響.應(yīng)該采取什么措施.答：對(duì)換熱系數(shù)影響很大，一般想方法除去，比方溴化鋰吸收式制冷機(jī)均陪伴真空泵，其作用就是及時(shí)排除系統(tǒng)內(nèi)的不凝性氣體。1會(huì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會(huì)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?dú)狻＿@些不凝性氣體會(huì)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(huì)滯留在冷凝器的上部管路內(nèi)，致使實(shí)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(huì)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(huì)有什么影響.應(yīng)該采取什么措施.答:1會(huì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。壓力不斷降低，還會(huì)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