對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)對(duì)華理設(shè)備

1、對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)對(duì)華理設(shè)備第1頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三對(duì)流傳熱概述 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差的地方就會(huì)發(fā)生熱量傳遞，并導(dǎo)致熱量自發(fā)地從高溫處向低溫處傳遞，這一過(guò)程稱為熱量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱。 熱量傳遞過(guò)程分為穩(wěn)態(tài)過(guò)程與非穩(wěn)態(tài)過(guò)程兩大類。 熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。 在化工生產(chǎn)中傳熱的應(yīng)用主要是兩個(gè)方面： 1.強(qiáng)化傳熱：為了使物料達(dá)到操作溫度的要求進(jìn)行的加熱或冷卻，希望熱量以所期望的速率進(jìn)行傳遞； 2.削弱傳熱：為了使物料或設(shè)備減少熱量散失，而對(duì)管道或設(shè)備進(jìn)行保溫或保冷。第2頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三對(duì)流

2、傳熱的概念在工業(yè)生產(chǎn)中，傳熱過(guò)程基本方式： 1.直接接觸式傳熱 2.間壁式傳熱：是一種常用的換熱設(shè)備，如列管式換熱器。其熱流體借助于傳熱壁面，將熱量傳遞給冷流體。 3.蓄熱式傳熱。（圖例） 影響換熱器傳熱速率的參數(shù)有：傳熱面積、平均溫度和傳熱系數(shù)。第3頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三對(duì)流傳熱的概念 不同溫度的流體各部分之間，或流體與固體壁面之間作整體相對(duì)位移時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程，稱為對(duì)流傳熱。 影響對(duì)流傳熱的因素： （1）流體的相態(tài)變化； （2）引起流動(dòng)的原因(強(qiáng)制對(duì)流傳熱和自然對(duì)流傳熱)； （3）流體的流動(dòng)型態(tài)(層流和湍流)； （4）流體的物理性質(zhì)(包括流體的比熱容、

3、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度等）； （5）傳熱面的幾何因素(傳熱面的形狀、大小等）。第4頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三對(duì)流傳熱分類：第5頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三流體流動(dòng)排布型式1.逆流型式2.并流型式3.錯(cuò)流型式4.折流型式第6頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三逆流型式第7頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三并流型式第8頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三錯(cuò)流型式第9頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三折流型式第10頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

4、的 1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握總傳熱系數(shù)K及對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法，并分析影響因素； 2.學(xué)習(xí)如何用實(shí)驗(yàn)方法求出描述過(guò)程規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式,并檢驗(yàn)通用的對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 或 ； 3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高對(duì)關(guān)聯(lián)式的理解，進(jìn)一步了解影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑； 4.掌握測(cè)溫?zé)犭娕嫉氖褂梅椒?。?1頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)原理 根據(jù)傳熱基本方程、牛頓冷卻定律以及圓筒壁的熱傳導(dǎo)方程，已知傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測(cè)得傳熱速率以及各有關(guān)溫度，即可算出和等。 第12頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三間壁式換熱裝置 對(duì)于間壁式傳熱過(guò)程，可以將其看成是由下述三

5、個(gè)傳熱子過(guò)程串聯(lián)而成：（1）熱流體與固體壁面之間的對(duì)流傳熱過(guò)程；（2）熱量通過(guò)固體壁面的熱傳導(dǎo)過(guò)程；（3）固體壁面與冷流體之間的對(duì)流傳熱過(guò)程。第13頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三1.計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量）熱量衡算方程式：式中：qc-空氣的體積流量（m3/h）； c-空氣的密度（kg/m3); Pc-空氣的定壓比熱容（J/(kgK）或（J/(kg)）； t1-空氣進(jìn)換熱器的溫度（K或）； t2-空氣出換熱器的溫度（K或）。通過(guò)測(cè)定qc、t1、t2可計(jì)算出Q。 第14頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三2.計(jì)算總傳熱系數(shù)由傳熱基本方程式 得：式中：-基于管內(nèi)

6、表面積的總傳熱系數(shù)（W/(m2)）； A-換熱管內(nèi)表面積（m2）； tm-換熱器冷熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差。其中：第15頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三3.計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù) 依據(jù)牛頓冷卻定律： 式中： c、h -分別為冷、熱流體的平均對(duì)流傳熱系數(shù)（W/(m2)）； Ac、Ah-分別為冷、熱流體的傳熱面積，即與流體接觸的壁面積（m2）； tmc、 tmh-分別為冷、熱流體與壁面（或反之）間溫差的平均值（）?；蚱渲校旱?6頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流傳熱時(shí)，研究表明，Nu與Pr和Re之間存在如圖3-1所示的關(guān)系

7、。圖3-1 流動(dòng)狀況與對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)系第17頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三由圖可見：管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流存在三個(gè)不同的區(qū)域：當(dāng)Re10000時(shí)，流體的流動(dòng)為完全湍流狀態(tài)；一般認(rèn)為2300Re10000區(qū)域的流動(dòng)為過(guò)渡狀態(tài)，在三個(gè)區(qū)域風(fēng)流體的對(duì)流傳熱規(guī)律不同。第18頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三流體在圓形直管內(nèi)作湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)其關(guān)聯(lián)式可采用迪圖斯-貝爾特公式描述，即（經(jīng)驗(yàn)式為 ）式中：Nu-努塞樂特準(zhǔn)數(shù)，Nu=id/ ； Re-雷諾準(zhǔn)數(shù)，Re=du/ ； Pr-普朗特準(zhǔn)數(shù)，Pr=CP /； A、m、n-常數(shù)。 當(dāng)流體被加熱時(shí)，n=0.4；當(dāng)流體被冷

8、卻時(shí)，n=0.3。上式適用于流體與管壁溫差不大的場(chǎng)合，對(duì)于氣體，其溫差不超過(guò)50 ；對(duì)于水，溫差不大于20-30 ；對(duì)于黏度隨溫度變化較大的油類其值不超過(guò)10 。上式的其他適用的條件為：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120,管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d60。所采用的特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑d，定性溫度為流體的平均溫度（即管道進(jìn)、出口截面平均溫度的算術(shù)平均值）。第19頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三 當(dāng)溫差超過(guò)推薦的溫差范圍或?qū)τ陴ざ容^高的液體，由于管壁溫度與流體的主體溫度不同而引起壁面附近與流體主體處黏度相差較大，如果采用迪圖斯-貝爾特公式，則計(jì)算的誤差較大，因此可采用齊

9、德-泰特公式進(jìn)行計(jì)算，即式中的特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑d；定性溫度為流體的平均溫度；w 表示是以管壁溫度選取的流體黏度。上式適用范圍：Re104；Pr=0.716700，管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d60。當(dāng)液體被加熱時(shí)，取當(dāng)液體被冷卻時(shí)，取第20頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三 對(duì)于短管（管長(zhǎng)與管徑之比l/d50）內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，由于其全部或絕大部分的管段處于熱邊界層尚未充分發(fā)展的入口段。因此，在計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行入口效應(yīng)的修正，即式中：為采用上式計(jì)算的對(duì)流傳熱系數(shù)； /為流體流經(jīng)短管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)。第21頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三流體在圓形直管

10、內(nèi)呈過(guò)渡流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 管內(nèi)流動(dòng)處于過(guò)渡流狀態(tài)，即在2300Re104的范圍內(nèi)，其傳熱情況比較復(fù)雜。在此情況下的對(duì)流傳熱系數(shù)可先用湍流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算，然后將計(jì)算所得到的對(duì)流傳熱系數(shù)再乘以小于1的修正系數(shù)，即式中：為采用湍流時(shí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算的對(duì)流傳熱系數(shù)； /為過(guò)渡流狀態(tài)下的對(duì)流傳熱系數(shù)。第22頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三流體在圓形直管內(nèi)作層流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù) 流體在圓形直管中作層流強(qiáng)制對(duì)流傳熱的情況比較復(fù)雜，因?yàn)楦郊拥淖匀粚?duì)流往往會(huì)影響層流對(duì)流傳熱。只有在小管徑，且流體與管壁的溫度差別不大的情況下，即Gr25000時(shí)，可按上式計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，然后再乘以修正

11、系數(shù)得到第24頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三流體在圓形直管內(nèi)作湍流時(shí)的A、m常數(shù)的確定流體在圓形直管內(nèi)作湍流時(shí)的關(guān)聯(lián)式：即改寫為 根據(jù)不同流速下測(cè)得有關(guān)數(shù)據(jù)，算出準(zhǔn)數(shù)Nu、Pr和Re的值，用圖解法在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作Nu/PrnRe關(guān)系曲線圖，即可得出A、m的值。第25頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)裝置及流程物系：空氣（冷流體）-蒸汽（熱流體）測(cè)定管長(zhǎng)度：L=1300mm，管內(nèi)徑：di =18mm管壁厚：=2.0mm第26頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)步驟 1.先打開加熱電源開關(guān)，待上壁溫開始升溫后，打開空氣電源開關(guān)

12、，并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)為20 。2.待套管表面發(fā)熱，打開套管底端法蘭下的排氣拷克23次，排除不凝性氣體。3.打開冷流體（?。┫到y(tǒng)的冷卻水開關(guān)，保證冷流體進(jìn)口溫度恒定。3.整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作控制蒸汽壓力恒定在0.04Mpa以下某一刻度，待熱流體進(jìn)口溫度恒定后，改變唯一操作變量即空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門開度，達(dá)到改變流速的目的。5.待冷流體出口溫度顯示值保持5min以上不變時(shí)方可同時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先關(guān)加熱電源，保持空氣繼續(xù)流動(dòng)10min，以足夠冷卻壁溫，保護(hù)熱電偶接促正常。7.上機(jī)數(shù)據(jù)處理的直線相關(guān)系數(shù)要求R0.93，否則，實(shí)驗(yàn)重做。第27頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)

13、記錄及數(shù)據(jù)處理1、原始數(shù)據(jù)記錄表實(shí)驗(yàn)裝置號(hào)： ,di=18mm,=2mm,L=1.3mNo.蒸汽壓力MPa蒸汽溫度空氣流量m3/h空氣進(jìn)口溫度空氣出口溫度下壁溫上壁溫123456第28頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理2、計(jì)算結(jié)果表編號(hào)QWtmtmhtmcK10-2Wm2 c10-3Wm2 h10-2Wm2 Re10-4PrNu12345678第29頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程 1.定性溫度 ，查，Cp，；2.換熱器流通面積：3.換熱器換熱面積：A=dl4.空氣流量(校正值)： 流速：第30頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5

14、月20日，2點(diǎn)9分，星期三數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程5.計(jì)算熱負(fù)荷（熱流量）6.計(jì)算總傳熱系數(shù)K7.計(jì)算對(duì)流給熱系數(shù)c、h8.計(jì)算準(zhǔn)數(shù)值雷諾準(zhǔn)數(shù)： ，表征流體流動(dòng)狀態(tài)；譜郞特準(zhǔn)數(shù)： ，表征流體物性的影響；努塞爾準(zhǔn)數(shù)： ，描述對(duì)流給熱系數(shù)的大小。格拉斯霍夫（Gr)準(zhǔn)數(shù)：描述自然對(duì)流的影響（在強(qiáng)制湍流時(shí)，可忽略） 。第31頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（1）寫出一組數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程，即計(jì)算示例；（2）數(shù)據(jù)整理結(jié)果列成表格，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作Nu/PrnRe關(guān)系曲線，并由圖求出式 中的A、m值，并與 進(jìn)行比較，分析實(shí)驗(yàn)誤差及原因；（3）應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果（c、h、K等）說(shuō)明提高總傳熱系

15、數(shù)關(guān)鍵措施是什么？（若ch，K值接近于h，整個(gè)傳熱過(guò)程為熱流體的傳熱步驟所控制；相反，若ch，K值接近于c，過(guò)程為冷流體對(duì)流傳熱步驟所控制。）第32頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1.實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)儀表學(xué)生不得隨便打開，以防觸電。2.打開加熱電源開關(guān)之前，首先觀察蒸發(fā)器內(nèi)是否有水，并及時(shí)補(bǔ)充水位至2/3處。3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程要注意防止?fàn)C傷（蒸汽發(fā)生器及換熱器部位）。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一定要注意先關(guān)加熱電源開關(guān)，待溫度降至50以下，方可關(guān)閉空氣電源開關(guān)。第33頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)思考題(1)1.改變空氣流量后，如何使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定？

16、2.實(shí)驗(yàn)中蒸汽側(cè)的吸熱量和空氣側(cè)的放熱量，哪個(gè)用于估算總的傳熱量更合理？3.當(dāng)空氣進(jìn)口溫度不變而流量減小時(shí)，空氣出口溫度有何變化？4.為提高總傳熱系數(shù)K，可采用哪些方法？5.本實(shí)驗(yàn)過(guò)程傳熱的阻力主要在那里？6.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)溫度不穩(wěn)或偏差？如何進(jìn)行排除？7.影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素有哪些？第34頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三實(shí)驗(yàn)思考題(2)8.本實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的壁面溫度是靠近蒸汽的溫度，還是接近空氣側(cè)的溫度？為什么？9.對(duì)于同一個(gè)換熱器，若冷、熱流體的流量均不變，僅改變操作方式（逆流操作變?yōu)椴⒘鞑僮?，或并流操作變?yōu)槟媪鞑僮鳎?，試問總傳熱系?shù)是否發(fā)生變化？10.當(dāng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥關(guān)小時(shí)，流量計(jì)和計(jì)前壓差計(jì)的讀數(shù)將如何變化？為什么？11.為什么壁溫與蒸汽溫度很接近，而與空氣溫度相差較大？12.當(dāng)空氣流速增大時(shí)，空氣離開換熱器的溫度將升高還是降低？為什么？第35頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三固定管板式管殼加熱器第36頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三U型管管殼式加熱器第37頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三列管式換熱器第38頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三套管式水-水加熱器第39頁(yè)，共47頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)9分，星期三夾套換熱器第40