空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件_第1頁(yè)
空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件_第2頁(yè)
空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件_第3頁(yè)
空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件_第4頁(yè)
空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件_第5頁(yè)
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空氣-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置

空氣-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私忾g壁式傳熱元件,掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法。掌握熱電阻測(cè)溫的方法,觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,大量情況下,冷、熱流體系通過(guò)固體壁面(傳熱元件)進(jìn)行熱量交換,稱(chēng)為間壁式換熱。如圖(1)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)流傳熱所組成。二、基本原理3空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件4達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí),有式中:Q-傳熱量,J/s;m1-熱流體的質(zhì)量流率,kg/s;cp1-熱流體的比熱,J/(kg?℃);達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí),有式中:Q-傳熱量,J/s;5T1-熱流體的進(jìn)口溫度,℃;T2-熱流體的出口溫度,℃;m2-冷流體的質(zhì)量流率,kg/s;cp2-冷流體的比熱,J/(kg?℃);t1-冷流體的進(jìn)口溫度,℃;t2-冷流體的出口溫度,℃;1-熱流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);A1-熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積,m2;-熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;2-冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);A2-冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積,m2;-固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;K-以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù),W/(m2?℃);-冷熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;T1-熱流體的進(jìn)口溫度,℃;6熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:TW1-熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度,℃;TW2-熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度,℃。熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:TW1-7固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:tW1-冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度,℃;tW2-冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度,℃。固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:tW1-8熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,9當(dāng)在套管式間壁換熱器中,環(huán)隙通以水蒸氣,內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí),則由式(4-1)得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對(duì)流傳熱系數(shù),當(dāng)在套管式間壁換熱器中,環(huán)隙通以水蒸氣,內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或10實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2;冷空氣或水的進(jìn)出口溫度t1、t2;實(shí)驗(yàn)用紫銅管的長(zhǎng)度l、內(nèi)徑d2,;和冷流體的質(zhì)量流量,即可計(jì)算2。然而,直接測(cè)量固體壁面的溫度,尤其管內(nèi)壁的溫度,實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度大,而且所測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差,帶來(lái)較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此,通過(guò)測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的冷熱流體溫度來(lái)間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實(shí)驗(yàn)研究手段。實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2;冷空氣或水的進(jìn)出口溫度11由上述系列公式得,實(shí)驗(yàn)測(cè)定、、

并查取

下冷流體對(duì)應(yīng)的

換熱面積A,即可由上式計(jì)算得總給熱系數(shù)K。、由上述系列公式得,實(shí)驗(yàn)測(cè)定、、并查取下冷流體對(duì)應(yīng)的換熱12下面通過(guò)兩種方法來(lái)求對(duì)流給熱系數(shù)。近似法求算對(duì)流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對(duì)流給熱系數(shù)間的關(guān)系為,下面通過(guò)兩種方法來(lái)求對(duì)流給熱系數(shù)。13式中:d1-換熱管外徑,m;d2-換熱管內(nèi)徑,m;dm-換熱管的對(duì)數(shù)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?℃);-換熱管外側(cè)的污垢熱阻,;-換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻,。式中:d1-換熱管外徑,m;14用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十到幾百;而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數(shù)可達(dá)~左右,因此冷凝傳熱熱阻可忽略,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,壁厚為2.5mm,因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十15若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì),則,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,此法所得的準(zhǔn)確性就越高。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì),則,由此可見(jiàn),被162、傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí),若符合如下范圍內(nèi):

Re=1.0×104~1.2×105,Pr=0.7~120,管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d≥60,則傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為,2、傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流17式中:Nu-努塞爾數(shù),,無(wú)因次;Re-雷諾數(shù),,無(wú)因次;Pr-普蘭特?cái)?shù),,無(wú)因次;式中:Nu-努塞爾數(shù),,無(wú)因次;18當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4,流體被冷卻時(shí)n=0.3;

-流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);d-換熱管內(nèi)徑,m;-流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃);u-流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度,m/s;-流體的密度,kg/m3;-流體的粘度,Pa?s;cp-流體的比熱,J/(kg?℃)。當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4,流體被冷卻時(shí)n=0.3;19對(duì)于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流被加熱時(shí),可上式改寫(xiě)為,令,

對(duì)于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流被加熱時(shí),可上式改寫(xiě)為,令,20空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件21則,當(dāng)測(cè)定管內(nèi)不同流量下的對(duì)流給熱系數(shù)時(shí),

C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時(shí),m也為常數(shù)。因此,實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定不同流量所對(duì)應(yīng)的求取一系列X、Y值,再在X~Y圖上作圖或?qū)⑺玫腦、Y值回歸成一直線(xiàn),該直線(xiàn)的斜率即為m。

則,當(dāng)測(cè)定管內(nèi)不同流量下的對(duì)流給熱系數(shù)時(shí),C值為一常數(shù)。管22任一冷流體流量下的給熱系數(shù)2可用下式求得,任一冷流體流量下的給熱系數(shù)2可用下式求得,233、冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定(1)若用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定冷空氣的流量,還須用下式換算得到實(shí)際的流量,3、冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定24式中:V'—實(shí)際被測(cè)流體的體積流量,m3/s;ρ‘—實(shí)際被測(cè)流體的密度,kg/m3;均可取下對(duì)應(yīng)水或空氣的密度,見(jiàn)冷流體物性與溫度的關(guān)系式;V—標(biāo)定用流體的體積流量,m3/s;ρ—標(biāo)定用流體的密度,kg/m3;對(duì)水ρ=1000kg/m3;對(duì)空氣ρ=1.205kg/m3;ρf—轉(zhuǎn)子材料密度,單位kg/m3。式中:V'—實(shí)際被測(cè)流體的體積流量,m3/s;25于是(2)若用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量,則,式中,V為冷流體進(jìn)口處流量計(jì)讀數(shù),ρ為冷流體進(jìn)口溫度下對(duì)應(yīng)的密度。于是(2)若用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量,則,式中,V為冷264、冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0~100℃之間,冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。(1)空氣的密度與溫度的關(guān)系式:(2)空氣的比熱與溫度的關(guān)系式:60℃以下=J/(kg?℃),70℃以上=J/(kg?℃)。4、冷流體物性與溫度的關(guān)系式27(3)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式:(4)空氣的黏度與溫度的關(guān)系式:(3)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式:28三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程29空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件301—風(fēng)機(jī);2—冷流體管路;3冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥;4—孔板流量計(jì);5—冷流體進(jìn)口溫度;6—排空閥;7—蒸汽溫度;8—視鏡;9—冷流體進(jìn)口溫度;10—壓力表;11—冷凝水排空閥;12—蒸汽進(jìn)口閥;13—冷凝水排空閥;14—蒸汽進(jìn)口管路;15—冷流體出口管路;圖1空氣-水蒸氣換熱流程圖1—風(fēng)機(jī);2—冷流體管路;3冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥;4—孔板流量計(jì)31來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙,與來(lái)自風(fēng)機(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換,冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管(紫銅管),熱交換后排出裝置外。來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙,與來(lái)自風(fēng)機(jī)的322.設(shè)備與儀表規(guī)格(1)紫銅管規(guī)格:直徑φ21×2.5mm,長(zhǎng)度L=1000mm(2)外套不銹鋼管規(guī)格:直徑φ100×5mm,長(zhǎng)度L=1000mm(4)鉑熱電阻及無(wú)紙記錄儀溫度顯示(5)全自動(dòng)蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表2.設(shè)備與儀表規(guī)格33四、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)(一)實(shí)驗(yàn)步驟打開(kāi)控制面板上的總電源開(kāi)關(guān),打開(kāi)儀表電源開(kāi)關(guān),使儀表通電預(yù)熱,觀察儀表顯示是否正常。在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水至水箱的球體中部,開(kāi)啟發(fā)生器電源,使水處于加熱狀態(tài)。到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處于保溫狀態(tài)。四、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)34打開(kāi)控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān),讓風(fēng)機(jī)工作,同時(shí)打開(kāi)冷流體進(jìn)口閥,讓套管換熱器里充有一定量的空氣。打開(kāi)冷凝水出口閥,排出上次實(shí)驗(yàn)余留的冷凝水,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也保持一定開(kāi)度。注意開(kāi)度適中,開(kāi)度太大會(huì)使換熱器中的蒸汽跑掉,開(kāi)度太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過(guò)大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。打開(kāi)控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān),讓風(fēng)機(jī)工作,同時(shí)打開(kāi)冷流體進(jìn)口35在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是:關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門(mén),打開(kāi)裝置下面的排冷凝水閥門(mén),讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走,當(dāng)聽(tīng)到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥,方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸充滿(mǎn)系統(tǒng)中,使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”,不得少于10分鐘,防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排36在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是:關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門(mén),打開(kāi)裝置下面的排冷凝水閥門(mén),讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走,當(dāng)聽(tīng)到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥,方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸充滿(mǎn)系統(tǒng)中,使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”,不得少于10分鐘,防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排37記錄6~8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器,關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥,關(guān)閉儀表電源,待系統(tǒng)逐漸冷卻后關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源,待冷凝水流盡,關(guān)閉冷凝水出口閥,關(guān)閉總電源。打開(kāi)實(shí)驗(yàn)軟件,輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行后續(xù)處理。記錄6~8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器,關(guān)閉蒸汽38(二)注意事項(xiàng)先打開(kāi)排冷凝水的閥1,注意只開(kāi)一定的開(kāi)度,開(kāi)的太大會(huì)使換熱器里的蒸汽跑掉,開(kāi)的太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣后,方可開(kāi)啟蒸汽閥門(mén),且必須在排除蒸汽管線(xiàn)上原先積存的凝結(jié)水后,方可把蒸汽通入套管換熱器中。(二)注意事項(xiàng)39剛開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸加熱,由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”,不得少于10分鐘,以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。操作過(guò)程中,蒸汽壓力一般控制在0.02MPa(表壓)以下,否則可能造成不銹鋼管爆裂和填料損壞。確定各參數(shù)時(shí),必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下,隨時(shí)注意蒸汽量的調(diào)節(jié)和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。剛開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入40五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理打開(kāi)數(shù)據(jù)處理軟件,在教師界面左上“設(shè)置”的下拉菜單中輸入裝置參數(shù)管長(zhǎng)、管內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子密度。(在本套裝置中,管長(zhǎng)為1m,管內(nèi)徑為16mm,轉(zhuǎn)子流量計(jì)的轉(zhuǎn)子密度為ρf=)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理41數(shù)字型裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接倒入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軟件,可以表格形式得到本實(shí)驗(yàn)所要的最終處理結(jié)果,點(diǎn)“顯示曲線(xiàn)”,則可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線(xiàn)對(duì)比圖和擬合公式。--數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤,或明顯不符合實(shí)驗(yàn)情況,程序會(huì)有警告對(duì)話(huà)框跳出。每次修改數(shù)據(jù)后,都應(yīng)點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”,再按2步中次序,點(diǎn)擊“顯示結(jié)果”和“顯示曲線(xiàn)”。--記錄軟件處理結(jié)果,并可作為手算處理的對(duì)照。結(jié)束,點(diǎn)“退出程序”。數(shù)字型裝置可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直接倒入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)軟件,可以表格形式得到42六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、冷流體給熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與理論值列表比較,計(jì)算各點(diǎn)誤差,并分析討論。2、冷流體給熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)式:,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖擬合曲線(xiàn)方程,確定式中常數(shù)A及m。3、以為縱坐標(biāo),為橫坐標(biāo),將兩種方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果標(biāo)繪在圖上,并與教材中的經(jīng)驗(yàn)式比較。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告43七、思考題1、實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向,對(duì)傳熱效果有何影響?2、在計(jì)算空氣質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否一致?它們分別表示什么位置的密度,應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算。3、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,冷凝水不及時(shí)排走,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)α關(guān)聯(lián)式有何影響?七、思考題44空氣-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置

空氣-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置45一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私忾g壁式傳熱元件,掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法。掌握熱電阻測(cè)溫的方法,觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?6二、基本原理在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,大量情況下,冷、熱流體系通過(guò)固體壁面(傳熱元件)進(jìn)行熱量交換,稱(chēng)為間壁式換熱。如圖(1)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)流傳熱所組成。二、基本原理47空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件48達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí),有式中:Q-傳熱量,J/s;m1-熱流體的質(zhì)量流率,kg/s;cp1-熱流體的比熱,J/(kg?℃);達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí),有式中:Q-傳熱量,J/s;49T1-熱流體的進(jìn)口溫度,℃;T2-熱流體的出口溫度,℃;m2-冷流體的質(zhì)量流率,kg/s;cp2-冷流體的比熱,J/(kg?℃);t1-冷流體的進(jìn)口溫度,℃;t2-冷流體的出口溫度,℃;1-熱流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);A1-熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積,m2;-熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;2-冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);A2-冷流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積,m2;-固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;K-以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù),W/(m2?℃);-冷熱流體的對(duì)數(shù)平均溫差,℃;T1-熱流體的進(jìn)口溫度,℃;50熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:TW1-熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度,℃;TW2-熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度,℃。熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:TW1-51固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:tW1-冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度,℃;tW2-冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度,℃。固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,式中:tW1-52熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由下式計(jì)算,53當(dāng)在套管式間壁換熱器中,環(huán)隙通以水蒸氣,內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或水進(jìn)行對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí),則由式(4-1)得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對(duì)流傳熱系數(shù),當(dāng)在套管式間壁換熱器中,環(huán)隙通以水蒸氣,內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣或54實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2;冷空氣或水的進(jìn)出口溫度t1、t2;實(shí)驗(yàn)用紫銅管的長(zhǎng)度l、內(nèi)徑d2,;和冷流體的質(zhì)量流量,即可計(jì)算2。然而,直接測(cè)量固體壁面的溫度,尤其管內(nèi)壁的溫度,實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度大,而且所測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差,帶來(lái)較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此,通過(guò)測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的冷熱流體溫度來(lái)間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實(shí)驗(yàn)研究手段。實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2;冷空氣或水的進(jìn)出口溫度55由上述系列公式得,實(shí)驗(yàn)測(cè)定、、

并查取

下冷流體對(duì)應(yīng)的

換熱面積A,即可由上式計(jì)算得總給熱系數(shù)K。、由上述系列公式得,實(shí)驗(yàn)測(cè)定、、并查取下冷流體對(duì)應(yīng)的換熱56下面通過(guò)兩種方法來(lái)求對(duì)流給熱系數(shù)。近似法求算對(duì)流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對(duì)流給熱系數(shù)間的關(guān)系為,下面通過(guò)兩種方法來(lái)求對(duì)流給熱系數(shù)。57式中:d1-換熱管外徑,m;d2-換熱管內(nèi)徑,m;dm-換熱管的對(duì)數(shù)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?℃);-換熱管外側(cè)的污垢熱阻,;-換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻,。式中:d1-換熱管外徑,m;58用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十到幾百;而管外為蒸汽冷凝,冷凝給熱系數(shù)可達(dá)~左右,因此冷凝傳熱熱阻可忽略,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,壁厚為2.5mm,因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十59若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì),則,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,此法所得的準(zhǔn)確性就越高。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì),則,由此可見(jiàn),被602、傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí),若符合如下范圍內(nèi):

Re=1.0×104~1.2×105,Pr=0.7~120,管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比l/d≥60,則傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為,2、傳熱準(zhǔn)數(shù)式求算對(duì)流給熱系數(shù)對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流61式中:Nu-努塞爾數(shù),,無(wú)因次;Re-雷諾數(shù),,無(wú)因次;Pr-普蘭特?cái)?shù),,無(wú)因次;式中:Nu-努塞爾數(shù),,無(wú)因次;62當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4,流體被冷卻時(shí)n=0.3;

-流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2?℃);d-換熱管內(nèi)徑,m;-流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?℃);u-流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度,m/s;-流體的密度,kg/m3;-流體的粘度,Pa?s;cp-流體的比熱,J/(kg?℃)。當(dāng)流體被加熱時(shí)n=0.4,流體被冷卻時(shí)n=0.3;63對(duì)于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流被加熱時(shí),可上式改寫(xiě)為,令,

對(duì)于水或空氣在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流被加熱時(shí),可上式改寫(xiě)為,令,64空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件65則,當(dāng)測(cè)定管內(nèi)不同流量下的對(duì)流給熱系數(shù)時(shí),

C值為一常數(shù)。管內(nèi)徑d2一定時(shí),m也為常數(shù)。因此,實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)定不同流量所對(duì)應(yīng)的求取一系列X、Y值,再在X~Y圖上作圖或?qū)⑺玫腦、Y值回歸成一直線(xiàn),該直線(xiàn)的斜率即為m。

則,當(dāng)測(cè)定管內(nèi)不同流量下的對(duì)流給熱系數(shù)時(shí),C值為一常數(shù)。管66任一冷流體流量下的給熱系數(shù)2可用下式求得,任一冷流體流量下的給熱系數(shù)2可用下式求得,673、冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定(1)若用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定冷空氣的流量,還須用下式換算得到實(shí)際的流量,3、冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定68式中:V'—實(shí)際被測(cè)流體的體積流量,m3/s;ρ‘—實(shí)際被測(cè)流體的密度,kg/m3;均可取下對(duì)應(yīng)水或空氣的密度,見(jiàn)冷流體物性與溫度的關(guān)系式;V—標(biāo)定用流體的體積流量,m3/s;ρ—標(biāo)定用流體的密度,kg/m3;對(duì)水ρ=1000kg/m3;對(duì)空氣ρ=1.205kg/m3;ρf—轉(zhuǎn)子材料密度,單位kg/m3。式中:V'—實(shí)際被測(cè)流體的體積流量,m3/s;69于是(2)若用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量,則,式中,V為冷流體進(jìn)口處流量計(jì)讀數(shù),ρ為冷流體進(jìn)口溫度下對(duì)應(yīng)的密度。于是(2)若用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量,則,式中,V為冷704、冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0~100℃之間,冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。(1)空氣的密度與溫度的關(guān)系式:(2)空氣的比熱與溫度的關(guān)系式:60℃以下=J/(kg?℃),70℃以上=J/(kg?℃)。4、冷流體物性與溫度的關(guān)系式71(3)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式:(4)空氣的黏度與溫度的關(guān)系式:(3)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式:72三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1.實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程73空氣蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定裝置課件741—風(fēng)機(jī);2—冷流體管路;3冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥;4—孔板流量計(jì);5—冷流體進(jìn)口溫度;6—排空閥;7—蒸汽溫度;8—視鏡;9—冷流體進(jìn)口溫度;10—壓力表;11—冷凝水排空閥;12—蒸汽進(jìn)口閥;13—冷凝水排空閥;14—蒸汽進(jìn)口管路;15—冷流體出口管路;圖1空氣-水蒸氣換熱流程圖1—風(fēng)機(jī);2—冷流體管路;3冷流體進(jìn)口調(diào)節(jié)閥;4—孔板流量計(jì)75來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙,與來(lái)自風(fēng)機(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換,冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管(紫銅管),熱交換后排出裝置外。來(lái)自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙,與來(lái)自風(fēng)機(jī)的762.設(shè)備與儀表規(guī)格(1)紫銅管規(guī)格:直徑φ21×2.5mm,長(zhǎng)度L=1000mm(2)外套不銹鋼管規(guī)格:直徑φ100×5mm,長(zhǎng)度L=1000mm(4)鉑熱電阻及無(wú)紙記錄儀溫度顯示(5)全自動(dòng)蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表2.設(shè)備與儀表規(guī)格77四、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)(一)實(shí)驗(yàn)步驟打開(kāi)控制面板上的總電源開(kāi)關(guān),打開(kāi)儀表電源開(kāi)關(guān),使儀表通電預(yù)熱,觀察儀表顯示是否正常。在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水至水箱的球體中部,開(kāi)啟發(fā)生器電源,使水處于加熱狀態(tài)。到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處于保溫狀態(tài)。四、實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)78打開(kāi)控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān),讓風(fēng)機(jī)工作,同時(shí)打開(kāi)冷流體進(jìn)口閥,讓套管換熱器里充有一定量的空氣。打開(kāi)冷凝水出口閥,排出上次實(shí)驗(yàn)余留的冷凝水,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也保持一定開(kāi)度。注意開(kāi)度適中,開(kāi)度太大會(huì)使換熱器中的蒸汽跑掉,開(kāi)度太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過(guò)大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。打開(kāi)控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開(kāi)關(guān),讓風(fēng)機(jī)工作,同時(shí)打開(kāi)冷流體進(jìn)口79在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是:關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門(mén),打開(kāi)裝置下面的排冷凝水閥門(mén),讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走,當(dāng)聽(tīng)到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥,方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸充滿(mǎn)系統(tǒng)中,使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”,不得少于10分鐘,防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排80在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是:關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門(mén),打開(kāi)裝置下面的排冷凝水閥門(mén),讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走,當(dāng)聽(tīng)到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥,方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。開(kāi)始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開(kāi)度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中,逐漸充滿(mǎn)系統(tǒng)中,使系統(tǒng)由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”,不得少于10分鐘,防止不銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。在通水蒸汽前,也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排81記錄6~8組實(shí)驗(yàn)數(shù)

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