空氣-蒸汽對流給熱系數(shù)測定實驗報告及數(shù)據(jù)、答案

空氣—蒸汽對流給熱系數(shù)測定一、實驗?zāi)康蘑蓖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)α1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Am常數(shù)、的值。⒉通過對管程內(nèi)部插有螺紋管的空氣—水蒸氣強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)、的值和強化比BmNu/Nu0，了解強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。空氣由旋渦氣泵吹出，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的支路進(jìn)入換熱器。管程蒸由汽加熱釜發(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。飽和蒸由汽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)d實驗內(nèi)管內(nèi)徑i（mm）16.0017.9250d實驗內(nèi)管外徑o（mm）D實驗外管內(nèi)徑i（mm）D實驗外管外徑o（mm）52.51.30L總管長（紫銅內(nèi)管）（m）l測量段長度（m）1.10蒸汽溫度空氣出口溫度空氣入口溫度空氣壓力孔板流量計測量空氣流量蒸汽壓力圖1空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖31—光滑套管換熱器；2—螺紋管的強化套管換熱器；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①測定6～8個不同流速下光滑管換熱器的對流傳熱系數(shù)α1。②對的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARem中常數(shù)、的值。Amα12、波紋管①測定6～8個不同流速下波紋管換熱器的對流傳熱系數(shù)α1。②對的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)、的值。Bmα1四、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Nu＝CRem（2）Vdu其中：Red4Nud,50℃時，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)0.02826W/(m.K)化工原理實驗對流傳熱實驗待定參數(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。Rem因此：cd2．傳熱量計算努塞爾數(shù)Nu或α1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，空氣從管的末端排出管外，傳遞的熱量由（3）式計算。Q＝Wecpc（t2－t1）=Vρ1cpc（t2－t1）（3）根據(jù)熱傳遞速率Q＝KSΔtm（4）（5）所以KSΔtm=Vρ1cpc（t2－t1）式中：Q——換熱器的熱負(fù)荷（即傳熱速率），kJ／s；We——冷流體的質(zhì)量流量，kg／s；V——冷流體（空氣）的體積流量，m3/s；ρ1一冷流體（空氣）的密度，kg／m3；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；Δtm——蒸汽與空氣的對數(shù)平均溫度差，℃?？諝獾牧髁考皟煞N流體的溫度等可以通過種各測量儀表測得。綜合上面式各即可算出傳5熱總系數(shù)K。3．傳熱膜系數(shù)的計算當(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：11b1(6)K12式中：αl——空氣在圓管中強制對流的傳熱膜系數(shù)，W／（m2·℃）；α2——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)λ比較大）時，11111（7）K12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K≈α1。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)α1。4．努塞爾數(shù)和雷諾數(shù)的計算dVVRedu1(8)11dd2441Vc(tt)ddKdNu(9)1pc2Stm式中：λ——空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；μ一空氣的粘度，Pa·s；d——套管換熱器的內(nèi)管平均直徑，m；ρ1——進(jìn)口溫度t1時的空氣密度，kg／m3。由于熱阻主要集中在空氣一側(cè)，本實驗的傳熱面積S取管子的內(nèi)表面較為合理，即S＝πdl化工原理實驗對流傳熱實驗本裝置d=0．0178m，l=1．327m。5．空氣流量和密度的計算273Pp101330273t11.29(10)空氣密度ρ1可按理想氣體計算：式中：pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮?，Pa；t——孔板流量計前空氣溫度，℃，可取t=t1；空氣的流量由1／4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RVC10（11）1式中：C0——合并整理的流量系數(shù)，其值為C0=0．；R——噴嘴流量計的壓差計示值，mmH2O。V1——空氣的體積流量，m3／s。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（℃）穩(wěn)定。度t17（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5－8分鐘左右讀取壓差計讀數(shù)，讀取空氣入口、出口的溫度值tt、（溫12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6－10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，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)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機電源，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5～10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。

化工原理實驗對流傳熱實驗1.給熱系數(shù)K的計算序號12345671.2091.2081.2061.2041.2021.1971.1920.00190.00240.0030.00350.00410.00460.0057.9810.0912.3714.561719.2121.01空氣進(jìn)口處密度ρKg/m3空氣質(zhì)量流量m2Kg/s空氣流速um/s空氣定性溫度t平均℃41.742.0542.442.7543.444.2545.251.2131.121.1191.1181.1151.1121.108定性溫度下的空氣密度ρ’Kg/m358.557.9157.6357.4256.7455.8546.08冷、熱流體間的對數(shù)平均溫差△tm℃總給熱系數(shù)Kw/㎡·℃29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36七、實驗記錄及數(shù)據(jù)處理2..α理論值的計算21234567序號29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36對流給熱系數(shù)α2w/㎡·℃空氣黏度μ（×10∧-5Pa·s）1.9221.9241.9251.9251.931.9341.9390.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028空氣導(dǎo)熱系數(shù)λW/m·K8058.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.4130.70760.69810.70.70.6970.70690.6966雷諾數(shù)Re普蘭特數(shù)Pr努賽爾數(shù)Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.4945.54α2理論值α2’w/㎡·℃52.0161.4469.9378.7886.0192.9626.6930.0435.3640.2545.2950.0453.16努賽爾數(shù)理論值Nu'3.α理論值與實驗值比較21234567序號α理論值2α實驗值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.9629.8437.4247.154.7964.8173.3895.362α相對誤差0.34480.28050.23340.21650.17720.1468-0.025829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α’誤差2就可能較大。Nu’和實驗時，等待時間不足，導(dǎo)致數(shù)據(jù)未穩(wěn)定時就記錄了。2.1234563.223.313.593.763.894.128.999.159.359.519.669.789.867序號ln(Nu/Pr0.4)3ln(Re)Nu/Pr=APrm準(zhǔn)數(shù)式：0.4冷流體給熱系數(shù)的ln(Nu/Pr0.4)=lnA+mln(Re)lnA=-7.9273，A=0.0256m=1.2124另附上原始實驗數(shù)據(jù)：冷空氣熱蒸汽序號流量進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度進(jìn)口溫度（m3/h）（℃）（℃）64.2064.6065.00（℃）103.10102.90103.00（℃）103.00102.80102.901235.277.308.9519.2019.5019.80化工原理實驗對流傳103.10103.00熱實驗410.6020.3021.0065.2065.8066.5067.20512.30103.10103.00103.10102.90102.90102.90613.9022.00715.2023.304、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數(shù)待據(jù)比較穩(wěn)定時，這樣實驗結(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：