傳熱膜系數(shù)的測定

傳熱膜系數(shù)的測定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)α及傳熱系數(shù)K的測定方法，并分析影響α的因素2、通過實(shí)驗(yàn)掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；用圖解法和線性回歸法對αi的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的常數(shù)3、通過對管程內(nèi)部插有螺旋形麻花鐵的空氣—水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測定其特征數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu'=BRem中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化4、通過測定5~6個不同流速下套管換熱器的管內(nèi)壓降。并在同一坐標(biāo)系下繪制普通管與強(qiáng)化管的關(guān)系曲線。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果5、學(xué)會測溫電偶的工作原理、使用方法。二、基本原理(1)套管式傳熱膜系數(shù)的測定對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，當(dāng)流體無相變時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：Nu=ARe對于強(qiáng)制湍流而言，Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略，故Nu=ARe本實(shí)驗(yàn)中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實(shí)驗(yàn)可簡化上式，即取n＝0.4（流體被加熱）。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取對?shù)，即得到直線方程：lg在雙對數(shù)坐標(biāo)中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點(diǎn)的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即：A=用圖解法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)確定直線位置有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計算機(jī)對多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時得到A、m、n?？梢钥闯鰧Ψ匠痰年P(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為：雷諾數(shù)Re=duρμ，努塞爾數(shù)Nu=α1式中d——換熱器內(nèi)管內(nèi)徑，m；α1——空氣傳熱膜系數(shù)，Wλ——空氣的熱導(dǎo)率，kgmcp——空氣定壓比熱容，Jμ——空氣的粘度，Pa?s實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量以改變Re準(zhǔn)數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）計算對應(yīng)的Pr準(zhǔn)數(shù)值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)α值進(jìn)而算得Nu準(zhǔn)數(shù)值。因?yàn)榭諝鈧鳠崮は禂?shù)α1遠(yuǎn)小于蒸汽傳熱膜系數(shù)α2，所以傳熱管的對流傳熱系數(shù)α1約等于冷流體間的總傳熱系數(shù)K,即牛頓冷卻定律：Q=α式中：A——總傳熱面積m2（內(nèi)管內(nèi)表面積）。?tm?其中?t1T——蒸汽側(cè)溫度，可近似用外壁面平均溫度Tw傳熱量Q可由下式求得：Q=W式中W——空氣質(zhì)量流量，kghcp——空氣定壓比熱容，t1，t2——Vs——流體體積流量，空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量Vs與孔板流量計壓降Δp的關(guān)系為V式中Δp——孔板流量計壓降，kPa。(2)管內(nèi)強(qiáng)化傳熱系數(shù)的測定強(qiáng)化傳熱技術(shù)被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減少設(shè)計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有的穿熱氣的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減小換熱器的阻力以減小換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法很多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋形麻花鐵的方法來強(qiáng)化傳熱的。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋形麻花鐵的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地收到螺旋形金屬的擾動，因而可以使傳熱強(qiáng)化。強(qiáng)化傳熱時Nu'=BRem，其中B、m的值因螺旋形麻花鐵的尺寸不同而不同。同樣可以用線性回歸方法確定B、m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為準(zhǔn)則，即強(qiáng)化管的努塞爾數(shù)Nu'與普通管的努塞爾數(shù)Nu之比。顯然，強(qiáng)化比Nu三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1、實(shí)驗(yàn)裝置2、流程說明本裝置流程如圖所示?？諝庾邇?nèi)管，蒸汽走環(huán)隙。內(nèi)管為黃銅管，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計計量后，進(jìn)入換熱器內(nèi)管，并與套管環(huán)隙中蒸汽換熱?？諝獗患訜岷?，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進(jìn)入套管環(huán)隙，與內(nèi)管的冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器。放空閥門用于排放不凝性氣體。在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(wěn)定段，是為消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。3、裝置及控制點(diǎn)參數(shù)裝置參數(shù)序號名稱規(guī)格備注01內(nèi)管內(nèi)徑0.02m，l=1.25m黃銅材質(zhì)02強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物麻花鐵厚4mm;麻花間距H=12.5mm,共6節(jié)不銹鋼材質(zhì)03蒸汽發(fā)生器加熱功率為1.5kW不銹鋼材質(zhì)04XGB-12型漩渦氣泵P=100電機(jī)功率500W05孔板流量計0~20kPaV控制參數(shù)序號名稱傳感元件備注1孔板壓差壓阻式壓力傳感器ASCOM5320測量范圍0~20kPa2入口溫度Pt100置于進(jìn)出口中心3出口溫度Pt1004水蒸氣入口壁溫Pt1005水蒸氣出口壁溫K型電熱偶四、操作流程1、實(shí)驗(yàn)開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/2～2/3，液位過高，i溢出進(jìn)入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。3、打開總電源開關(guān)（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實(shí)驗(yàn)開始時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，約10min，啟動風(fēng)機(jī)，并打開放氣閥。5、調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀書不應(yīng)從0開始，最低不應(yīng)小于0.1KPa。實(shí)驗(yàn)中要合理取點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻。6、將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，切記每改變一個流量后，應(yīng)等到讀書穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)，改變空氣流量（8～10次），重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。（注意：第一個點(diǎn)必須穩(wěn)定足夠長的時間）7、最小、最大流量值一定要做。8、轉(zhuǎn)換內(nèi)容，進(jìn)行強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)，測定8~10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。9、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，過5min后再停風(fēng)機(jī)，并將旁路閥全開，清理現(xiàn)場。10、切斷總電源。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、直管傳熱a.原始數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度t空氣出口壁溫1壁溫2孔板壓降溫度tTT/(KPa)139.569.199.9100.13.02240.369.699.91002.64341.170.599.9100.12.4644271.399.91002.22542.871.899.91002.04645.472.499.9100.11.91744.172.8100100.11.71845.174.299.8100.21.45945.374.599.9100.21.091044.874.699.9100.10.761144.67599.9100.10.51242.974.3100.1100.20.31341.573.4100.1100.30.26b.處理后的數(shù)據(jù)序號對數(shù)平溫度?tm/Vm傳熱量Q/WA×?tαWReNuNu144.0847.59430.573.46124.444607387.14100.66243.3744.26395.563.40116.184269181.2293.84342.5442.60381.063.34114.104089879.6191.98441.6140.30358.353.27109.723850976.3988.27540.9638.50338.173.22105.163665773.1084.48639.6037.16302.353.1197.263506067.3577.85739.9135.00303.183.1396.783311167.0977.54838.5932.02280.163.0392.493008663.9373.90938.3527.45240.793.0179.982575355.2563.861038.4222.59202.383.0267.112122046.3853.611138.2318.02164.623.0054.851691637.9043.811239.5013.68129.533.1041.771292528.9433.451340.7112.66122.243.2038.251204126.5830.722、強(qiáng)化傳熱a.原始數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度t空氣出口溫度t壁溫1T壁溫2T孔板壓降/(KPa)252.583.9100.1100.21.5435284100.1100.11.41451.884.1100100.11.3551.984.499.9100.21.11651.784.9100100.20.91751.885.1100.1100.20.76851.385.2100.1100.20.62950.785.4100.1100.30.461047.984.3100.2100.20.351146.582.7100.3100.40.26b.處理后的數(shù)據(jù)序號對數(shù)平溫度?tm/Vm傳熱量Q/WA×?tαWReNuNu129.1034.00282.942.28123.872951983.8196.98229.2133.08295.352.29128.822877987.24100.94329.2431.54287.182.30125.122747184.7798.08429.2030.19277.472.29121.052629982.0294.91528.9827.72256.202.27112.632412176.2888.26628.7124.90234.982.25104.282165070.6081.69728.5522.59213.752.2495.361962764.5474.68828.6520.24195.062.2586.731760358.7267.95928.7817.23170.052.2675.261499950.9858.991030.5714.86154.832.4064.521308143.9150.791132.4712.66131.752.5551.681123435.3040.833、計算。以第一數(shù)據(jù)為例來計算。對數(shù)平均溫度?tm=空氣流量V傳熱量Q=ρVscp(t2-t1)/3600=傳熱膜系數(shù)α=QA×?t努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu=α1雷諾數(shù)Re=duρμ=NuPr0.4=87.14六、討論與分析lnNuPr0.4對普通傳熱，lnNuPr0.4=0強(qiáng)化傳熱，lnNuPr0.4=從圖中可以看出，不管傳熱是否被強(qiáng)化，lnNu/Pr0.4～lnRe關(guān)系曲線的線性都非常好，說明當(dāng)流體無相變時，用量綱分析法推導(dǎo)出的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式Nu=ARemPrn由擬合的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換可以得到普通傳熱：Nu=0.0089Re強(qiáng)化傳熱：Nu=0.0077Re從圖中可以看出，在相同的雷諾數(shù)下，加麻花鐵后的Nu/Pr0.4值比未加麻花鐵時的大，因?yàn)镻r和熱導(dǎo)率λ在實(shí)驗(yàn)條件下變化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器強(qiáng)化傳熱后，傳熱膜系數(shù)α變大。說明增大加熱流體的湍動程度可以強(qiáng)化傳熱。實(shí)驗(yàn)中加入混合器后，空氣的出口溫度明顯變高，但孔板壓降則迅速降低，說明實(shí)驗(yàn)中，傳熱效果的提高是以增大流動阻力為代價的。七、思考題1、將實(shí)驗(yàn)得