實驗五對流傳熱系數(shù)

實驗五對流傳熱系數(shù)的測定PAGEPAGE26實驗五對流傳熱系數(shù)的測定實驗目的學會對流傳熱系數(shù)的測定方法。測定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強制對流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準數(shù)關聯(lián)式，以檢驗通用的對流傳熱準數(shù)關聯(lián)式。了解影響對流傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。二、實驗內(nèi)容測定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱器中的進、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)。三、基本原理1．準數(shù)關聯(lián)式對流傳熱系數(shù)是研究傳熱過程及換熱器性能的一個很重要的參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中經(jīng)常采用間壁式換熱裝置來達到物料的冷卻和加熱目的，這種傳熱過程是冷熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進行的熱量交換，由熱流體對固體壁面的對流傳熱、固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。由傳熱速率方程式知，單位時間、單位傳熱面所傳遞的熱量為q=K(T-t)（5—1）而對流傳熱所傳遞的熱量，對于冷熱流體可由牛頓定律表示q=h·(T-Tw1)（5—2）或q=c·(tw2-t)（5—3）式中q———傳熱量，W/m2；———給熱系數(shù)，W/m2·T———熱流體溫度，℃；t———冷流體溫度，℃；Tw1、tw2———熱、冷流體側(cè)的壁溫，℃；下標：c——冷側(cè)h——熱側(cè)。由于對流傳熱過程十分復雜，影響因素極多，目前尚不能通過解析法得到對流傳熱系數(shù)的關系式，它必須由實驗加以測定獲得各影響因素與對流傳熱系數(shù)的定量關系。為了減少實驗工作量，采用因次分析法將有關的影響因素無因次化處理后組成若干個無因次數(shù)群，從而獲得描述對流傳熱過程的無因次方程。在此基礎上組織實驗，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到相應的關系式，如流體在圓形（光滑）直管中做強制對流傳熱時傳熱系的變化規(guī)律可用如下準數(shù)關聯(lián)式表示Nu=CRemPrn(5—4)(5—5)(5—6)式中Nu———努塞爾特準數(shù)；Re———雷諾準數(shù)；Pr———普蘭特準數(shù)；w———空氣的質(zhì)量流量，Kgs；d———熱管內(nèi)徑，m；A———換熱管截面積，m2；———定性溫度下空氣的粘度，Pa·S；———定性溫度下空氣的導熱系數(shù)，W(m·℃)；———對流傳熱系數(shù)，W(m2·℃)。當流體被加熱時，n=0.4；被冷卻時，n=0.3。此式的適用范圍：Re>10000，0.7<Pr<120，長與管徑比，低粘度的流體(<2倍常溫下水的粘度)。計算各物理量的定性溫度用進出口溫度的算術平均值。對空氣而言，在較大的溫度和壓力范圍內(nèi)Pr準數(shù)實際上保持不變，取Pr=0.7。因空氣被加熱，取n=0.4，則（5—4）式可簡化為：(C’=C·Prn=0.867C)（5—7）對于螺旋槽管的準數(shù)關聯(lián)式：2．對流傳熱系數(shù)的測定在套管換熱器中，環(huán)隙中通水蒸汽，內(nèi)管管內(nèi)通空氣，水蒸冷凝放熱加熱空氣，當傳熱達到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)i與總傳熱系數(shù)K有以下關系：（5—8）式中———管壁厚度，m；———管壁材料的導熱系數(shù)，W(m·℃)；i———管內(nèi)對流傳熱系數(shù)，W(m2·℃)；o———管外對流傳熱系數(shù)，W(m2·℃)。因管內(nèi)流動的是空氣，管外流動的是水蒸汽，所以兩側(cè)污垢熱阻可不計。式中為黃銅管壁熱傳導的熱阻，其中=0.001m，=377W(m·℃)，所以很小，為蒸汽冷凝膜的熱阻，與相比很小可以忽略，所以。根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關系(5—9)其中式中Q———傳熱速率，W；K———總傳熱系數(shù)，W(m2·℃)；W———空氣的質(zhì)量流量，Kgs；Cp———空氣的平均比熱，J(Kg·℃)；t出———空氣出口溫度，℃；t進———空氣進口溫度，℃；t———對數(shù)平均溫度差，℃；T———蒸汽溫度，℃。于是式(5—9)可改寫成Q=（5—10）從而得到管內(nèi)空氣對流傳熱系數(shù)的計算式(5—11)式中VS———空氣的體積流量，m3s；———流經(jīng)流量計處空氣密度，Kgm3。所以當傳熱達到穩(wěn)定后，用蒸汽溫度可計算出tm，利用儀器測出各數(shù)據(jù)，就能計算出實測值i，從而整理出Nu準數(shù)與Re準數(shù)之間的函數(shù)關系，最后確定出式中的C與指數(shù)m。3．Re與Nu的計算（5—12）式中di———管內(nèi)徑，m；———定性溫度下空氣的粘度，Pa·S；（5—13）式中———定性溫度下空氣的導熱系數(shù)，W(m·℃)。4．流量的測量和密度的計算(5—14)式中Pa———大氣壓強(可取當?shù)卮髿鈮?mmHgRp———流量計前端被測介質(zhì)表壓強mmHgt———流量計前端被測介質(zhì)溫度(可取t=t進)℃式中V0———轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)；go———標定轉(zhuǎn)子時空氣的密度；s———實際操作情況時氣體密度。四、實驗裝置及流程1．實驗流程本實驗有四套套管換熱器組成，其中一套是螺旋槽管，另三套是光滑管?？諝庥娠L機輸送，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后送套管換熱器內(nèi)管換熱后排向大氣。蒸汽由蒸汽發(fā)生器經(jīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥送入套管換熱器的套管環(huán)隙，不凝性氣體由放氣閥排出，冷凝水由排液閥排出。實驗裝置流程如圖所示。112346578910111213對流傳熱實驗裝置流程圖蒸汽發(fā)生器2．壓力表3．安全閥4．套管換熱器5．儀表箱6．U型管壓差計7．放氣閥8．轉(zhuǎn)子流量計9．旁通閥10．氣泵11．冷凝水罐12．溫度顯示儀13．閥門

2．主要設備儀表規(guī)格光滑管：di=17.8mm；螺旋槽管：Di=17.8mm；光滑管與螺旋槽管均為黃銅管，換熱管長度均為1.224m；風機型號：D2—4型微音氣泵；銅電阻：Cu50型；蒸汽發(fā)生器：用219×6mm不銹鋼管制成，由2kW電加熱棒加熱，其中1kW為常加熱，1kW由智能程序控溫儀控制并顯示其中溫度；流量計：LZB—40空氣轉(zhuǎn)子流量計，范圍：6~60m3/h。五、實驗方法把蒸汽發(fā)生器加蒸餾水至恒定水位，然后關閉蒸汽閥，打開總電源開關，給溫控儀設定適當溫度。待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設定溫度時，打開蒸汽閥門，使蒸汽進入套管環(huán)隙，并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥，以便冷凝水及時排除。打開空氣旁通閥，開啟風機，調(diào)節(jié)閥門使流量到指定刻度，待穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)改變空氣流量，穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束后，先關閉空氣調(diào)節(jié)閥后關閉風機，最后關閉總電源開關。讀大氣壓力計值，記錄操作條件下大氣壓強值。注意:實驗過程中應及時排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中，盡量不要影響實驗操作的穩(wěn)定性。六、實驗報告