化工原理二對流傳熱系數(shù)電子教案

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1、1,第四章、實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,2,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,一、實(shí)驗(yàn)原理 1、對流傳熱過程分析 對流傳熱（對流給熱）是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動狀況密切相關(guān)。實(shí)質(zhì)上對流傳熱是流體的對流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體流過固體表面時與固體表面間發(fā)生的熱量交換。這一過程稱為對流給熱。,,3,一、實(shí)驗(yàn)原理,熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程,,4,一、實(shí)驗(yàn)原理,2、對流傳熱過程的數(shù)學(xué)描述 流體被冷卻時， 流體被加熱時 上兩式稱為牛頓冷卻定律。它并非理論推導(dǎo)的結(jié)果，它只是一種推論，是一個實(shí)驗(yàn)定律，假設(shè)Qt。對流

2、傳熱是一個非常復(fù)雜的物理過程，實(shí)際上由于有效膜厚度難以測定，牛頓冷卻定律只是給出了計算傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并未簡化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)到了當(dāng)中復(fù)雜問題簡單化表示。,,,5,一、實(shí)驗(yàn)原理,影響因素： （1）間壁傳熱由對流傳熱導(dǎo)熱對流傳熱三 個過程組成。 （2）同一管壁界面上的溫度以折線表示，且逐 步下降，其層流內(nèi)層熱阻最大，因而溫降 也最大。 （3）對流傳熱是由層流內(nèi)層的導(dǎo)熱和層流外層 的流體質(zhì)點(diǎn)作相對位移和傳熱混合的統(tǒng)稱。 （4）為簡化處理，對流傳熱作為通過厚度 的 傳熱邊界層的導(dǎo)熱處理。必須指出是不存 在的，為了處理問題而假設(shè)的。,,,6,一、實(shí)驗(yàn)原理,

3、3、影響對流傳熱系數(shù)的因素 （1） 引起流動的原因 自然對流： 強(qiáng)制對流： （2） 流體的物性 影響較大的物性有：，，，cp。 （3） 流動型態(tài) 層流：流體中主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。 湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大；但Re動力消耗大。,7,一、實(shí)驗(yàn)原理,（4）傳熱面的形狀、大小和位置 不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動，使增大。 （1）形狀：比如管、板、管束等； （2）大小：比如管徑和管長等；D/L越小，湍動程度越小 （3）位置：比如管子得排列方式 對于一種類型的傳熱面常用一個對

4、對流傳熱系數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。 （5）是否發(fā)生相變 主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。一般情況下，有相變化時對流傳熱系數(shù)較大。,8,一、實(shí)驗(yàn)原理,4、獲得給熱系數(shù)的方法 解析法：對所考察的流場建立動量傳遞、熱量傳遞的衡算方程和速率方程，在少數(shù)簡單的情況下可以聯(lián)立求解流場的溫度分布和壁面熱流密度，然后將所得結(jié)果改寫成牛頓冷卻定律的形式，獲得給熱系數(shù)的理論計算式。這是對流給熱過程的解析解。這是一個復(fù)雜的過程，一般用于理論討論。 數(shù)學(xué)模型法：對給熱過程作出簡化的物理模型和數(shù)學(xué)描述，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或修正模型，確定模型參數(shù)。 因次分析法：將影響給熱的因素?zé)o因次化，通過實(shí)驗(yàn)決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系

5、。這是理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法，在對流給熱中廣為使用。 實(shí)驗(yàn)法：對少數(shù)復(fù)雜的對流給熱過程適用。,,,,9,一、實(shí)驗(yàn)原理,5、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立 由于對流傳熱本身是一個非常復(fù)雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復(fù)雜問題簡單表示，把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)到計算對流傳熱系數(shù)上面。所以，對流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個復(fù)雜問題，其影響因素非常多。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。,10,一、實(shí)驗(yàn)原理,因次分析法 f(u，l，，，cp，，g，t) 基本因次，共4個，長度L，時間T，質(zhì)量M，溫度t 變量總數(shù)：共8個 因次分析之后，所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個無因次

6、數(shù)群 （由定理 8-4 = 4 ） 因次分析結(jié)果如下：,,11,,,12,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,5、對流傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)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(dāng)傳熱達(dá)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(guān)系： 若一側(cè)的對流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于另一側(cè)的對流傳熱系數(shù)時，如 ，則 。說明很大的對流傳熱系數(shù)對K值得影響很小，K 值接近小的對流傳熱系數(shù)值。換句話說，總熱阻由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱系數(shù)所決定。,,,,,13,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,(1)對流傳熱系數(shù)的計算 根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系,,,,,,,通過上式計算

7、出實(shí)測值i。 可以利用已知的i，整理出不同流速下的Nu準(zhǔn)數(shù)與Re準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，也就是確定出式中的C和。,14,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,（2）Re與Nu的計算 （3）流量的測量和密度的計算,,,,,,,,15,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,二、實(shí)驗(yàn)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(jìn)、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對 流傳熱系數(shù)。,16,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法。 2測定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，以檢驗(yàn)通用的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 3.了解對流傳熱系數(shù)的影響因素和強(qiáng)化傳熱的 途

8、徑。,17,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,四、測量參數(shù) 流量 壓強(qiáng) 溫度 管子尺寸,18,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,五、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 （1）套管換熱器：光滑管：螺旋槽管： （2）風(fēng)機(jī)型號：D24型微音氣泵； （3）銅電阻：Cu50型； （4）蒸汽發(fā)生器； （5）流量計； （6）壓差計。,19,六、實(shí)驗(yàn)流程圖,1 蒸汽發(fā)生器 2壓力表 3安全閥 4套管換熱器 5放氣閥 6壓力表 7轉(zhuǎn)子流量計 8旁通閥 9風(fēng)機(jī) 10冷凝水放水閥 11冷凝水收集罐,,,,,,1,2,3,4,6,5,7,8,9,10,11,20,六、實(shí)驗(yàn)流程圖,,,,,21,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,七、實(shí)驗(yàn)操作 1. 實(shí)驗(yàn)前

9、準(zhǔn)備工作 (1). 給溫控儀設(shè)定適當(dāng)溫度，加熱； (2).待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度時，打開蒸汽閥門，使蒸汽進(jìn)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。,22,實(shí)驗(yàn)五 對流傳熱系數(shù)的測定,2、實(shí)驗(yàn)操作 1等溫度穩(wěn)定后，打開空氣旁通閥，開啟風(fēng)機(jī)，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) 2改變空氣流量，穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。 注意: 實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)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(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性。,23,,3、實(shí)驗(yàn)結(jié)束 （1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后關(guān)閉風(fēng)機(jī)，最后關(guān)閉總電源開關(guān)。 （2）讀大氣壓力計值，記錄操作條件下大氣壓強(qiáng)值。,24,八、思考題,1實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽溫度改變對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響？如何保持蒸汽溫度恒定？ 2本實(shí)驗(yàn)中，空氣與蒸汽流徑能否改變？這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 3實(shí)驗(yàn)過程中，如何判斷傳熱達(dá)到穩(wěn)定？ 4.蒸汽冷凝過程中不凝性氣體存在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果會有什么影響？應(yīng)采取什么措施解決？,