對流傳熱系數(shù)的測定實驗報告.doc

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浙 江 大 學(xué) 化學(xué)實驗報告 課程名稱：過程工程原理實驗甲 實驗名稱：對流傳熱系數(shù)的測定 指導(dǎo)教師： 專業(yè)班級： 姓 名： 學(xué) 號： 同組學(xué)生： 實驗日期： 實驗地點： 目錄 一、實驗?zāi)康暮鸵?2 二、實驗流程與裝置 2 三、實驗內(nèi)容和原理 3 1.間壁式傳熱基本原理 3 2.空氣流量的測定 5 3.空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)α的測定 5 3.1牛頓冷卻定律法 5 3.2近似法 6 3.3簡易Wilson圖解法 6 4.擬合實驗準數(shù)方程式 7 5.傳熱準數(shù)經(jīng)驗式 7 四、操作方法與實驗步驟 8 五、實驗數(shù)據(jù)處理 9 1.原始數(shù)據(jù)： 9 2.數(shù)據(jù)處理 9 六、實驗結(jié)果 12 七、實驗思考 13 一、 實驗?zāi)康暮鸵? 1）掌握空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳熱系數(shù)的 因素和強化傳熱的途徑； 2）把測得的數(shù)據(jù)整理成 Nu=ARen 形式的準數(shù)方程，并與教材中公認 經(jīng)驗式進行比較； 3）了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。 二、 實驗流程與裝置 本實驗流程圖（橫管）如下圖1所示，實驗裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量計、變頻器、套管換熱器（強化管和普通管）及溫度傳感器、只能顯示儀表等構(gòu)成。 空氣-水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入套管換熱器，與被風(fēng)機抽進的空氣進行換熱交換，不凝氣或未冷凝蒸汽通過閥門（F3和F4）排出，冷凝水經(jīng)排出閥（F5和F6）排入盛水杯?？諝庥娠L(fēng)機提供，流量通過變頻器改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到自動控制，空氣經(jīng)孔板流量計進入套管換熱器內(nèi)管，熱交換后從風(fēng)機出口排出。 注意：普通管和強化管的選取：在實驗裝置上是通過閥門（F1和F2）進行切換，儀表柜上通過旋鈕進行切換，電腦界面上通過鼠標選擇，三者必學(xué)統(tǒng)一。 圖1 橫管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖 圖中符號說明如下表： 符號 名稱 單位 備注 V 空氣流量 m3/h 紫銅管規(guī)格Φ191.5mm 有效長度1020mm F1，F(xiàn)2為管路切換閥門 F3，F(xiàn)4為不凝氣排出閥 F5，F(xiàn)6為冷凝水排出閥 t1 空氣進口溫度 ℃ t2 普通管空氣出口溫度 ℃ t3 強化管空氣出口溫度 ℃ T1 蒸汽發(fā)生器內(nèi)的蒸汽溫度 ℃ T2 普通管空氣出口端銅管外壁溫度 ℃ T3 普通管空氣進口端銅管外壁溫度 ℃ T4 普通管外蒸汽溫度 ℃ T5 強化管空氣出口端銅管外壁溫度 ℃ T6 強化管空氣進口端銅管外壁溫度 ℃ T7 強化管外蒸汽溫度 ℃ 三、實驗內(nèi)容和原理 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換。 本裝置主要研究汽-氣綜合換熱，包括普通管和加強管。其中，水蒸氣和空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強管，是在紫銅管內(nèi)加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進而增大了空氣流動的湍流程度，是換熱效果更明顯。 1.間壁式傳熱基本原理 如圖2所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱組成。 圖2 間壁式傳熱過程示意圖 間壁式傳熱元件，在傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)后，有： Q=m1cp1T1-T2=m2cp2t2-t1 =α1A1(T-Tw)m=α2A2(tw-t)m =KA?tm………………………………………………(1) 熱流體與固體壁面的對流平均溫差可由（2）式計算： (T-Tw)m=T1-Tw1-(T2-Tw2)lnT1-Tw1T2-Tw2…………………………（2） 固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計算： (t-tw)m=t1-tw1-(t2-tw2)lnt1-tw1t2-tw2……………………………（3） 熱、冷流體的對數(shù)平均溫差可由（4）式計算： ?tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1………………………………………（4） 式中：Q ----熱流量，J/s； m1, m2----分別為熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s cp1，cp2----分別為定性溫度下熱、冷流體的比熱，J/(kg℃) T1，T2----分別為熱流體的進出口溫度，℃ t2，t1----分別為冷流體的進出口溫度，℃ α1，α2----分別為熱、冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/(m2℃) A1，A2----分別為熱、冷流體的傳熱面積，m2 (T-Tw)m，(t-tw)m----分別為熱、冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差，℃ K----以傳熱面積A為基準的總傳熱系數(shù)，W/(m2℃) A----平均傳熱面積，m2 ?tm----冷、熱流體的対數(shù)平均溫差，℃ 由實驗裝置流程圖可見，本實驗的強化管或普通管換熱，熱流體是蒸汽，冷流體是空氣。 2.空氣流量的測定 空氣在無紙記錄儀上現(xiàn)實的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關(guān)，考慮到實際過程中，空氣的進口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板出的空氣密度ρ0當(dāng)作1kgm3時的讀數(shù)，因此，如果空氣實際密度不等于該值，則空氣的實際體積流量應(yīng)該由下式進行校正： V=Vρ0……………………………………………………（5） 空氣質(zhì)量流量m:m=Vρ0…………………………………………（6） 式中：V----空氣實際體積流量，m3/s V----無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，m3/s ρ0----空氣在孔板處的密度，kg/m3,本實驗中ρ0即為空氣在進口問題t1下對應(yīng)的溫度。 3.空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)α的測定 3.1牛頓冷卻定律法 在本裝置的套管加熱器中，環(huán)隙內(nèi)通空氣，水蒸氣在紫銅管表面冷凝放熱而加熱空氣。在傳熱過程達到穩(wěn)定后，空氣作為冷流體，空氣側(cè)傳熱由式（1）可得： mct2-t1=αA(tw-t)m……………………………………（7） 即 α=mc(t2-t1)A(tw-t)m……………………………………………………（8） tw1和tw2分別是換熱管空氣進口處的內(nèi)壁溫度和空氣出口處的內(nèi)壁溫度，當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即λ值很大，且管壁厚度較小時，可認為Tw1≈tw1及Tw2≈tw2，Tw1和Tw2分別是空氣進口處的換熱管外壁溫度和空氣出口處的換熱管外壁溫度。 一般情況下直接測量固體壁面溫度，尤其是管內(nèi)壁溫度，實驗技術(shù)難度較大，因此，工程上也常采用通過測量相對較易測定的流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流傳熱系數(shù)。 3.2近似法 以管內(nèi)壁面積為基準的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為： 1K=1α2+Rs2+bd2λdm+Rs1d2d1+d2α1d1……………………（9） 式中：d1, d2----分別為換熱管的外徑、內(nèi)徑，m dm----換熱管的對流平均直徑，m b---換熱管的壁厚，m λ----換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃) Rs1,Rs2----分別為換熱管外側(cè)、內(nèi)側(cè)的污垢熱阻，m2?K/W 總傳熱系數(shù)K可由式（1）得： K=QA?tm=m2cp2t2-t1A?tm………………………………（10） 用本裝置進行實驗時，管內(nèi)空氣與管壁間的對流傳熱系數(shù)α2約幾十到幾百W/(m2K)，而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)α1可到數(shù)萬W/(m2K)，因此冷凝傳熱熱阻d2α1d1可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻Rs1d2d1也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)λ為383.8 W/(m?K)，壁厚為1.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻bd2λdm可忽略。若換熱管內(nèi)測的污垢熱阻Rs2也可忽略，則由式（9）可知， α=K…………………………………………………（11） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法測得的α的準確性就越高。 3.3簡易Wilson圖解法 空氣和蒸汽在套管換熱器中換熱，空氣在套管內(nèi)被套管環(huán)隙的蒸汽加熱，當(dāng)管內(nèi)空氣做充分湍流時，空氣側(cè)強制對流傳熱系數(shù)可表示為 α=Cu0.8…………………………………………（12） 將式（12）代入式（9），得到： 1K=1Cu0.8+Rs2+bd2λdm+Rs1d2d1+d2α1d1…………………………（13） 依據(jù)3.2的分析，式（13）右邊后側(cè)三項在本實驗條件下可認為是常數(shù)，則由式（13）可得： 1K=1Cu0.8+常數(shù)……………………………………（14） 式（14）為Y=mX+B線性方程，以Y=1K，X=1u0.8作圖，可求得直線斜率m，于是得到： α=Cu0.8=u0.8m……………………………………（15） 4.擬合實驗準數(shù)方程式 由實驗獲取的數(shù)據(jù)計算出相關(guān)準數(shù)后，在雙對數(shù)坐標紙上，擬合Nu~Re直線，從而確定擬合方程，得出實驗式： Nu=ARen………………………………………（16） 式中：Nu----努塞爾數(shù)，Nu=αdλ,無因次； Re----雷諾數(shù)，Re=ρudμ,無因次。 5.傳熱準數(shù)經(jīng)驗式 對于流體在圓形直管內(nèi)做強制湍流對流傳熱時，傳熱準數(shù)經(jīng)驗式為： Nu=0.023Re0.8Prn…………………………（17） 式中：Pr----普蘭特數(shù)，Pr=cμλ,無因次。 上式適用范圍為：Re=1.0104~1.2105，Pr=0.7~120，管長與管內(nèi)徑之比Ld≥60。當(dāng)流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時n=0.3。 式中：λ----定性溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?℃） u----空氣在換熱管內(nèi)的平均流速，ms ρ----定性溫度下空氣的密度，kgm3 μ----定性溫度下空氣的黏度，Pa?s 在本實驗條件下，考慮Pr變化很小，可認為是常數(shù)，則（17）式改寫為： Nu=0.02Re0.8 附注：在0~100℃之間，空氣物性與溫度的關(guān)系式有如下擬合公式： （1） 空氣的密度與溫度的關(guān)系式：ρ=10-5t2-4.510-3t+1.2916 （2） 空氣的比熱與溫度的關(guān)系式： 60℃以下 Cp=1005J/(kg?℃) 60℃以上 Cp=1009J/(kg?℃) （3） 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：λ=-210-8t2+810-5t+0.0244 （4） 空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：μ=（-210-6t2+510-3t+1.7196）10-5 四、操作方法與實驗步驟 1）檢查儀表、風(fēng)機、蒸汽發(fā)生器及測溫點是否正常，將蒸汽發(fā)生器灌水至液位不低于 45 處； 2）打開總電源開關(guān)、儀表開關(guān)，開啟蒸汽發(fā)生器加熱，同時，全部開啟兩個不凝氣排出閥，通過電腦設(shè)置溫度在103℃； 3）等有大量不凝氣體冒出時，蒸汽緩緩進入換熱器環(huán)隙以加熱套環(huán)換熱器，此時關(guān)閉不凝氣體排出閥，打開冷凝液排出閥，使環(huán)隙中的冷凝水不斷地排出，此時應(yīng)保證有少量蒸汽冒出，且環(huán)隙內(nèi)不能有大量冷凝液積留； 4）啟動風(fēng)機，選擇普通管，通過控制軟件的流量設(shè)定依次設(shè)定20,14,10,7 m3h,待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集4組數(shù)據(jù)； 5）普通管測好后，切換為強化管，同4）依次設(shè)定20，11.8,7 m3h，待流量和熱交換穩(wěn)定后，采集3組數(shù)據(jù)； 6）實驗結(jié)束后，先關(guān)閉蒸汽發(fā)生器，待蒸汽溫度下降到95℃以下后，關(guān)閉風(fēng)機電源，總電源，清理實驗器材。 五、實驗數(shù)據(jù)處理 1.原始數(shù)據(jù)： 表 1 管道名稱 加熱器汽相溫度/℃ 管外蒸汽溫度/℃ 蒸汽出口處壁溫/℃ 蒸汽進口處壁溫/℃ 冷流體流量(m3h) 冷流體出口溫度/℃ 冷流體進口溫度/℃ 普通管 103.083 102.334 100.724 101.774 20.0769 65.674 25 普通管 103.146 102.42 100.724 101.712 14.1389 68.79 24.874 普通管 103.02 102.344 100.724 101.65 10.094 70.84 24.686 普通管 103.02 102.39 100.724 101.712 7.06272 72.984 24.686 強化管 102.955 101.264 101.35 101.462 19.5817 73.53 25.5 強化管 103.146 101.42 101.474 101.524 11.9574 76.56 25.186 強化管 103.02 101.254 101.35 101.4 7.08643 78.264 25 2.數(shù)據(jù)處理 以強化管第一次數(shù)據(jù)（空氣流量為20m3h）為例，由式（4）可得： ?tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1=101.264-73.53-(101.264-25.5)ln101.264-73.53101.264-25.5=47.793℃ 在空氣進口溫度t1下，空氣密度： ρ0=10-5t2-4.510-3t+1.2916=10-525.52-4.510-325.5+1.2916=1.183kgm3 則由式（5）可得： V=Vρ0=19.581736001.183=5.00110-3m3/s 由式（6）可得： m=Vρ0=5.00110-31.183=5.91710-3kgs 定性溫度t=t1+t22=25.5+73.532=49.515℃<60℃ 則空氣比熱為Cp=1005J/(kg?℃) 于是，由式（10）得： K=QA?tm=m2cp2t2-t1A?tm=5.91710-31005(73.53-25.5)π0.0191.02047.793=98.156W/(m2℃) 為利用Wilson圖解法，可求 1K=198.138=0.010,u=5.00110-3π0.01624=24.869m/s，1u0.8=124.8730.8=0.076 于是可得下表 表 2 管道名稱 質(zhì)量流量/(kg/s) K/W/(m2℃) u/(m/s) 1K 1u0.8 普通管 6.072E-03 74.813 25.477 0.013 0.075 普通管 4.277E-03 58.981 17.938 0.017 0.099 普通管 3.054E-03 45.486 12.802 0.022 0.130 普通管 2.137E-03 34.278 8.957 0.029 0.173 強化管 5.917E-03 98.156 24.869 0.010 0.076 強化管 3.615E-03 66.867 15.178 0.015 0.114 強化管 2.143E-03 42.416 8.992 0.024 0.173 根據(jù)上表可作出下圖 由式（15）可得： 表 3 管道名稱 普通1 普通2 普通3 普通4 強化1 強化2 強化3 α/w/(m2℃) 82.350 62.197 47.487 35.686 93.412 62.928 41.397 以強化管第一組數(shù)據(jù)為例： 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)求得： λ=-210-8t2+810-5t+0.0244=-210-849.5152+810-549.515+0.0244=0.028312 W/(m?℃） 空氣的黏度求得： μ=-210-6t2+510-3t+1.719610-5=1.9595710-5Pa?s 空氣的密度求得： ρ=10-5t2-4.510-3t+1.2916=1.108kgm3 則有 Nu=αdλ=93.4120.0160.028312=52.79 Re=ρudμ=1.10824.8690.0161.9595710-5=22200.18 同樣的方法可得到下表： 表 4 管道名稱 普通1 普通2 普通3 普通4 強化1 強化2 強化3 Nu 47.08 35.41 26.97 20.21 52.79 35.43 23.26 Re 23290.46 16258.97 11542.34 8026.64 22200.18 13445.61 7931.69 利用雙對數(shù)坐標紙擬合Nu~Re直線可得到如下圖： 六、實驗結(jié)果 1）普通管和強化管不同空氣流量下的對流傳熱系數(shù)如表 2，從表中易得，對流傳熱系數(shù)α隨流量的增大而增大；且相同條件下強化管的對流傳熱系數(shù)要比普通管大。 2）由0i愁件的流量設(shè)定分別更長對流傳熱系數(shù)建算流體與固體壁面建131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313Nu~Re直線圖可得到 普通管：Nu=0.016Re0.7942 強化管：Nu=0.0183Re0.7964 由此可見，強化管的圖像始終在普通管的上方，即相同條件下努塞爾數(shù)更大，對流傳熱系數(shù)更大，故此，換熱效果更好。 但同公認的經(jīng)驗式Nu=0.02Re0.8比較，雖然比較接近，但即使是強化管也比理想值偏小，傳熱系數(shù)與蒸汽消耗量、換熱時間、空氣流量和溫度、冷凝水是否及時排出、以及熱量損失等因素有關(guān)，但在此實驗中由于蒸汽溫度與室溫的差距（約80℃）較大，故應(yīng)該受熱量損失的影響最大。其次，由于橫式套管換熱器比較平，則冷凝水的排出效率會低一些，所以對傳熱系數(shù)的影響也比較大。 七、實驗思考 1）實驗中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч泻斡绊懀? 在一般的套管換熱器中，冷流體和蒸汽采用逆流和并流時，它們的出口溫度都會發(fā)生變化，故而傳熱效果會有所不同；但在本實驗中，由于蒸汽在環(huán)隙中的溫度可認為是處處相等的，因此無論并流還是逆流傳熱效果都一樣。 2）在計算冷流體質(zhì)量流量時所用的密度值與求雷諾數(shù)時所用的密度值是否一致？它們分別是在什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進行計算？ 二者并不一致。計算冷流體質(zhì)量流量時，孔板流量計在套管換熱器系統(tǒng)之外，故而此時應(yīng)采用孔板流量計處（即空氣入口處）空氣的密度值；計算雷諾數(shù)時，應(yīng)采用空氣在套管內(nèi)流動的定性溫度下的密度值。 3）實驗過程中，冷凝水不及時排出，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對α關(guān)聯(lián)式有何影響？ 冷凝水如果不能及時排出，則會附著再內(nèi)管外壁上，形成液膜，使傳熱效果下降。為使冷凝水及時排出，冷凝水排出閥不能開得過小，且安裝位置應(yīng)在外管最低處。 在管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的表達式有： α=0.023λd(ρudμ)0.8(Cpμλ)0.4 當(dāng)蒸汽壓強增大時，蒸汽溫度升高，但變化量很小，從而對內(nèi)管的冷流體空氣的影響也很小，所以對α關(guān)聯(lián)式基本無影響。 14 / 13