对流传热系数测定实验对华理设备

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,对流传热系数测定实验,实验指导教师：曾明荣,对流传热概述,根据热力学第二定律，凡是存在温度差的地方就会发生热量传递，并导致热量自发地从高温处向低温处传递，这一过程称为,热量传递过程，简称传热,。,热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。,热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。,在化工生产中传热的应用主要是两个方面：,1.强化传热：,为了使物料达到操作温度的要求进行的加热或冷却，希望热量以所期望的速率进行传递；,2.削弱传热：,为了使物料或设备减少热量散失，而对管道或设备进行保温或保冷。,对流传热的概念,在工业生产中，传热过程基本方式：,1.直接接触式传热,2.间壁式传热：是一种常用的换热设备，如列管式换热器。其热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷流体。,3.蓄热式传热。（,图例,）,影响换热器传热速率的参数有：传热面积、平均温度和传热系数。,对流传热的概念,不同温度的流体各部分之间，或流体与固体壁面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程，称为,对流传热,。,影响对流传热的因素：,（1）流体的相态变化；,（2）引起流动的原因(强制对流传热和自然对流传热)；,（3）流体的流动型态(层流和湍流)；,（4）流体的物理性质(包括流体的比热容、导热系数、密度和黏度等）；,（5）传热面的几何因素(传热面的形状、大小等）。,对流传热分类：,流体流动排布型式,1.逆流型式,2.并流型式,3.错流型式,4.折流型式,逆流型式,并流型式,错流型式,折流,型,型式,实验,目,目的,1.通过,实,实验,掌,掌握,总,总传,热,热系,数,数K,及,及对,流,流传,热,热系,数,数,的,的测,定,定方,法,法，,并,并分,析,析影,响,响因,素,素；,2.学习,如,如何,用,用实,验,验方,法,法求,出,出描,述,述过,程,程规,律,律的,经,经验,公,公式,并,检,检验,通,通用,的,的对,流,流传,热,热系,数,数的,准,准数,关,关联,式,式,或,；,；,3.通过,实,实验,提,提高,对,对关,联,联式,的,的理,解,解，,进,进一,步,步了,解,解影,响,响对,流,流传,热,热系,数,数的,因,因素,和,和强,化,化传,热,热的,途,途径,；,；,4.掌握,测,测温,热,热电,偶,偶的,使,使用,方,方法,。,。,实验,原,原理,根据,传,传热,基,基本,方,方程,、,、牛,顿,顿冷,却,却定,律,律以,及,及圆,筒,筒壁,的,的热,传,传导,方,方程,，,，已,知,知传,热,热设,备,备的,结,结构,尺,尺寸,，,，只,要,要测,得,得传,热,热速,率,率,以,以及,各,各有,关,关温,度,度，,即,即可,算,算出,和,等,。,。,间壁,式,式换,热,热装,置,置,对于,间,间壁,式,式传,热,热过,程,程，,可,可以,将,将其,看,看成,是,是由,下,下述,三,三个,传,传热,子,子过,程,程串,联,联而,成,成：,（1,）,）热,流,流体,与,与固,体,体壁,面,面之,间,间的,对,对流,传,传热,过,过程,；,；,（2,）,）热,量,量通,过,过固,体,体壁,面,面的,热,热传,导,导过,程,程；,（3,）,）固,体,体壁,面,面与,冷,冷流,体,体之,间,间的,对,对流,传,传热,过,过程,。,。,1.,计,计算,热,热负,荷,荷（,热,热流,量,量）,热量,衡,衡算,方,方程,式,式,：,式中,：,：q,c,-空,气,气的,体,体积,流,流量,（,（m,3,/h,）,）；,c,-空,气,气的,密,密度,（,（kg/m,3,);,Pc,-空,气,气的,定,定压,比,比热,容,容（J/(kgK）,）,）或,（,（J/(kg,)）,；,；,t,1,-空,气,气进,换,换热,器,器的,温,温度,（,（K,或,或,）,）；,t,2,-空,气,气出,换,换热,器,器的,温,温度,（,（K,或,或,）,）。,通过,测,测定q,c,、t,1,、t,2,可计,算,算出Q。,2.,计,计算,总,总传,热,热系,数,数,由传,热,热基,本,本方,程,程式,得：,式中,：,：-基,于,于管,内,内表,面,面积,的,的总,传,传热,系,系数,（,（W/(m,2,),）,）；,A-,换,换热,管,管内,表,表面,积,积（m,2,）；,t,m,-换,热,热器,冷,冷热,流,流体,的,的对,数,数平,均,均温,差,差。,其中,：,：,3.,计,计算,对,对流,传,传热,系,系数,依据,牛,牛顿,冷,冷却,定,定律,：,：,式中,：,：,c,、,h,-,分别,为,为冷,、,、热,流,流体,的,的平,均,均对,流,流传,热,热系,数,数（W/(m,2,),）,）；,A,c,、A,h,-,-,分别,为,为,冷、,热,热流,体,体的,传热,面,面积,，,，即,与,与流,体,体接,触,触的,壁,壁面,积,积（m,2,）；,t,mc,、,t,mh,-,-,分别,为,为冷,、,、热,流,流体,与壁面,（,（或反,之,之）间,温,温差的,平,平均值,（,（）,。,。,或,其中：,管内强,制,制对流,传,传热,当流体,在,在圆形,直,直管内,作,作强制,对,对流传,热,热时，,研,研究表,明,明，Nu与Pr和Re之间,存,存在,如图3-1,所示的,关,关系。,图3-1 流,动,动状况,与,与对流,传,传热系,数,数的关,系,系,由图可,见,见：,管内强,制,制对流,存,存在三,个,个不同,的,的区域,：,：,当Re10000,时,时，流,体,体的流,动,动为完,全,全湍流,状,状态；,一般认为2300Re10000区域的,流,流动为过渡,状,状态，在三,个,个区域风流,体,体的对流传,热,热规律不同,。,。,流体在圆形,直,直管内作,湍,湍流时的对,流,流传热系数,其关联式可,采,采用迪图斯-贝尔特公,式,式描述，即,（经验式为,）,）,式中：Nu-努塞,乐,乐特准数，Nu=,i,d/；,Re-,雷,雷诺准数，Re=du,/；,Pr-,普,普朗特准数,，,，Pr=C,P,/,；,；,A、m、n-常数,。,。,当流体被加,热,热时，n=0.4；当,流,流体被冷却,时,时，n=0.3。,上式适用于,流,流体与管壁,温,温差不大的,场,场合，对于,气,气体，其温,差,差不超过50；对,于,于水，温差,不,不大于20-30,；,；对于黏度,随,随温度变化,较,较大的油类,其,其值不超过10。,上,上式的其他,适,适用的条件,为,为：Re=1.0,10,4,1.2,10,5,，Pr=0.7,120,管,管长与管,内,内径之比l/d60。所,采,采用的特,征,征长度为,管,管内径d,，,，定性温,度,度为流体,的,的平均温,度,度（即管,道,道进、出,口,口截面平,均,均温度的,算,算术平均,值,值）。,当温差超,过,过推荐的,温,温差范围,或,或对于黏,度,度较高的,液,液体，由,于,于管壁温,度,度与流体,的,的主体温,度,度不同而,引,引起壁面,附,附近与流,体,体主体处,黏,黏度相差,较,较大，,如果采用,迪,迪图斯-贝尔特,公,公式，则,计,计算的误,差,差较大，,因,因此可采,用,用,齐德-泰,特,特公式,进行计算,，,，即,式中的特,征,征长度为,管,管内径d,；,；定性温,度,度为流体,的,的平均温,度,度；,w,表示是以,管,管壁温度,选,选取的流,体,体黏度。,上,上式适用,范,范围：Re10,4,；Pr=0.7,16700，管长,与,与管内径,之,之比l/d60,。,。,当液体被,加,加热时，,取,取,当液体被,冷,冷却时，,取,取,对于短管,（,（管长与,管,管径之比l/d50）内,的,的强制对,流,流传热，,由,由于其全,部,部或绝大,部,部分的管,段,段处于热,边,边界层尚,未,未充分发,展,展的入口,段,段。因此,，,，在计算,对,对流传热,系,系数时应,进,进行入口,效,效应的修,正,正，,即,式中：,为,为采用上,式,式计算的,对,对流传热,系,系数；,/,为流体流,经,经短管的,平,平均对流,传,传热系数,。,。,流体在圆,形,形直管内呈过渡流,时,时的对流,传,传热系数,管内流动,处,处于过渡,流,流状态，,即,即在,2300Re10,4,的范围内,，,，其传热,情,情况比较,复,复杂。在,此,此情况下,的,的对流传,热,热系数可,先,先用湍流,时,时的经验,关,关联式计,算,算，然后,将,将计算所,得,得到的对,流,流传热系,数,数再乘以,小,小于1的,修,修正系数,，,，即,式中：,为,为采用湍,流,流时的经,验,验关联式,计,计算的对,流,流传热系,数,数；,/,为过渡流,状,状态下的,对,对流传热,系,系数。,流体在圆,形,形直管内作层流时,的,的对流传,热,热系数,流体在圆,形,形直管中,作,作层流强,制,制对流传,热,热的情况,比,比较复杂,，,，因为附,加,加的自然,对,对流往往,会,会影响层,流,流对流传,热,热。只有,在,在小管径,，,，且流体,与,与管壁的,温,温度差别,不,不大的情,况,况下，即Gr25000时，可,按,按上式计,算,算对流传,热,热系数，,然,然后再乘,以,以修正系,数,数得到,流体在圆,形,形直管内作湍流时,的,的A、m,常,常数的确,定,定,流体在圆,形,形直管内,作,作湍流时,的,的关联式,：,：,即改写为,根据不同,流,流速下测,得,得有关数,据,据，算出,准,准数Nu,、,、Pr和Re的值,，,，用图解,法,法在双对,数,数坐标纸,上,上作Nu/Pr,n,Re关系,曲,曲线图，,即,即可得出A、m的,值,值。,实验装置,及,及流程,物系：,空气,（冷,流体）-,蒸,蒸汽（热,流,流体）,测定管长,度,度：L=1300mm，,管内径：,di=18mm,管壁厚：,=2.0mm,实验步骤,1.先打,开,开加热电,源,源开关，,待,待上壁温,开,开始升温,后,后，打开,空,空气电源,开,开关，并,调,调节转子,流,流量计为20,。,。,2.待套,管,管表面发,热,热，打开,套,套管底端,法,法兰下的,排,排气拷克23次,，,，排除不,凝,凝性气体,。,。,3.打开,冷,冷流体（,小,小）系统,的,的冷却水,开,开关，保,证,证冷流体,进,进口温度,恒,恒定。,3.整个,实,实验操作,控,控制蒸汽,压,压力恒定,在,在0.04Mpa,以,以下某一,刻,刻度，待,热,热流体进,口,口温度恒,定,定后，改,变,变唯一操,作,作变量即,空,空气转子,流,流量计阀,门,门开度，,达,达到改变,流,流速的目,的,的。,5.待冷,流,流体出口,温,温度显示,值,值保持5min以,上,上不变时,方,方可同时,采,采集实验,数,数据。,6.实验,结,结束时，,先,先关加热,电,电源，保,持,持空气继,续,续流动10min,，,，以足够,冷,冷却壁温,，,，保护热,电,电偶接促,正,正常。,7.上机,数,数据处理,的,的直线相,关,关系数要,求,求R0.93，,否,否则，实,验,验重做。,实验记录,及,及数据处,理,理,1、原始,数,数据记录,表,表,实验装置,号,号：,d,i,=18mm,=2mm,L=1.3m,No.,蒸汽,压力,MPa,蒸汽,温度,空气,流量,m,3,/h,空气进口温度,空气出口温度,下壁温,上壁温,1,2,3,4,5,6,实验记录,及,及数据处,理,理,2、计算,结,结果表,编号,Q,W,t,m,t,mh,t,mc,K10,-2,Wm,2,c,10,-3,Wm,2,h,10,-2,Wm,2,R,e,10,-4,Pr,Nu,1,2,3,4,5,6,7,8,数据计算,过,过程,1.定性,温,温度,，,，查，C,p,，,；,；,2.换热,器,器流通面,积,积：,3.换热,器,器换热面,积,积：A=,dl,4.空气,流,流量(校,正,正值)：,流,速,速,：,：,数,据,据,计,计,算,算,过,过,程,