对流传热系数的测定实验报告.doc

浙 江 大 学化学实验报告课程名称：过程工程原理实验甲实验名称：对流传热系数的测定指导教师： 专业班级： 姓 名： 学 号： 同组学生： 实验日期： 实验地点： 目录一、实验目的和要求2二、实验流程与装置2三、实验内容和原理31.间壁式传热基本原理32.空气流量的测定53.空气在传热管内对流传热系数的测定53.1牛顿冷却定律法53.2近似法63.3简易Wilson图解法64.拟合实验准数方程式75.传热准数经验式7四、操作方法与实验步骤8五、实验数据处理91.原始数据：92.数据处理9六、实验结果12七、实验思考13一、 实验目的和要求1）掌握空气在传热管内对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的 因素和强化传热的途径；2）把测得的数据整理成 Nu=ARen 形式的准数方程，并与教材中公认 经验式进行比较；3）了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。二、 实验流程与装置 本实验流程图（横管）如下图1所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能显示仪表等构成。 空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器内管，热交换后从风机出口排出。 注意：普通管和强化管的选取：在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选择，三者必学统一。 图1 横管对流传热系数测定实验装置流程图图中符号说明如下表：符号名称单位备注V空气流量m3/h紫铜管规格191.5mm有效长度1020mmF1，F2为管路切换阀门F3，F4为不凝气排出阀F5，F6为冷凝水排出阀t1空气进口温度t2普通管空气出口温度t3强化管空气出口温度T1蒸汽发生器内的蒸汽温度T2普通管空气出口端铜管外壁温度T3普通管空气进口端铜管外壁温度T4普通管外蒸汽温度T5强化管空气出口端铜管外壁温度T6强化管空气进口端铜管外壁温度T7强化管外蒸汽温度三、实验内容和原理 在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。 本装置主要研究汽-气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，是换热效果更明显。1.间壁式传热基本原理如图2所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热组成。图2 间壁式传热过程示意图间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有： Q=m1cp1T1-T2=m2cp2t2-t1 =1A1(T-Tw)m=2A2(tw-t)m =KAtm(1)热流体与固体壁面的对流平均温差可由（2）式计算： (T-Tw)m=T1-Tw1-(T2-Tw2)lnT1-Tw1T2-Tw2（2）固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算： (t-tw)m=t1-tw1-(t2-tw2)lnt1-tw1t2-tw2（3）热、冷流体的对数平均温差可由（4）式计算： tm=T1-t2-(T2-t1)lnT1-t2T2-t1（4）式中：Q -热流量，J/s； m1, m2-分别为热、冷流体的质量流量，kg/s cp1，cp2-分别为定性温度下热、冷流体的比热，J/(kg) T1，T2-分别为热流体的进出口温度， t2，t1-分别为冷流体的进出口温度， 1，2-分别为热、冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2) A1，A2-分别为热、冷流体的传热面积，m2 (T-Tw)m，(t-tw)m-分别为热、冷流体与固体壁面的对数平均温差， K-以传热面积A为基准的总传热系数，W/(m2) A-平均传热面积，m2 tm-冷、热流体的対数平均温差，由实验装置流程图可见，本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气。2.空气流量的测定空气在无纸记录仪上现实的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板出的空气密度0当作1kgm3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应该由下式进行校正： V=V0（5）空气质量流量m:m=V0（6）式中：V-空气实际体积流量，m3/s V-无纸记录仪上显示的空气的体积流量，m3/s 0-空气在孔板处的密度，kg/m3,本实验中0即为空气在进口问题t1下对应的温度。3.空气在传热管内对流传热系数的测定 3.1牛顿冷却定律法 在本装置的套管加热器中，环隙内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式（1）可得： mct2-t1=A(tw-t)m（7） 即 =mc(t2-t1)A(tw-t)m（8）tw1和tw2分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料导热性能很好，即值很大，且管壁厚度较小时，可认为Tw1tw1及Tw2tw2，Tw1和Tw2分别是空气进口处的换热管外壁温度和空气出口处的换热管外壁温度。一般情况下直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。 3.2近似法以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为： 1K=12+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（9）式中：d1, d2-分别为换热管的外径、内径，m dm-换热管的对流平均直径，m b-换热管的壁厚，m -换热管材料的导热系数，W/(m) Rs1,Rs2-分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，m2K/W总传热系数K可由式（1）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm（10） 用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数2约几十到几百W/(m2K)，而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1可到数万W/(m2K)，因此冷凝传热热阻d21d1可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻Rs1d2d1也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8 W/(mK)，壁厚为1.5mm，因此换热管壁的导热热阻bd2dm可忽略。若换热管内测的污垢热阻Rs2也可忽略，则由式（9）可知， =K（11）由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的的准确性就越高。3.3简易Wilson图解法空气和蒸汽在套管换热器中换热，空气在套管内被套管环隙的蒸汽加热，当管内空气做充分湍流时，空气侧强制对流传热系数可表示为 =Cu0.8（12）将式（12）代入式（9），得到： 1K=1Cu0.8+Rs2+bd2dm+Rs1d2d1+d21d1（13）依据3.2的分析，式（13）右边后侧三项在本实验条件下可认为是常数，则由式（13）可得： 1K=1Cu0.8+常数（14）式（14）为Y=mX+B线性方程，以Y=1K，X=1u0.8作图，可求得直线斜率m，于是得到： =Cu0.8=u0.8m（15）4.拟合实验准数方程式由实验获取的数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，拟合NuRe直线，从而确定拟合方程，得出实验式： Nu=ARen（16）式中：Nu-努塞尔数，Nu=d,无因次； Re-雷诺数，Re=ud,无因次。5.传热准数经验式 对于流体在圆形直管内做强制湍流对流传热时，传热准数经验式为： Nu=0.023Re0.8Prn（17） 式中：Pr-普兰特数，Pr=c,无因次。 上式适用范围为：Re=1.01041.2105，Pr=0.7120，管长与管内径之比Ld60。当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时n=0.3。式中：-定性温度下空气的导热系数，W/(m） u-空气在换热管内的平均流速，ms -定性温度下空气的密度，kgm3 -定性温度下空气的黏度，Pas在本实验条件下，考虑Pr变化很小，可认为是常数，则（17）式改写为： Nu=0.02Re0.8附注：在0100之间，空气物性与温度的关系式有如下拟合公式：（1） 空气的密度与温度的关系式：=10-5t2-4.510-3t+1.2916（2） 空气的比热与温度的关系式：60以下 Cp=1005J/(kg)60以上 Cp=1009J/(kg)（3） 空气的导热系数与温度的关系式：=-210-8t2+810-5t+0.0244（4） 空气的黏度与温度的关系式：=（-210-6t2+510-3t+1.7196）10-5四、操作方法与实验步骤 1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至液位不低于 45 处； 2）打开总电源开关、仪表开关，开启蒸汽发生器加热，同时，全部开启两个不凝气排出阀，通过电脑设置温度在103； 3）等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套环换热器，此时关闭不凝气体排出阀，打开冷凝液排出阀，使环隙中的冷凝水不断地排出，此时应保证有少量蒸汽冒出，且环隙内不能有大量冷凝液积留； 4）启动风机，选择普通管，通过控制软件的流量设定依次设定20,14,10,7 m3h,待流量和热交换稳定后，采集4组数据； 5）普通管测好后，切换为强化管，同4）依次设定20，11.8,7 m3h，待流量和热交换稳定后，采集3组数据； 6）实验结束后，先关闭蒸汽发生器，待蒸汽温度下降到95以下后，关闭风机电源，总电源，清理实验器材。五、实验数据处理 1.原始数据： 表 1管道名称加热器汽相温度/管外蒸汽温度/蒸汽出口处壁温/蒸汽进口处壁温/冷流体流量(m3h)冷流体出口温度/冷流体进口温度/普通管103.083102.334100.724101.77420.076965.67425普通管103.146102.42100.724101.71214.138968.7924.874普通管103.02102.344100.724101.6510.09470.8424.686普通管103.02102.39100.724101.7127.0627272.98424.686强化管102.955101.264101.35101.46219.581773.5325.5强化管103.146101.42101.474101.52411.957476.5625.186强化管103.02101.254101.35101.47.0864378.264252.数据处理 以强化管第一次数据（空气流量为20m3h）为例，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 在空气进口温度t1下，空气密度： 0=10-5t2-4.510-3t+1.2916=10-525.52-4.510-325.5+1.2916=1.183kgm3 则由式（5）可得：V=V0=19.581736001.183=5.00110-3m3/s由式（6）可得： m=V0=5.00110-31.183=5.91710-3kgs定性温度t=t1+t22=25.5+73.532=49.51560则空气比热为Cp=1005J/(kg)于是，由式（10）得： K=QAtm=m2cp2t2-t1Atm=5.91710-31005(73.53-25.5)0.0191.02047.793=98.156W/(m2)为利用Wilson图解法，可求 1K=198.138=0.010,u=5.00110-30.01624=24.869m/s，1u0.8=124.8730.8=0.076于是可得下表 表 2管道名称质量流量/(kg/s)K/W/(m2)u/(m/s)1K1u0.8普通管6.072E-0374.813 25.477 0.013 0.075 普通管4.277E-0358.981 17.938 0.017 0.099 普通管3.054E-0345.486 12.802 0.022 0.130 普通管2.137E-0334.278 8.957 0.029 0.173 强化管5.917E-0398.156 24.869 0.010 0.076 强化管3.615E-0366.867 15.178 0.015 0.114 强化管2.143E-0342.416 8.992 0.024 0.173 根据上表可作出下图由式（15）可得： 表 3管道名称普通1普通2普通3普通4强化1强化2强化3/w/(m2)82.35062.19747.48735.68693.41262.92841.397以强化管第一组数据为例：空气的导热系数求得： =-210-8t2+810-5t+0.0244=-210-849.5152+810-549.515+0.0244=0.028312 W/(m）空气的黏度求得： =-210-6t2+510-3t+1.719610-5=1.9595710-5Pas 空气的密度求得： =10-5t2-4.510-3t+1.2916=1.108kgm3则有Nu=d=93.4120.0160.028312=52.79Re=ud=1.10824.8690.0161.9595710-5=22200.18同样的方法可得到下表： 表 4管道名称普通1普通2普通3普通4强化1强化2强化3Nu47.0835.4126.9720.2152.7935.4323.26Re23290.4616258.9711542.348026.6422200.1813445.617931.69利用双对数坐标纸拟合NuRe直线可得到如下图：六、实验结果1）普通管和强化管不同空气流量下的对流传热系数如表 2，从表中易得，对流传热系数随流量的增大而增大；且相同条件下强化管的对流传热系数要比普通管大。2）由0i愁件的流量设定分别更长对流传热系数建算流体与固体壁面建131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313131313NuRe直线图可得到普通管：Nu=0.016Re0.7942强化管：Nu=0.0183Re0.7964由此可见，强化管的图像始终在普通管的上方，即相同条件下努塞尔数更大，对流传热系数更大，故此，换热效果更好。但同公认的经验式Nu=0.02Re0.8比较，虽然比较接近，但即使是强化管也比理想值偏小，传热系数与蒸汽消耗量、换热时间、空气流量和温度、冷凝水是否及时排出、以及热量损失等因素有关，但在此实验中由于蒸汽温度与室温的差距（约80）较大，故应该受热量损失的影响最大。其次，由于横式套管换热器比较平，则冷凝水的排出效率会低一些，所以对传热系数的影响也比较大。七、实验思考1）实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有何影响？ 在一般的套管换热器中，冷流体和蒸汽采用逆流和并流时，它们的出口温度都会发生变化，故而传热效果会有所不同；但在本实验中，由于蒸汽在环隙中的温度可认为是处处相等的，因此无论并流还是逆流传热效果都一样。 2）在计算冷流体质量流量时所用的密度值与求雷诺数时所用的密度值是否一致？它们分别是在什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？ 二者并不一致。计算冷流体质量流量时，孔板流量计在套管换热器系统之外，故而此时应采用孔板流量计处（即空气入口处）空气的密度值；计算雷诺数时，应采用空气在套管内流动的定性温度下的密度值。 3）实验过程中，冷凝水不及时排出，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对关联式有何影响？ 冷凝水如果不能及时排出，则会附着再内管外壁上，形成液膜，使传热效果下降。为使冷凝水及时排出，冷凝水排出阀不能开得过小，且安装位置应在外管最低处。 在管内对流传热系数的表达式有： =0.023d(ud)0.8(Cp)0.4 当蒸汽压强增大时，蒸汽温度升高，但变化量很小，从而对内管的冷流体空气的影响也很小，所以对关联式基本无影响。 14 / 13