实验五 对流给热系数测定.doc

5 对流给热系数测定5.1 实验目的（1） 测定水蒸汽在圆直水平管外冷凝给热系数0及冷流体(空气或水)在圆直水平管内的强制对流给热系数i。（2） 观察水蒸汽在圆直水平管外壁上的冷凝状况（膜状冷凝和滴状冷凝）。5.2实验原理5.2.1. 串联传热过程 冷流体（空气和水）与热流体水蒸汽通过套管换热器的内管管壁发生热量交换的过程可分为三步：套管环隙内的水蒸汽通过冷凝给热将热量传给圆直水平管的外壁面(A0)；热量从圆直水平管的外壁面以热传导的方式传至内壁面(Ai)；内壁面通过对流给热的方式将热量传给冷流体(Vc)。在实验中，水蒸汽走套管换热器的环隙通道，冷流体走套管换热器的内管管内，当冷、热流体间的传热达到稳定状态后，根据传热的三个过程、牛顿冷却定律及冷流体得到的热量，可以计算出冷热流体的给热系数（以上是实验原理）。（以下是计算方法）传热计算公式如下： Q=0A0( TTw)m= iAi( twt)m=VccCpc(t2-t1) (1)由（1）式可得： (2) (3)式（2）中，( TTw)为水蒸汽温度与内管外壁面温度之差， 式（3）中，( twt)为内管内壁面温度与冷流体温度之差。由于热流体温度T、内管外壁温Tw、冷流体温度t及内管内壁温tw均沿内管管长不断发生变化，因此，温差( TTw) 和( twt)也随管长发生变化，在用牛顿冷却定律算传热速率Q时，温差应分别取进口（1）与出口（2）处两端温差的对数平均值( TTw)m 和( twt)m，方法如下： （4） （5） 当套管换热器的内管壁较薄且管壁导热性能优良（即值较大）时，管壁热阻可以忽略不计，可近似认为管壁内、外表面温度相等，即Tw1=tw1, Tw2=tw2。因此，只要测出冷流体的流量Vc、进出口温度t1和t2、水蒸汽进出口温度T1和T2、内管壁温Tw1和Tw2，根据定性温度查出冷流体的物性c和Cpc，再计算出内管的内、外表面积Ai和A0，根据公式(2)和(3)就可计算出水蒸汽的冷凝给热系数0及冷流体的对流给热系数i。5.2.2. 给热系数的经验公式 Nusselt利用数值积分法求得纯净蒸汽在水平圆管外表面膜状冷凝平均给热系数的半经验公式： （6）式（6）中，蒸汽冷凝潜热为饱和蒸汽温度ts下的数据，壁温tw取进、出口壁温的平均值(tw1+ tw2)/2，冷凝液物性、取液膜温度(ts+tw)/2下的数值。因此，只要测出套管换热器内管的外径d0, 就可算出蒸汽冷凝给热系数0。 对低粘度的液体在圆形直管内的呈湍流流动且被加热时，其对流给热系数可采用Dittus-Boelter关联式： （7）式（7）中的冷流体的物性、Cp为冷流体在管内进、出口温度的算术平均值（t1+t2）/2所对应的数据，流速u为冷流体体积Vc流量除以管内径di计算的截面积。5.3实验流程与装置 本实验装置由蒸汽发生器、LWQ25型涡轮流量变送器、变频器或PS电动调节阀、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。其实验装置流程和实验控制柜面板如图5-1、5-2所示。图51 水蒸气水（或空气）对流给热系数测定实验流程图1、水泵或旋涡气泵 2、蒸气发生器 3、4、旁路阀 5、电动调节阀 6、蒸汽总阀7、蒸气调节阀 8、9、冷凝水排放阀 10、水或空气流量调节阀11、惰性气体排放阀 水蒸气水体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自高位槽的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经电动调节阀和LWY15型涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后进入下水道。水流量可用阀门调节或电动调节阀自动调节。2）设备与仪表规格（1）紫铜管规格：直径161.5mm，长度L=1010mm；（2）外套玻璃管规格：直径1126mm，长度L=1010mm；（3）旋涡气泵：XGB12型，风量090m3/h，风压12kPa；（4）压力表规格：00.1Mpa。（5）电动调节阀：PS（6）涡轮流量计：LWY15黄总电源开关绿红FUSEFUSEFUSE电动调节阀电源开 关巡检仪电源开 关仪表电源开 关温度、压力巡检仪01进口管壁温度102进口管壁温度203进口管壁温度304出口管壁温度105出口管壁温度206出口管壁温度307蒸汽I温度08蒸汽II温度09水进口温度10水出口温度11套管内蒸汽压力流量手/自动控制仪智能流量积算仪（m3/h） 图52水蒸气水体系对流给热系数测定实验控制柜面板图水蒸汽自蒸汽发生器途经阀、阀由蒸汽分布管进入套管换热器的环隙通道，冷凝水由阀、阀排入水沟。冷流体水依次经过阀或电动调节阀、涡轮流量计、水或空气流量调节阀进入套管换热器的内管，被加热后排入下水道或放空。5.4 操作步骤5.4.1 水水蒸汽系统1. 开启电源。依次打开控制面板上的总电源、仪表电源。2. 启动旋涡气泵, 调节手动调节阀使风量最大。3. 排蒸汽管道的冷凝水。打开阀、阀，排除套管环隙中积存的冷凝水，然后适当关小阀，注意阀不能开得太大，否则蒸气泄漏严重。4. 调节蒸汽压力。打开阀，蒸汽从蒸汽发生器沿保温管路流至阀；慢慢打开阀，蒸汽开始流入套管环隙并对内管的外表面加热，控制蒸汽压力稳定在0.02MPa, 不要超过0.05MPa，否则蒸汽不够用。5. 分别测定不同流量下所对应的温度。当控制面板上的巡检仪显示的11个温度、压力数据及智能流量积算仪上显示的空气流量稳定后，记录下最大空气流量下的全部的温度、压力、流量数据。然后再调节阀，分别取最大空气流量的1/2及1/3，分别记录下相应流量下的稳定的温度和压力数据，这样总共有3个实验点。6. 实验结束后，关闭蒸汽阀和阀，关闭仪表电源及总电源。5.4.2 空气水蒸汽系统 操作步骤、方法基