化工原理管内强制对流传热膜系数的测定.doc

实验七 管内强制对流传热膜系数的测定一实验目的1. 学习用近似法、简易Wilson法测定空气与管壁传热膜系数的原理；2. 掌握用不同的方式处理实验数据，根据实际结果比较各种处理方法的优缺点；3. 用测定的传热膜系数，整理成努塞尔准数Nu与雷诺准数Re之间成的形式，并验证实测Nu的与Re关系式与公认式是否一致。4. 训练运用实验实测的数据拟合成经验公式的能力。二实验原理1流程装置简介（如图1-1所示）本实验装置只要由加热系统、控制系统、调节系统三部分构成。由电加热器热电偶可控硅控制仪组成调节系统；由孔板流量计压力传感器电子电位差计阀门组成的空气流量计测量调节系统；由空气进、出口处的热电偶自动平衡记录仪组成测温系统。空气由旋涡机进入风管，经电加热器加热到温度T1后，进入套管换热器的内管，与环隙的水进行热交换，空气冷却到温度T2后排出；空气的流量由连有压力传感器的孔板流量计测得，空气流量变化的信号通过压力传感器传送到UJ36电位计，可读出电位差值，计算出空气的实际流量。换热器的热空气进套管，换热器的温度由可控硅控仪控制，系统的稳定性由记录仪内的红蓝笔是否走直线来判断。由于外力的作用，使流体被迫流动而产生传热的现象，称为强制对流传热。对于空气在圆形直管内，强制对流传热的膜系数的测定方法有如下几种：（以空气作热流体，水作冷流体，两流体在套管换热管中作逆流运动，空气的质量流量用孔板流量计配压力传感器，用电位差计测出压力传感器两侧的电势差值而计算得到。）2. 数据处理方法图1-2 简易Wilson图解法示意图 图1-3 NuRe的关系线方法1、近似法：根据传热速率基本方程式： ， 即 （7）而总传热系数与对流传热系数之间的关系为： （8）套管换热器壳程走的是水，因水的传热性能非常好，其传热膜系数可以达到几千w/m3，其热阻值很小。又内管的管壁材料是黄铜，黄铜的导热性能很好，即其热阻更小，而空气对管内壁的传热系数只有几十w/m3，另外又有水侧与空气侧的污垢热阻两项，因本实验使用的流体是纯净的自来水和室内干净的空气，且实验时间又不长，所以两者的污垢热阻比热空气侧的对流传热热阻小很多，即式中的、相对于都很小，可以忽略。 则 即 （9）又（3）、（4）式计算出Q值，为以套管换热器内表面积为基准的传热面积m2；、为水的进出口温度。据（6）式计算出c值，则就得到值。方法2、简易Wilson图解法一、简易Wilison图解法的原理简易Wilison法使用条件：1、待求侧传热膜系数与实验变量的次方关系已经确定，如本实验中；2、非待测的热阻之和为定值，即实验中水侧的流态不变。空气和水在套管换热器中换热，热空气在内管被套管环隙中的水冷却，若以内表面积为基准的总热阻可用下式表示： （10）式中：K换热器的总传热系数w/m3； 、空气侧、水侧传热膜系数w/m3； 换热管材料的导热系数w/m3； B换热管厚度m； 水侧污垢热阻w/m3； 、换热管内表面积、外表面积、内外平均表面积m2当管内热空气作充分湍流时，空气强制对流传热膜系数： （11）C为待定系数，将式（11）代入（10）式得： （12）如果在实验中保持式（12）中的、三项不变，而在不同的空气流速下分别测出相应的K，则（12）式可写成：令， （13） 又 （14）式（13）是一个的直线方程，在方格纸上作出以为横坐标，为纵坐标点在坐标的各实验点。如图五所示，为一条直线。求出直线的斜率m，则。空气侧的传热膜系数计算式就可以计算确定了。3.拟合成准数方程如何检验以上介绍的几种方法测得值更接近于公认值（即由准数方程计算出得值），可以采用比较拟合得到的准数方程与公认的准数方程值接近的程度，或在双对数坐标中作公认线和实测线，比较两者的相近程度。具体如下：根据不同流速下测量得到、G，拟合成形式的准数方程。然后在双对数坐标作出NuRe的关系线。如图六所示。（此图为按本实验装置实测的结果示意图线，简易Wilson法线很接近于公认线。在上方的原因主要是、的位置都在实际点外侧，是的值偏大造成的。）三实验操作步骤双击“TransHeat”进入实验操作界面。点击“开始实验”按纽，则系统开始初始检测设备是否能正常工作，若能正常工作，则开始计时，并显示实验时间。将鼠标移到流程图上风机的位置，等待鼠标形状变为，左键单击操作点，弹出二相开关控制操作界面，点击“ON”，则打开风机电源。然后在实验装置流程图窗口内移动鼠标，使鼠标形状变为，此时单击鼠标右键退出二相控制操作，操作界面消失。二相开关控制操作完成。将鼠标移到流程图上加热器位置，和打开风机电源一样打开加热器电源，开始加热。将鼠标移到流程图上流量控制器位置，等待鼠标形状变为，单击操作点，弹出连续控制操作界面，设置控制点数据有两种方式：将鼠标移向表盘中的指针，等待鼠标形状变为，拖动指针到要求的设定值，在实验装置流程图窗口内移动鼠标变为，单击鼠标右键，完成设置；将鼠标移向表盘中的数据显示区域，等待鼠标形状变为，双击鼠标左键，在表盘的数据显示区域内通过键盘输入要求的设定值，回车键确认或者在实验装置流程图窗口内单击鼠标右键完成设置。在实验装置流程图窗口内移动鼠标，使鼠标形状变为，此时单击鼠标右键退出连续控制操作，操作界面消失。连续控制操作设置完成。 将鼠标移到流程图左上角的温度控制器位置，以类似设置风量操作一样设置好实验所需要的实验温度。此时系统趋向稳定状态，缩略图窗口和放大图窗口开始显示各个物理量的变化情况。可以调整缩略图窗口和放大图窗口来查看各个物理量。若走直线则说明系统已经稳定，则可以进行稳定分析，选择缩略图上的一个区间，该区间在放大图上放大，然后选择一点双击，显示一个白色小圆点，然后单击“稳定分析”系统开始稳定分析，如图所示。如果系统处于稳定状态，则“数据采集”按纽变为Enable状态，用户可以进行数据采集。左键点击“数据采集”。则读取一个数据点，分别为气体的进、出口温度、，冷却水的进、出口温度、，孔板流量计处的温度、压力和孔板流量计两侧的电位差值。用户所采集的数据可以在数据处理表单查看。然后改变流量，分别等系统稳定后，读取46个数据点。完成一组数据时，点击菜单“实验查看”下的“处理结果”命令，则系统弹出以下窗口：用户可对某组实验数据进行删除处理，单击“删除”，确认或者取消删除信息即可。单击“完成”确认修改，单击“取消”取消修改。然后依次关闭加热器电源、将流量调节阀设置为0、关闭风机电源等，然后再关闭总电源，实验结束。如果用户需要重新再做一组新的数据，一组信息提供用户添加和选择不同的组来贮存不同的实验数据，在“组名设置”对话框中添加和选择组。输入组名，单击“添加”，该组名便添加到组系列当中了；单击“组系列（S）”中的某一组，再单击“选择”，该组便被选上。最后单击“确定”或者回车确认设置，单击“取消”或者Eec键取消设置。四实验数据记录及处理1、测定空气在圆形直管内作强制对流时的传热膜系数；原始数据的记录为下图2-1图2-1 原始数据记录图2、 用近似法、简易Wilson分别得出实测的传热膜系数，并对用两种方法处理得到的结果进行分析比较讨论。近