实验报告二：对流传热系数及准数关联式常数的测定

对流传热系数及准数关联式常数的测定实验报告对流传热系数及准数关联式常数的测定实验报告 1 1 前言前言 研究表明 加入到换热器换热管中的扰流子添加物可以使换热管内流动的液体产生明 显的螺旋运动 换句话说 在换热器换热管中加入扰流子添加物 就相当于在换热器换热 管中加入空隙率 95 的多孔体 当换热器换热管中流动的液体流经这些扰流子添加物以 后 流道内将产生明显的弥散流动效应 在低雷诺数下 Re 300 由于弥散流动的促进 使换热器换热管中的液体转变为湍流 湍流状态的流动液体其总热阻是所有流态液体中最 小的 由于换热器换热管中湍流状态的流动液体热阻非常小 所以 换热器的传热系数 K 值将大大增加 在高的传热系数 K 值状态下 换热器中扰流子强化传热的效果就 会非常明显 当然换热器中的扰流子对流经换热管的不同介质 其强化传热的效果是有区别的 并且 换热管内扰流元件的形状和在传热面上的安装方法 对传热和流阻都有影响 一般可通过 实验确定其最佳形式 例如试验表明 在管道的全长填满螺旋形金属丝与间断设置螺旋圈 相比 后者在传热性能不变时可减小流阻 关于扰流子强化传热的原理 还有许多其它见解 有的专家认为扰流子强化传热是基于 加大了传热面积和粗糙度 这无疑是正确的 但试验表明 即使不紧贴壁面安装 则轴向 固定在流道中心的扰流子也能使 值加大 有人解释为填充物能产生持续不断的涡流 并 沿流向产生一个中心旋转流 在离心力的影响下使管中心的流体与壁面边界层流体充分混 合 从而减薄了边界层 强化了传热 总的看 有关扰流子强化传热的理论还不完备和一 致 一些数据仅来自实验 有待于更多的科研人员开发和利用 在换热器换热管中加扰流子添加物 最明显的特点就是大大增强了换热管内侧的换热系 数 试验表明 在换热器换热管中加扰流子添加物 换热管内侧换热系数可比光管提高 3 5 倍以上 扰流子强化传热除了减少金属消耗 它还可以提高工厂热能利用效率 降低能耗 目前 一些设计追求高热强度 而管壳式换热器由于传热效率低 设计中采用的主要手段是选择 提高对数平均温差 这要导致能耗的大幅度增加 以炼油厂常减压装置为例 传热温差为 60 以热 冷流体 260 200 计算 传热占热流 21 5 如果将温差降至 33 传热损 可降至 10 采用扰流子强化传热的换热器 在保证换热强度不变的情况下 可以显著降低 传热温差 从而降低了热损更好地实现能级匹配 达到节能降耗的目的 采用扰流子强化传热 另一优点就是可有效地抑制污垢的生成 结垢是换热器非常棘手 的问题 污垢使传热效率下降 它的导热性能差 只有钢的 1 30 1 50 对碳钢管油冷却 器 当水垢厚度达到 2mm 时 将比新制无垢时的运行效率下降 30 美国传热研究公司 对换热器的污垢问题进行了多年的研究 发现污垢的形成 生长 主要与介质温度和流速 有关 介质温度越高 介质与壁面温差越大 流速越低 越易形成污垢 为了消除管侧污 垢 国外一些厂家通过提高管内流速 V 2 3m s 但这带来过高的压降 能耗很大 采用扰流子强化传热的换热器 设备管侧的污垢显著减少 首先 由于流体的弥散流动 介质的温度梯度较小 抑制了污垢的形成 生长 其次 由于弥散流紊动度很高 扰流子 强化相当于静态搅拌器 流体中的杂质不易沉积成垢 使用扰流子强化传热换热器的清洗十分方便 短时期清洗时 可不抽出强化元件 用水 速为 V 0 8m s 的清洗水冲刷管程即可 实验表明 当水速达到 0 8m s 时 水流将产生强 烈的弥散涡流 对管壁有很强的冲刷效应 因此 可以比较干净地除掉扰流子及管壁上的 垢物 如果长时间运行后清洗 可抽出强化元件 分别清洗扰流子与管壁 这也很便于实 施 扰流子强化传热元件非常易于装拆 安装 日常维护简便 对旧设备的革新挖潜尤为有 利 2 实验目的 实验目的 1 了解套管换热器的构造 2 掌握用热电偶温度计测量温度的方法 3 学习对流传热系数及总传热系数的测定方法 4 了解对流传热系数 a 的影响因素和强化传热方法 5 学习将测定的实验数据整理成传热系数准数关联式 3 实验原理 实验原理 1 一般情况下 对流传热系数可根据牛顿冷却定律进行实验测定 tSaQ tS Q a 式中 Q 通过壁面的传热速率 W a 对流传热系数 W S 传热面积 流体与壁面间的温度差 t 本实验用的是套管式换热器 实验管段为黄铜管 空气走管内 饱和水蒸汽走管外 当管壁与污垢热阻可忽略时 a 与总传热系数 K 有下列简化关系 01 111 aaK 当的特殊情况下 可近似取 01 aa Ka 1 式中 K 总传热系数 W a1 传热管内对流传热系数 W a0 传热管外对流传热系数 W K 可由总传热速率方程式求出 即 m tS Q K 传热速率 Q 可按下式进行测定和计算 12 ttWCQ p 式中 W 空气质量流量 kg s Cp 空气定压比热 J kg t1 t2 空气的进 出口温度 LdS i 式中 di 套管的内管内径 m L 套管的内管长度 m 平均温度 tm由冷 热流体进 出口温度计算 1 2 12 1 2 12 tT tT In tTtT t t In tt tm 式中 T 饱和蒸汽温度 2 无相变时 流体在圆形直管中作强制湍流时 给热系数 a 的准数关联式一般形式为 n r m eu pARN 式中的常数 A m n 需由实验确定 对一定种类的气体 在很宽的温度 压力变化范围内 Pr值基本上保持不变 例如空气 的 Pr 0 7 上式可写为 n m eu ARN7 0 或 m eu RAN 实验中 改变空气流速以改变 Re准数值 根据实验数据把 Nu Re关系在双对数坐标 纸上作图 即求出式中系数和指数 m 使准数关联式得以确定 壁面与空气对流传热系 A 数的通用经验式为 4 03 0 023 0 teu PRN 8 0 0199 0 e R 上式没有考虑管子内表面粗糙度对传热的影响 本实验装置设两条套管换热器 它们 内管的管径相同 不同的是其中一条是光滑管 另一条是螺旋槽管 实验时可以发现 当 加热蒸汽的压力和空气流量相同时 螺旋槽管出口空气温度远比光滑管高 这证明管内壁 面螺纹强化了传热过程 4 4 实验材料与实验方法实验材料与实验方法 4 14 1 实验装置实验装置 传热实验装置由两支套管换热器组成 其中一支是光滑管 另一支是螺旋槽管 1 普通套管换热器 2 内插有螺旋线圈的强化套管换热器 3 蒸汽发生器 4 旋涡气泵 5 旁路调节阀 6 孔板流量计 7 风机出口温度 冷流体 入口温度 测试点 8 9 空气支路控制阀 10 11 蒸汽支路控制阀 12 13 蒸汽放空口 14 蒸汽上升主管路 15 加水口 16 放水口 17 液位计 18 冷凝液回流口 传热管参数 表 1 实验装置结构参数 实验内管内径di mm 24 5024 50 实验内管外径do mm 31 9031 50 测量段 紫铜内管 长度l m 0 70000 7000 4 24 2 实验步骤实验步骤 1 准备工作 1 接通电源总闸 2 检查鼓风机运转是否正常 检查空气进口阀是否正常 3 向电加热釜加水至液位计上端红线处 4 打开实验装置的放气阀门 排除空气和其它不凝性气体 2 实验步骤 1 水沸腾后 水蒸气自行进入套管换热器外管 观察蒸汽排出口有恒量蒸汽 排出 2 约加热十分钟后 启动鼓风机 3 调节空气流量旁路阀的开度 4 稳定 5 8 分钟可转动各仪表读取 t1 t2 T 各值 5 重复 3 与 4 共做 6 个空气流量值 6 最大 最小值必须做 7 换成强化管重复以上操作 3 实验结束 1 关闭加热器开关 2 待套管温度下降至 50 以下后关闭鼓风机 并将旁路阀全开 3 切断总电源 4 注意事项 1 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内 特别是每个实验结束后 进 行下一实验之前 如果发现水位过低 应及时补给水量 2 必须保证蒸汽上升管线的畅通 即在给蒸汽加热釜电压之前 两蒸汽支路 控制阀之一必须全开 在转换支路时 应先开启需要的支路阀 再关闭另 一侧 且开启和关闭控制阀必须缓慢 防止管线截断或蒸汽压力过大突然 喷出 3 必须保证空气管线的畅通 即在接通风机电源之前 两个空气支路控制阀 之一和旁路调节阀必须全开 在转换支路时 应先关闭风机电源 然后开 启和关闭控制阀 4 34 3 数据处理方法及其原理数据处理方法及其原理 1 一般情况下 对流传热系数可根据牛顿冷却定律进行实验测定 tSaQ tS Q a 式中 Q 通过壁面的传热速率 W a 对流传热系数 W S 传热面积 流体与壁面间的温度差 t 本实验用的是套管式换热器 实验管段为黄铜管 空气走管内 饱和水蒸 汽走管外 当管壁与污垢热阻可忽略时 a与总传热系数K有下列简化关系 01 111 aaK 当的特殊情况下 可近似取 01 aa Ka 1 式中 K 总传热系数 W a1 传热管内对流传热系数 W a0 传热管外对流传热系数 W K可由总传热速率方程式求出 即 m tS Q K 传热速率 Q 可按下式进行测定和计算 12 ttWCQ p 式中 W 空气质量流量 kg s Cp 空气定压比热 J kg t1 t2 空气的进 出口温度 LdS i 式中 di 套管的内管内径 m L 套管的内管长度 m 平均温度 tm由冷 热流体进 出口温度计算 1 2 12 1 2 12 tT tT In tTtT t t In tt tm 式中 T 饱和蒸汽温度 2 无相变时 流体在圆形直管中作强制湍流时 传热系数a的准数关联式一般 形式为 n r m eu pARN 式中的常数 A m n 需由实验确定 对一定种类的气体 在很宽的温度 压力变化范围内 Pr值基本上保持不变 例如空气的 Pr 0 7 上式可写为 n m eu ARN7 0 或 m eu RAN 实验中 改变空气流速以改变 Re准数值 根据实验数据把Nu Re关系在 双对数坐标纸上作图 即求出式中系数和指数 m 使准数关联式得以确定 A 壁面与空气对流传热系数的通用经验式为 4 03 0 023 0 teu PRN 8 0 0199 0 e R 上式没有考虑管子内表面粗糙度对传热的影响 本实验装置设两条套管换 热器 它们内管的管径相同 不同的是其中一条是光滑管 另一条是螺旋槽管 实验时可以发现 当加热蒸汽的压力和空气流量相同时 螺旋槽管出口空气温 度远比光滑管高 这证明管内壁面螺纹强化了传热过程 5 5 实验结果与讨论实验结果与讨论 5 15 1 实验结果实验结果 5 1 1 5 1 1 已知数据及有关常数已知数据及有关常数 以第一组数据为例计算 孔板流量计压差 650 Pa 进口温度t1 48 00 出口温度 t2 P 59 70 壁面温度热电势 100 1 1 传热管内径di mm 及流通断面积 A m2 di 24 50 0 0245 A di2 4 3 14 0 0245 2 4 0 00047 m2 2 传热管有效长度 L 及传热面积si m2 L 0 70 si L di 3 14 0 70 0 0245 0 05385 m2 3 传热管测量段上空气平均物性常数的确定 先算出测量段上空气的定性温度 为简化计算 取 t 值为空气进口温度t t1 及出口温度t2 的平均值 即 53 85 2 59 7048 00 2 21 tt tm 此查得 测量段上空气的平均密度 1 080 Kg m3 测量段上空气的平均比热 Cp 1005 J Kg 测量段上空气的平均导热系数 0 02850 W 测量段上空气的平均粘度 1 97 5 10 sPa 5 1 2 对流传热系数对流传热系数值的计算值的计算 传热管内平均体积流量 V 由下面校正计算 孔板流量计孔径 10mm 0 0000785 m2 0 13 查表得 0 60 0 A 0 AAi 0 c 00163 0 080 1 6502 0000785 0 60 0 2 3 00 sm p AcV 冷热流体间的平均温度差 00 46 59 70 1 100 48 00 1 100 ln 59 70 1 100 48 00 1 100 ln tt tt tttt t w w ww m 传热速率 W W 75 20 48 00 59 70 1005080 100163 0 tCpVQ W m2 38 8 05385 0 00 46 75 20 imi StQ 5 1 3 对流传热系数准数关联式的有关计算对流传热系数准数关联式的有关计算 传热管内流速 m s 48 3 00047 0 00163 0 AVu 怒赛尔数 20 7 02850 0 0245 0 38 8 ii dNu 雷诺数 46700000197 0 080 1 48 3 0245 0 Re udi 普朗特数 Pr cp 1005 1 97 0 02850 0 695 5 10 重复以上计算得 5 1 45 1 4 计算得到数据如下表计算得到数据如下表 普通管 普通套管 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 流量 pa 650 1150 1260 1520 1850 2420 传热管内流 量 V m3 s 0 00163 0 00217 0 00225 0 00249 0 00275 0 00314 t1 48 00 44 50 44 60 43 50 44 10 44 00 t2 59 70 58 60 57 90 58 70 58 80 58 30 tw 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 tm 53 85 51 55 51 25 51 10 51 45 51 15 tm 46 00 48 21 48 55 48 60 48 28 48 60 Q W20 75 33 37 33 15 41 42 44 15 49 14 i W m2 8 38 12 86 12 68 15 82 16 98 18 78 u m s 3 48 4 61 4 80 5 29 5 84 6 68 kg m3 1 080 1 087 1 100 1 090 1 088 1 089 0 02850 0 02836 0 02810 0 02833 0 02835 0 02834 w m Cp J Kg 1005 1005 1005 1005 1005 1005 Pa S 0 000019 7 0 000019 6 0 000019 5 0 000019 6 0 000019 6 0 000019 6 Re4670 6263 6629 7211 7948 9094 Nu7 20 11 11 11 05 13 68 14 68 16 23 Pr0 695 0 695 0 697 0 695 0 695 0 695 Lg Re 3 67 3 80 3 82 3 86 3 90 3 96 Lg Nu 0 86 1 05 1 04 1 14 1 17 1 21 强化管 强化套管 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 流量 pa 500 980 1106 1304 1501 1700 传热管内流 量 V m3 s 0 00142 0 00198 0 00210 0 00229 0 00245 0 00262 t1 42 90 35 70 36 60 38 90 37 30 40 80 t2 52 90 54 80 55 90 57 10 56 90 58 00 tw 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 100 10 tm 47 90 45 25 46 25 48 00 47 10 49 40 tm 52 04 54 29 53 27 51 57 52 39 50 21 Q W15 74 42 25 45 27 46 19 53 46 49 75 i W m2 5 61 14 45 15 78 16 63 18 95 18 40 u m s 3 01 4 20 4 47 4 88 5 22 5 58 kg m3 1 105 1 114 1 110 1 102 1 106 1 098 w m 0 02806 0 02786 0 02793 0 02807 0 02800 0 02814 Cp J Kg 1005 1005 1005 1005 1005 1005 Pa S 0 000019 4 0 000019 3 0 000019 3 0 000019 4 0 000019 4 0 000019 5 Re4207 5944 6304 6785 7292 7693 Nu4 90 12 71 13 84 14 52 16 58 16 02 Pr0 695 0 696 0 694 0 695 0 696 0 696 lg Re 3 62 3 77 3 80 3 83 3 86 3 89 lg Nu 0 69 1 10 1 14 1 16 1 22 1 20 5 1 55 1 5 对准数关联式对准数关联式作图 作图 AmNulgRelglg 关联式图 y 1 2553x 3 7363 R2 0 9732 y 2 0511x 6 6365 R2 0 9366 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 3 603 703 803 904 00 lgRe lgNu 普通管关联式图 强化管关联式图 线性 普通管关联式图 线性 强化管关联式图 对于普通管对于普通管 直线方程为 Y 1 2553X 3 7363 则 m 1 2553 A 10 3 7363 0 00018 故关联式为 Nu 0 00018Re1 2551 对于强化管 对于强化管 直线方程为 Y 2 0511X 6 6365 则 m 2 0511 A 10 6 6365 0 00000023 故关联式为 Nu 0 00000023Re2 0511 5 25 2 思考题思考题 1 如果采用不同压强的蒸汽进行实验 对a关联式有没有影响 答 有影响 a关联式反应的是一定条件下空气侧的规律 蒸汽压强变大时 流速变大 a 也变大 因而空气侧的a关联式也会改变 须由实验确定 2 测取数据前 为什么要排除不凝性气体 答 不凝性气体的物性常数和空气的不一样 会造成误差 3 本实验中管壁温度接近加热蒸汽温度还是空气温度 为什么 温度计处温度能够由空气进口温度代替 说明理由 答 管壁温度接近蒸汽温度 因为蒸汽侧的a 大很多 同样的传热速率时 温差小 所以管壁温度接近蒸汽温度 温度计处温度能够由空气进口温 度代替因为空气在管中的传热很少可忽略 4 本实验中 空气和蒸汽的流向对传热效果有什么影响 为什