对流换热系数的测定方法.doc

实验传热学对流换热系数测定方法总结 对流换热系数测定方法总结目录一、前言2二、 管内对流换热系数的瞬态测量法3三、窄环隙流道强迫对流换热实验4四、双侧加热窄环隙流道强迫对流换热实验5五、无相变流体在内斜齿螺旋槽管内强化对流换热实验6六、基于集总参数法的瞬态对流换热系数测定8七、总结10八、参考文献11一、前言工程上把流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程称为对流传热。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式，及分别为壁面温度和流体温度，即为表面传热系数，单位是。表面传热系数的大小与对流换热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关系。牛顿冷却公式并不是揭示影响表面传热系数的种种复杂因素的具体关系式，而仅仅给出了表面传热系数的定义。确定对流换热系数h有两条途径：一是理论解法；一是实验解法。理论解法是在所建立的边界层对流传热微分方程的基础上，通过教学分析解法、积分近似解法、数值解法和比拟解法求得对流传热系数h的表达式或数值。实验解法是通过对边界层对流传热微分方程组无量纲化或对影响对流传热系数h的主要因素进行量纲分析，得出有关的相似特征数，在相似原理的指导下建立实验台和整理实验数据，求得各特征数之间的相互关系，再将函数关系推广到与实验现象相似的现象中去。这种在理论指导下的实验研究方法，是研究对流传热问题最早的一种方法，也是研究对流传热问题的一种主要和可靠的方法，由实验解法得到的实验关联式是传热计算，尤其是工程上传热计算普遍使用的计算公式。对流换热系数h是求解伴有表面对流换热的热传导问题的重要参数之一。实验方法中直接测定对流换热系数的方法分为稳态法与瞬态法。稳态法对实验条件要求苛刻,实验周期长，误差大；瞬态法由于实验周期短，误差小，近年来被广泛运用于对流换热系数测量实验。通常所说的瞬态法是通过瞬时提高来流温度或者壁面温度来达到温度阶跃，测量窄幅热色液晶显色时间，通过求解一维半无限大平板非稳态导热方程得到测量表面的对流换热系数。实验中要达到温度的阶跃通常不容易实现，只能是近似阶跃，需要进行逐级阶跃或者指数函数进行修正。这种处理方式可以近似解决入口温度非阶跃响应问题。但是如果实验中存在涡流,采取突然提高来流温度的方法，并不能确定涡流温度随时间的变换曲线，对实验结果造成很大的误差。本文总结了几种瞬态对流换热系数的测量方法，全面分析了各因素对对流换热系数精度的影响并进行了定量分析，为对流换热系数的测量提供一些参考。二、 管内对流换热系数的瞬态测量法直接测定对流换热系数的方法分为稳态法和瞬态法，前者对实验条件要求苛刻。近年来，瞬态法备受人们关注。Hausen和Kast相继阐述了利用周期变化的流体温度在固体壁内的传播特性确定对流换热系数的原理，即根据流体与固体温度变化之间的相位滞后（或振幅衰减）确定对流换热系数。Roetzel提出了一套适用于任意形式周期振荡流体温度的瞬态测量方法。实验装置如图1所示。实验圆管是1根长60cm的17mm1mm的铜管，流体和管外壁面温度测点位置距管入口端50cm，管外侧包有保温隔热材料，由微型电机驱动的旋转换向阀使冷流体周期交替的流经圆管其切换时间可随意控制，温度测量采用镍铬镍硅热电偶，流量测量采用涡轮流量计，热电偶用石英测温仪（精度0.01）标定；流量计用容积式流量计（精度0.1%）标定，试验数据采集用数据采集系统完成。测试系统中的稳定热水源和冷水源（各自温度波动小于0.1）保持实验过程中稳定的周期温度变化幅值。随着换向阀的切换，在容积式水泵作用下，冷热流体分别由稳定冷、热水源流经实验管段，形成温度周期变化的管内流动，因为水泵连续工作，阀门切换所需时间远小于流体温度变化的周期，大容积的冷、热水源相当于抑制管道中微小压力波动的缓冲器，所以由阀门切换造成的流量波动的影响可以忽略不计。图1 管内对流换热系数的瞬态测量实验本方法中，对流换热系数的瞬态测量法快速、可行、准确。流体温度振荡周期对测试结果有一定的影响。应适当选择实验条件，使测得的对流换热系数有较高的准确性。三、窄环隙流道强迫对流换热实验在已经发表的与微细换热通道有关的文献中，研究者一般均以微细圆管或矩形流道为研究对象。流道当量直径在几微米至几百微米的量级，流道长度约几十毫米。研究结果表明，微细流道的对流换热特性与普通流道显著不同，但各个研究者所得到的实验结果和计算关系式在定量甚至定性上都存在很大差异。窄环隙流道的特点是具有微槽道的特征尺寸，但周向尺寸与普通流道相同。有关其沸腾换热性能的研究已有许多论文发表，但进行强迫对流换热的研究没有更详细的实验结果。这里在水加热条件下进行实验研究。实验元件由81，121.1和192.1的三根不锈钢管(1Cr18Ni9Ti)相互套装组成(图1)，构成外环隙、中间环隙和内圆管3个通道。在环隙流道的5个截面上采用“Y”型点支撑结构以保证管与管之间的同心定位，有效换热长度1350mm，实验元件竖直安装在实验回路上(图2)。回路系统由一、二两个回路系统组成，工作介质是水。其中一回路工作压力为0.6MPa，由电热式锅炉提供热源。高温水流出锅炉后分成两个支路流过涡轮流量计，分别进入实验件的外环隙和内管向下流动，经循环水泵重新回到锅炉内构成闭合回路，系统压力波动由气罐式稳压器进行补偿。二回路工作压力为常压。工质在泵压头的驱动下进入换热元件的中间环隙向上流动，受热后流回储水箱，工质流量用称重法测量。实验回路用超细玻璃棉丝包覆绝热，实验段进出口温度用铜-康铜铠装热电偶测量，有关物性参数按流体进出口平均温度计算，所用仪表进行了专门标定。图2窄环隙流道强迫对流换热实验本方法中，窄环隙流道与微槽道具有几乎相同的强迫对流换热特性；窄环隙流道内的强迫对流换热特性与普通流道显著不同，没有明显的层流区、过渡区和紊流区之分，均表现出紊流换热的特征；窄隙流道具有强化和抑制对流换热的双重作用。四、双侧加热窄环隙流道强迫对流换热实验在过去几十年中，人们对窄隙流道自然对流沸腾进行了许多实验，对此进行了详细的综述和进一步的系统研究，但有关进行强迫流动，特别是双侧加热窄隙流道换热特性研究的报导却很少。这里用一回路水加热方式对竖直窄环隙流道进行了双侧加热强迫对流换热实验，将双侧加热和单侧加热时的换热特性进行了对比分析。整个实验装置（同图2）系统主要是由一回路系统、二回路系统、冷却水系统、测量系统等4个系统组成.一回路系统的工质采用去离子水。水在水泵的驱动下经过电加热器,由上向下流过实验段的一回路侧内、外流道,将热量传给流经实验段的二回路侧水,然后由水泵唧入电加热器,构成封闭的循环回路。电加热器内有5根8kW电热元件,其中一根与自耦变压器相连,可以用来调节电加热器的加热功率。实验段的结构上在流道的5个截面上采用“Y”型焊点支撑以保证管与管之间的同心定位,这样在内管与中套管之间便形成1m m的窄环隙流道。一回路工质经内管流道、外套管与中套管之间的环隙流道由上而下流动,二回路工质经内管与中套管之间的窄环隙流道由下而上流过实验段并被加热。试验段总长为1380mm,有效加热长度为1350mm。二回路系统的工质采用纯净水。水箱中的水由给水泵唧出,经预热器加热到一定温度后,由下向上通过实验段的二回路侧,然后经冷凝器流回水箱,形成循环回路。两个回路工质的进、出口温度均用铜-康铜铠装热电偶测量。二次仪表是UT2004型直流数字万用表,精度为0.1%。一回路水的质量流量用DBLB-402G型靶式流量变送器5测量,其精度为1.5%。二次仪表为C 65-m A型直流毫安表,其精度为0.5%。二回路水的流量测量采用称重法。压力用1.5级标准压力表测量，量程为01.5MPa,最小刻度读数为0.05MPa。本方法中，双侧加热流道与单侧加热流道强迫对流换热定性一致，但定量上存在明显差别；双侧加热使环隙流道内侧换热在较高雷诺数区得到加强，而外侧换热则在低雷诺数区受到显著削弱；尽管改变一回路的加热方式会使环隙流道内侧和外侧的换热特性发生变化，但综合因素却使总换热量基本保持不变。五、无相变流体在内斜齿螺旋槽管内强化对流换热实验管壳式换热器是应用十分广泛的换热设备。光管由于加工方便,成本低,是管壳式换热器中应用最广泛的传热管,但由于其体积大,换热面积小,换热能力差,因此如何强化光管的换热一直是换热器研究的一个重要课题。国内外对螺旋槽管的研究较多,均发现螺旋槽管的换热能力优于光管。目前的研究大多数是在实验基础上进行数据拟合,而从理论上阐述的很少。内斜齿螺旋槽管已经应用在实际生产中,使用内斜齿螺旋槽管的换热器换热效果较好,但在理论上并没有相关的传热和阻力公式。因此研究内斜齿螺旋槽管的换热与流动规律,为内斜齿螺旋槽管在实际生产中的应用提供理论支持,具有重要的理论意义和应用前景。内斜齿螺旋槽管强化传热实验台示意图如图3所示,实验台由三部分组成:蒸汽系统、冷却水系统和换热器本体部分,管内走冷却水,管外为蒸汽。蒸汽来源于低压燃油锅炉,经过分汽缸进入热交换器,蒸汽流量由一个球阀控制,蒸汽在实验段冷却变成冷凝水,凝结水由疏水阀排出流入桶内,以便称重。本实验采用单管式换热器。热交换器长1200mm,实验段长900mm。为了便于换热器的拆装,蒸汽和冷却水以及疏水全部用法兰连接。在实验段套筒上部装有一个排气阀,以便在实验过程中不断排掉不凝结气体。图3斜齿螺旋槽管内强化对流换热实验本方法中，内斜齿螺旋槽管具有明显的强化传热作用,特别是在冷却水流速较低时更为突出。同时对管外凝结换热也具有强化作用。六、基于集总参数法的瞬态对流换热系数测定热传导、热对流和热辐射一般情况下并不是独立存在的，热传导时常伴有表面对流换热。本文研究的是零件内非等温场及其变形的研究的一部分内容，其中的热传递现象是导热对流系统，为了确定零件内的非等温场，表面对流换热系数h是必需的参数之一，本文采用了实验法以求得此参数。传统的实验法是以确定准则方程式的函数关系为主要内容，若采用传统的方法就显得过于复杂。因此设计了这种以集总参数分析法为基础的对流换热系数的测定方法即把导热体看成集总体，使得导热体的温度T只是时间t的函数，对特定环境条件下对流换热系数的获得提供了一种方便有效的方法。由牛顿冷却公式和傅里叶导热定律可知对流换热系数为:其中，为流体的导热系数，为导热体壁温，为流体温度，为流体的温度梯度，由此式可知h取决于流体的导热系数，温度差和贴壁流流体的温度梯度更准确地说h取决于流体的物性和流动状况，另外，还受壁面形状位置，表面粗糙度等的影响。本实验流体是空气其温度压力和速度均为定值因此雷诺数Re，普朗特数Pr均为常量其努谢尔特数为：其中L为导热体的特征尺寸c ，n， m均为可确定的常数，则:Const由以上分析可知对流换热系数在本实验中为定值可以用集总参数分析法进行求解。非稳态导热过程中当导热体的导热热阻(为导热体的导热系数)远小于导热体与流体间的对流热阻时，在同一瞬间导热体内各点的温度相差不大，因此可把全部物质看作一个处于平均温度下的集总体，亦即集总参数系统来分析。该分析法通常称为集总参数分析法(Lumped Parameter Analysis)。此时温度T仅为时间t的函数即T=f(t)。应该注意只有当代表导热热阻和对流热阻之比的毕渥数时导热体才可看作集总体。假设导热体的初始温度为T0并在Bi0.1的条件下被周围流体所冷却，导热体和流体接触的某一瞬间其能量平衡式为：其中A为与流体接触的导热体面积，为导热体密度，V为导热体体积Cp为导热体比热，引入过余温度，则，代入上式得：此式代表了导热体温度与时间的关系，假设V、A、h、cp均为已知的定值，自t =0时的至t=t时的，对上式进行积分得：即： （1）本实验测定一个边长为20.1 mm的纯铜制正方体试件的温度随时间的变化，试件的五个面绝热一个面直接接触流体。实验装置如图4。图4 实验装置示意图该实验的测量过程如下：将恒温箱的温度设置在20并使其保温3s以保持箱内流体温度的均匀性，将试件加热到80左右迅速放入恒温箱中的隔热盒，观察温度传感器示值当其达到50时开始计时，每隔1记下时间，直到其达到24时结束。考虑到对流换热系数与壁面的位置有关实验中选取了4个不同的位置进行测量。 上述实验装置测量的是自然对流换热系数，对装置进行改装后，如加上进出口装置，就可以测量强迫对流换热系数。本方法的测量对象应满足Bi0.1；本文所采用的方法测得的对流换热系数可控制在1.21.6%之间，该方法为测定特定环境条件下的对流换热系数提供了简便可靠有效的方法。七、总结瞬态实验方案的特点之一就是不必等待换热过程的热平衡，即在换热的过程中测量所需数据，避免了冗长的等待时间，由于试验周期短，有时热损失的处理也较为简单。由于实验设备不需达到热平衡状态，所以在实验设备中也就省略了稳态试验设备中的冷却装置，使设备的结构得到了简化。另外，对实验材料的耐温要求也降低了，试件不必长时间的承受高温，因此给高温实验也带来了方便。对于瞬态试验，人们关心的是温度的测量，而不像稳态试验那样，即关心温度的测量又关心热流密度的测量。由于温度的测量都是瞬态的，因此对测量传感器的响应时间提出了更高的要求，瞬态过程越短，要求越高；同时在实验中，如何保证实际的边界条件与理论模型相一致，这也是瞬态试验中的一个难点，必须通过一定的实验技术措施给予满足，否则，将引起较大的实验误差，且这种误差较难给出定量分析，这也是瞬态试验的缺点之一。八、参考文献1杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）M.北京:高等教育出版社,1998.2戴锅生.传热学（第二版）M.