实验四强制对流下空气传热膜系数测定

1、实验四 强制对流下空气传热膜系数的测定实验一. 实验目的1. 了解间壁式传热装置的研究和给热系数测左的实验组织方法:2. 掌握借助于热电偶测量壁温的方法；3. 学会给热系数测定的试验数据处理方法：4了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。二. 实验内容1、测左6组不同流速下，套管换热器的总传热系数K和空气的对流传热系数2、对a c的实验数据进行多元线形回归，求准数关联式Nu=AResPrR中常数A, m三、基本原理（简述）1、传热系数K的理论研究在工业生产和科学研究中经常采用间壁式换热装置来达到物料的冷却和加热。这 种传热过程系冷、热流体通过固体壁而进行热量交换。它是由热流体对固体壁面的对 流

2、给热，固体壁而的热传导和固体对冷流体的对流给热三个传热过程所组成。如图1 所示。图1传热过程示意图图2传热解析图由传热速率方程知，单位时间所传递的热量(1)Q 二 KA(T-t)而对流给热所传递的热量，对于冷、热流体均可表示为(2)或 Q：= aeActwl -r）对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶泄律表示为:Q尸才（.2）由热量平衡及忽略热损失后（即Q二QfQfQJ,可将（2） （3） （4）式写成如下等式:G內川KA所以 K= ?厂（6）1 o 1!1aiA 从” «<AK = f（d, P, M , Cpi，人，旳,2,5, P2, “2，cp2 A»m

3、2）= /（6,2,5）（7）从上式可知，除固体的导热系数和壁厚对传热过程的传热性能有影响外，影响传热过 程的参数还有12个，这不利于对传热过程作整体研究。根据因次分析方法和n泄理，热量 传递范畴基本因次有四个：L,M,T,t，壁面的导热热阻与对流给热热阻相比可以忽 略Ka/ds）要研究上式的因果关系，尚有n =13-4=9个无因次数群，即由正交网络法每个水平变化10 次，实验工作量将有10次实验，为了解决如此无法想象的实验工作量，过程分解和过程合 成法由此诞生。该方法的基本处理过程是将（7）式研究的对象分解成两个子过程如（8）式所 示，分别对冬,勺进行研究，之后再将少冬合并，总体分析对K的影

4、响，这有利于了解 影响传热系数的因素和强化传热的途径。当a, a2时，反a2时，欲提髙K设法强化给热系数小的側a，由于设备结构和流体已立，从（9）式可知，只要温度变化不大，a只随坷而变,6Z = /（，“I, P, P, Cp,人）（9）改变 的简单方法是改变阀门的开度，这就是实验研究的操作变量。同时它提示了欲提髙K只要强化a小 的那侧流体的u°而流体u的提高有两种方法：（1）增加流体的流量；（2）在流体通道中设置绕流内构件，导致强化给热系数。由（9）式，n泄理告诉我们，n = 7-4 = 3个无因次数群，即：冬=/（4，"°,“,c 人）=>竺=/（如少（

5、10）兄 I “2丿经无因次处理，得Nu = A Rew Prn（11）2、传热系数K和a的实验测定实验装置的建立（参见图2）依据如下热量恒算式和传热速率方程式，它是将（5）和（6） 式联立，则：KAAt.= We p cCpc（T、一G） （兀一人）cPeCIKt1 -/JK =(12)(13)(14)其中:+ 2T(15)(16)若实验物系选左水蒸汽（G）与冷空气（g）,由（8）、（9）式告诉我们，实验装置中需要确左 的参数和安装的仪表有：A由换热器的结构参数而定（传热而积）；W£测冷流体的流量计；tlN ts测冷流体的进、出口温度计:T测热流体的进、岀口温度计：S由冷流体的进、

6、岀口平均温度决定：Ttw.壁温，由热电偶温度汁测宦。将以上仪表、换热器、气源、及管件阀门等部件组建成如下实验装豊图。3、对流传热系数准数关联式的实验确定Nu = A Re,n Pr"式中:努塞尔准数.：Nu =-A雷诺准数：Re = “普朔特准数：卩厂=孚A对上式（11）两边取对数得lg Nil = lg 4 + m lg Re+ n lg Pr或 lg =?lgRe+lg A（17）Pr在强制湍流时，当温度变化范国不太大，温度对流体的特性影响较小，在气流温度升高时，n=o Pr为常数.只衣达式中的Cp, u, X, P均損在平均温度门=上三的门2Nu设 r = lg > bo

7、=lgA X=lgRe 则(17)变为Y=mX+b(>(18)以X为自变疑，Y为因变疑，进行二元线性回归，求得m, b。即可求得，或在双对 数坐标纸上，以工为纵坐标，Rc为横坐标，做出一条直线，求出其斜率，即mPr"四. 实验装置1、实验流程图2. 主要设备及仪表换热器 蒸汽发生器热电阻温度计控温仪 流量计气泵压力表阀门3、主要设备参数黄铜管壁厚： mm 管内径： mm 管外径mm 管长 m五、实验步骤1、在蒸汽发生器里放入去离子水至液位管上段处，使水浸没加热电棒，以防烧坏。2、启动风机，通过气体流疑计上的阀门和风机出口处的旁路，调节一泄的气体流量，3、再开加热蒸汽的阀门,心.

8、咚汽的爪强为-稳疋值5060kpa,待套管表而发热, 打开套管上下法兰处的排气考克23次，排除不凝性气体。4、整个实验操作热流体的进口温度是恒泄的，改变唯一操作变量即冷空气转子流量计 阀门开度，达到改变流速的目的。5、每次调节风量，维持待冷流体出口温度显示值保持5min以上不变时方可同时采集 实验数据。6、实验结朿时，先关加热蒸汽，保持冷空气继续流动lOmin,以足够冷却套管换热器 及壁温，保护热电偶接触正常。7、仪表屏中间的大表是温控表，请不要乱掀按钮。注意事项：1、上机数据处理的直线相关系数要求R2,否则，实验重做。2、蒸汽温度升上来时，打开套管上下端的排气考克，排气2-3次，排除不凝气体

9、。3、仪表均以设定好，切勿乱调。4、在实验过程中蒸汽压力不宜过高，操作压力视装置的条件而定。5、每次参数调整后，会使原来的左态操作被破坏，只有当重新达到泄态时，才能测量新 的数据。六. 实验数据纪录和结果整理:原始数据记录表格实验日期：室温： 大气压 加热蒸汽黄铜紫铜管长m:内径mm:壁厚mm:No蒸汽压力Mpa蒸汽温 度°C空气流 量 m5/h空气流 量计前 表压空气进 口温 度°C空气出口温 度C壁温 °C备注12 8数据处理结果序 号空气密度 p 空(Kg/nP)体积流量 V(n?/s)对数平均温差tm( C)定性温度 (°C)Cp (J/Kg C)Ai2 nr5W/nf r12345678序号v m3/sum/sN s/m2RekW/m °CaW/m2 °CNu itNu«12345678计算举例（并绘岀图形七. 思考题：1、如何判断实验过程已经稳定，影响实验的主要因素是什么？2、影响a的主要参数是什么？