传热系数与给热系数

1、图1传热过程示意图(1)(3)传热系数K和给热系数a的测定一. 实验目的1. 了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法;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. 基本原理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 通过固体壁面进行热量交换。它是由热流体对固体壁面 的对流给热，固体壁面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 由传热速率方程知，单位时间所传递的热量Q= KAT t而对流给热所传递的

2、热量，对于冷、热流体均可由牛顿冷却定律表示Q= hAh T twi(2)或 Q= cAc tw2 t对固体壁面由热传导所传递的热量，则由傅立叶定律表示为twitw2由热量平衡和忽略热损失，可将(2)(3)、( 4 )式写成如下等式Q=twitwit w2t w2 t1h AhAcT t1KA(5)所以Am(6)h Ahf di, i,i,Ui,2, 2,Cp2, 2,U2 = f 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定理，热量传递范畴基本因次有四个：L,M,T,t,壁

3、面的导热热 阻与对流给热热阻相比可以忽略K - f 1, 2(8)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108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1, 2进行研究，之后再将1, 2 合并，总体分析对K的影响，这有利于了解影响传热系数的因素和强化传热的 途径。当1 >> 2时，K 2，反之当1 « 2时，K 1。欲提高K设法强化 给热系数小的一侧 ，由于设备结构和流体已定，从(9)式可知，只

4、要温度变化 不大，1只随U1而变，1 f d1, U1, 1, 1, Cp1, 1(9)改变U1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。同时它提示了欲提高K只要强化 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定理告诉我们，n = 7-4 = 3个无因次数群，即:f d1,U1, 1,1, Cp1,1d f du cp(10)经无因次处理，得:Nu a°RebPrC如果温度对流体特性影响不大的系统，并且温度变化范围不大，则式(11)可改写为：Nu a Reb式中：a a。Prc。

5、2 .传热系数K和a的实验测定实验装置的建立依据如下热量衡算式和传热速率方程式，它是将(5)和(6)式联立，则KA其中其中:t mh(Tt2 )(Ttj,Tt2lnTt1cC pc (t2GAtm(tm上t2)(t-m下11 )tm上t2lntm下t1(Ttm上)(Tt m下)tm= W c pcCpc(t 2-t 1)Wctmtmcln上T tm下(12)(13)(14)(15)(16)若实验物系选定水与水蒸汽,由(8)、(9)式告诉我们，实验装置中需要确定 的参数和安装的仪表有：A 由换热器的结构参数而定；Wc测冷流体的流量计；t1、t2 测冷流体的进、出口温度计；T、P 测热流体的温度计

6、，蒸汽压力；Cpc 由冷流体的进、出口平均温度决定;tm上、tm下-由热电偶温度计测定。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置图三. 实验装置图四. 实验步骤1 先开蒸汽加热开关，再开气源和空气转子流量计。2. 打开不凝性气体放气阀，开-关”重复三次。3. 整个实验操作控制蒸汽压力恒定在 0.05Mpa以下某一刻度，改变唯一操 作变量即空气转子流量计阀门开度，达到改变流速的目的。4. 实验布点采用小流量和打流量分别布点集中原则，因为是直线原因。5. 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. 实验结束时，先关蒸汽进口调节阀，保持空气继续流动10min，以足够 冷却壁温，保护热电偶接促正常。7. 上机数据处理的直线相关系数要求 R>0.93，否则，实验重做。五. 实验结果及数据处理六. 实验结果讨论与分析1、从理论及经验公式可知：Nu=(1) 光滑管内Fe > 10000即流动是充分湍流的，这一点是重要的；(2) 0.7 v R V 160;(3) 流体是低粘度的(不大于水粘度的 2倍)；(4) l/d >3040即进口段只占总长的