实验五对流传热系数

实验五对流传热系数的测定PAGEPAGE26实验五对流传热系数的测定实验目的学会对流传热系数的测定方法。测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关联式，以检验通用的对流传热准数关联式。了解影响对流传热系数的因素和强化传热的途径。二、实验内容测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进、出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。三、基本原理1．准数关联式对流传热系数是研究传热过程及换热器性能的一个很重要的参数。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目的，这种传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行的热量交换，由热流体对固体壁面的对流传热、固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。由传热速率方程式知，单位时间、单位传热面所传递的热量为q=K(T-t)（5—1）而对流传热所传递的热量，对于冷热流体可由牛顿定律表示q=h·(T-Tw1)（5—2）或q=c·(tw2-t)（5—3）式中q———传热量，W/m2；———给热系数，W/m2·T———热流体温度，℃；t———冷流体温度，℃；Tw1、tw2———热、冷流体侧的壁温，℃；下标：c——冷侧h——热侧。由于对流传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到对流传热系数的关系式，它必须由实验加以测定获得各影响因素与对流传热系数的定量关系。为了减少实验工作量，采用因次分析法将有关的影响因素无因次化处理后组成若干个无因次数群，从而获得描述对流传热过程的无因次方程。在此基础上组织实验，并经过数据处理得到相应的关系式，如流体在圆形（光滑）直管中做强制对流传热时传热系的变化规律可用如下准数关联式表示Nu=CRemPrn(5—4)(5—5)(5—6)式中Nu———努塞尔特准数；Re———雷诺准数；Pr———普兰特准数；w———空气的质量流量，Kgs；d———热管内径，m；A———换热管截面积，m2；———定性温度下空气的粘度，Pa·S；———定性温度下空气的导热系数，W(m·℃)；———对流传热系数，W(m2·℃)。当流体被加热时，n=0.4；被冷却时，n=0.3。此式的适用范围：Re>10000，0.7<Pr<120，长与管径比，低粘度的流体(<2倍常温下水的粘度)。计算各物理量的定性温度用进出口温度的算术平均值。对空气而言，在较大的温度和压力范围内Pr准数实际上保持不变，取Pr=0.7。因空气被加热，取n=0.4，则（5—4）式可简化为：(C’=C·Prn=0.867C)（5—7）对于螺旋槽管的准数关联式：2．对流传热系数的测定在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数i与总传热系数K有以下关系：（5—8）式中———管壁厚度，m；———管壁材料的导热系数，W(m·℃)；i———管内对流传热系数，W(m2·℃)；o———管外对流传热系数，W(m2·℃)。因管内流动的是空气，管外流动的是水蒸汽，所以两侧污垢热阻可不计。式中为黄铜管壁热传导的热阻，其中=0.001m，=377W(m·℃)，所以很小，为蒸汽冷凝膜的热阻，与相比很小可以忽略，所以。根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系(5—9)其中式中Q———传热速率，W；K———总传热系数，W(m2·℃)；W———空气的质量流量，Kgs；Cp———空气的平均比热，J(Kg·℃)；t出———空气出口温度，℃；t进———空气进口温度，℃；t———对数平均温度差，℃；T———蒸汽温度，℃。于是式(5—9)可改写成Q=（5—10）从而得到管内空气对流传热系数的计算式(5—11)式中VS———空气的体积流量，m3s；———流经流量计处空气密度，Kgm3。所以当传热达到稳定后，用蒸汽温度可计算出tm，利用仪器测出各数据，就能计算出实测值i，从而整理出Nu准数与Re准数之间的函数关系，最后确定出式中的C与指数m。3．Re与Nu的计算（5—12）式中di———管内径，m；———定性温度下空气的粘度，Pa·S；（5—13）式中———定性温度下空气的导热系数，W(m·℃)。4．流量的测量和密度的计算(5—14)式中Pa———大气压强(可取当地大气压)mmHgRp———流量计前端被测介质表压强mmHgt———流量计前端被测介质温度(可取t=t进)℃式中V0———转子流量计的读数；go———标定转子时空气的密度；s———实际操作情况时气体密度。四、实验装置及流程1．实验流程本实验有四套套管换热器组成，其中一套是螺旋槽管，另三套是光滑管。空气由风机输送，经转子流量计计量后送套管换热器内管换热后排向大气。蒸汽由蒸汽发生器经蒸汽调节阀送入套管换热器的套管环隙，不凝性气体由放气阀排出，冷凝水由排液阀排出。实验装置流程如图所示。112346578910111213对流传热实验装置流程图蒸汽发生器2．压力表3．安全阀4．套管换热器5．仪表箱6．U型管压差计7．放气阀8．转子流量计9．旁通阀10．气泵11．冷凝水罐12．温度显示仪13．阀门

2．主要设备仪表规格光滑管：di=17.8mm；螺旋槽管：Di=17.8mm；光滑管与螺旋槽管均为黄铜管，换热管长度均为1.224m；风机型号：D2—4型微音气泵；铜电阻：Cu50型；蒸汽发生器：用219×6mm不锈钢管制成，由2kW电加热棒加热，其中1kW为常加热，1kW由智能程序控温仪控制并显示其中温度；流量计：LZB—40空气转子流量计，范围：6~60m3/h。五、实验方法把蒸汽发生器加蒸馏水至恒定水位，然后关闭蒸汽阀，打开总电源开关，给温控仪设定适当温度。待蒸汽发生器内温度接近设定温度时，打开蒸汽阀门，使蒸汽进入套管环隙，并打开放气阀排除不凝性气体。微开排液阀，以便冷凝水及时排除。打开空气旁通阀，开启风机，调节阀门使流量到指定刻度，待稳定后，记录数据改变空气流量，稳定后，读取数据。实验结束后，先关闭空气调节阀后关闭风机，最后关闭总电源开关。读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。注意:实验过程中应及时排除不凝性气体和冷凝水。但在排放过程中，尽量不要影响实验操作的稳定性。六、实验报告