对流传热系数测定.docx
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对流传热系数测定
专业:
__化学工程与工艺__
姓名:
__
学号:
_____
日期:
___2015.10.15_____
地点:
__教十-1206______
实验报告
课程名称:
_过程工程原理实验(甲)I_指导老师:
_杨国成_成绩:
_________
实验名称:
对流传热系数的测定实验类型:
工程实验
同组学生姓名:
__胡玛丽、施怡娜、倪佳囡_____
一、实验目的和内容二、实验装置与流程示意图
三、实验的理论依据(实验原理)四、操作方法和实验步骤
五、数据记录及处理六、实验结果分析
七、思考题
一、实验目的和内容
1、掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法,了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
2、把测得的数据整理成
形势的准数方程,并与教材中相应公式进行比较。
3、了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。
二、实验装置与流程示意图
本实验流程图(横管)如下图1所示,实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计(变送器)、变频器、套管换热器(强化管和普通管)及温度传感器、智能显示仪表等构成。
空气-水蒸气换热流程:
来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器,与被风机抽进的空气进行换热交换,不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门(F3和F4)排出,冷凝水经排出阀(F5和F6)排入盛水杯。
空气由风机提供,流量通过变频器改变风机转速达到自动控制,空气经孔板流量计进入套管换热器内管,热交换后从风机出口排出。
注意:
普通管和强化管的选取:
在实验装置上是通过阀门(F1和F2)进行切换,仪表柜上通过旋钮进行切换,电脑界面上通过鼠标选取,三者必须统一。
图1横管对流传热系数测定实验装置流程图
图中符号说明见下表所示
符号
名称
单位
备注
V
空气流量
M3/h
紫铜管规格191.5mm,即内径为16mm,
有效长度为1020mm
F5、F6为冷凝水排出阀
F1,F2为管路切换阀门
F3,F4为不凝汽排除阀
t1
空气进口温度
℃
t2
普通管空气出口温度
℃
t3
强化管空气出口温度
℃
T1
蒸气发生器内的蒸汽温度
℃
T2
普通管空气出口端铜管外壁度
℃
T3
普通管空气进口端铜管外壁度
℃
T4
普通管外蒸气温度
℃
T5
强化管空气出口端铜管外壁
度
℃
T6
强化管空气进口端铜管外壁度
℃
T7
强化管外蒸汽温度
℃
三、实验的理论依据(实验原理)
在工业生产过程中,大量情况下,采用间壁式换热方式进行换热。
所谓间壁式换热,就是冷、热两种流体之间有一固体壁面,两流体分别在固体壁面的两侧流动,两流体不直接接触,通过固体壁面(传热元件)进行热量交换。
本装置主要研究汽—气综合换热,包括普通管和加强管。
其中,水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热,空气走紫铜管内,水蒸汽走紫铜管外,采用逆流换热。
所谓加强管,是在紫铜管内加了弹簧,增大了绝对粗糙度,进而增大了空气流动的湍流程度,使换热效果更明显。
空气在传热管内对流传热系数的测定
如图2所示,间壁式传热过程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。
图2间壁式传热过程示意图
间壁式传热元件,在传热过程达到稳态后,有
热流体与固体壁面的对数平均温差可由
(2)式计算:
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由(3)式计算:
热、冷流体间的对数平均温差可由(4)式计算:
冷流体(空气)的质量流量可由(5)式计算:
注意:
空气在无纸记录仪上显示的体积流量,与空气流过孔板时的密度有关,考虑到实际过程中,空气的进口温度不是定值,为了处理上的方便,无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度r0当作1kg/m3时的读数,因此,如果空气实际密度不等于该值,则空气的实际体积流量应按下式进行校正:
当内管材料导热性能很好,即l值很大,且管壁厚度较薄时,可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等,即TW2»tW1,TW1»tW2,在传热过程达到稳定后,由式
(1)可得:
即:
一般情况下,直接测量固体壁面温度,尤其是管内壁温度,实验技术难度较大,因此,工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。
下面介绍其他两种测定对流传热系数a2的实验方法。
(1)近似法求算空气侧对流传热系数a2。
以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为:
总传热系数K可由式
(1)求得:
用本装置进行实验室时,换热管外侧、管壁,内侧污垢热阻均忽略不急,则可由式(9)近似得出:
由此可见,被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小,此法所求得的结果准确性越高。
准数方程式
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时,传热准数经验式为:
式中:
Nu—努塞尔数,
,无因次;
Re—雷诺数,
,无因次;
Pr—普兰特数,
,无因次;
上式适用范围为:
Re=1.0×104~1.2×105,Pr=0.7~120,管长与管内径之比L/d≥60。
当流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3。
故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后,在双对数坐标纸上,即可作出Nu~Re直线,确定Nu=BRen的拟合方程,并与公认的经验公式进行对比,以验证实验效果。
通过普通管和强化传热管实验结果的对比,分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。
四、操作方法和实验步骤
1)检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常,将蒸汽发生器灌水至液位2/3处。
2)打开总电源开关、仪表电源开关,开启蒸汽发生器加热。
同时,稍微开启两个不凝气体排出阀,控制温度在100℃左右。
3)等有大量不凝气体冒出时,蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器,再打开换热器冷凝水排放阀,使环隙中的冷凝水不断地排出。
4)启动风机,选择设备的普通管,选择仪表及显示的测定管路与设备必须一致,通过控制软件上的“流量设定”,合理分配流量,调节风量至最大值进行实验,然后依次减小空气流量。
待流量和热交换稳定后,采集数据。
5)普通管测好后.切换阀门选择设备的强化管,选择仪表及电脑显示的测定管路与设备必须一致,数据测定方法同步骤4,采集数据。
6)实验结束时,先关闭蒸汽发生器电源,待蒸汽发生器内温度下降至95℃以下后,再关闭风机电源,关闭总电源,做好清洁工作。
五.数据记录及处理
1、普通管
表1普通管原始数据记录表
装置号
冷流体进口温度/℃
冷流体出口温度/℃
冷流体流量(m3/h)
蒸汽进口处壁温/℃
蒸汽出口处壁温/℃
管外蒸汽温度/℃
加热器汽相温度/℃
2
24.936
73.124
17.5334
101.812
100.6
101.7
101.924
2
25.062
74.374
13.5389
101.812
100.536
101.7
101.986
2
25.124
75.5
10.422
101.812
100.536
101.762
101.986
2
24.936
76.186
8.05655
101.812
100.6
101.824
101.986
表2普通管整理数据记录表
定性温度t/℃
密度ρ/(kg/m^3)
比热Cp/J/(kg•℃)
黏度μ/10^-5Pa•s
普兰特准数Pr
导热系数λ
空气质量流量/m^3/h
冷流体的
对流传热系数α2
雷诺数Re
努赛尔数Nu
48.0133
1.0986
1005
1.9524
0.6959
0.0282
18.3774
100.4281
20807.18
56.99064
47.0041
1.1022
1005
1.9475
0.6961
0.0281
14.2138
81.1930
16133.12
46.20435
46.1413
1.1053
1005
1.9433
0.6963
0.0280
10.9568
65.1342
12462.9
37.15491
45.7370
1.1067
1005
1.9414
0.6964
0.0280
8.4755
51.7112
9650.213
29.53119
2.强化管
表3强化管原始数据记录表
冷流体进口温度/℃
冷流体出口温度/℃
冷流体流量(m3/h)
蒸汽进口处壁温/℃
蒸汽出口处壁温/℃
管外蒸汽温度/℃
加热器汽相温度/℃
26.374
83.374
14.7319
101.75
100.224
102.7
102.174
25.062
85.312
10.9926
101.624
100.162
102.574
102.05
24.436
85.312
8.01025
101.624
100.162
102.574
102.05
表4强化管整理数据记录表
定性温度t/℃
密度ρ/(kg/m^3)
比热Cp/J/(kg•℃)
黏度μ/10^-5Pa•s
普兰特准数Pr
导热系数λ
空气质量流量/m^3/h
冷流体的对流传热系数α2
雷诺数Re
努赛尔数Nu
39.0658
1.1311
1005
1.9092
0.6979
0.0275
15.6676
124.4727
18140.28
72.43431
37.6270
1.1364
1005
1.9022
0.6982
0.0274
11.7185
102.1703
13617.7
59.70105
37.8209
1.1357
1005
1.9031
0.6981
0.0274
8.5365
74.8149
9915.074
43.69223
选取普通管第一组数据,计算过程如下:
实验采用的紫铜管内径
=16mm=0.016m
有效长度l=1020mm=1.02m,传热面积
=π
l=5.127*
热冷流体间的对数平均温差:
==
=48.013℃
在48.013℃下,根据空气的密度与温度之间的关系式:
ρ=
1.0986kg/
=17.5334*
=18.3774m^3/h
冷流体与壁面传热系数:
=
=100.428W/(
努赛尔系数:
Nu=
=100.428
0.016/0.0282=56.991
雷诺数:
Re=
u
=
20807.18
普兰特数:
Pr=
1005*1.9524*
0.0282=0.6959
六、实验结果分析
(1)Nu-Re曲线及实验经验公式的比较
根据之前的数据处理,得到普通管、强化管的Nu-Re曲线如‘图三’、‘图四’所示:
普通管通过拟合得到的曲线方程为:
0.9996,拟合性很好。
强化管通过拟合得到的曲线方程为:
,
0,9889,拟合性很好。
工人传热经验式为:
Nu=0.02
三式比较如下:
由此可见,1.普通管曲线与公认经验式十分接近,实验结果良好;
2.强化管曲线变化与公认经验式曲线变化趋势类似。
分析原因:
因为强化管加了弹簧,传热能力增强,所以与一般圆管的传热能力相比,强化管更强,相同的流速(反映了Re接近)下,传热系数更大(反映了Nu更大),所以普通管实验得到的曲线和经验公式较为一致,强化管实验得到的曲线比经验公式大一些。
(2)从‘图6’可知,在相同的蒸汽流量下,相同流量和温度的进口空气下,强化管的传热系数和空气的出口温度明显大于普通管。
所以强化管传热能力更强。
(3)影响传热系数的因素:
1.流体的流动类型和引起流动的方式,相同条件下,湍流要比层流传热更好;2.流体的物理性质,包括比热容、导热系数、密度黏度等都对传热系数有影响;3.传热表面的形状、大小、流体和传热面做相对运动的位置和方向和传热面的表面状况都有关系。
如果在传热流体已经确定的情况下,增强传热的途径可以是增强湍流程度,像采用加弹簧的方式,使流体流过时湍流程度增加,增强传热。
除此之外可以改变传热面的形状,增大传热面积,减少管壁的污垢热阻,或减少与环境的换热。
(4)误差分析:
1.系统本身存在的系统误差,如温度引起的各敏感元件测量误差等;2.迪图斯-贝尔特公式适用于流体与管壁间温差不大的场合,一般要求气体的温差不超过50℃,而在此次实验中,流体间温差均略高于50℃。
存在一定误差。
七、思考题
1.实验中冷流体和蒸汽的流向,对传热效果有何影响?
答:
无影响,因为蒸汽进口的温度和出口冷凝水的温度基本一致,本实验中通过蒸汽凝结成相同温度的水放出的热对冷空气进行加热,所以无论逆流还是并流都对传热效果没有影响。
2.在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致?
它们分别表示什么位置的密度,应在什么条件下进行计算?
不一致。
计算冷流体质量流量时,
,
是空气在孔板处的密度,即在进口温度下的密度。
雷诺数
式中的密度是定性温度下空气的密度。
3.实验过程中,冷凝水不及时排走,会产生什么影响?
如何及时排走冷凝水?
如果采用不同压强的蒸汽进行实验,对α关联式有何影响?
答:
如果冷凝水未及时排走,将会导致紫铜管外壁上液态水过多,形成水膜,从而改变传热系数,影响传热效果;除此之外,如果冷凝水积攒过多,还会影响蒸汽的流动,影响传热效果,并且容易引发不安全问题。
在实验过程中要一直打开冷凝水排放阀,阀开启的大小保持在有微量蒸汽放出即可。
采用不同压强的蒸汽进行实验,对关联式基本无影响,因为纯蒸汽在竖壁上湍流膜状冷凝时的对流传热系数:
当压强增大时,r和
均增加,其它参数不变,故
变化不大,所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。
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- 对流 传热系数 测定