横管对流传热系数的测定

1、 实验报告课程名称:过程工程原理实验 (乙 指导老师:成绩: 实验名称:传热综合实验横管对流传热系数的测定 同组学生姓名: 实验类型:物理性质测定实验一、实验目的和要求(必填 二、实验内容和原理(必填三、实验材料与试剂(必填 四、实验器材与仪器(必填五、操作方法和实验步骤(必填 六、实验数据记录和处理七、实验结果与分析(必填 八、讨论、心得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 Nu = BRe n形式的准数方程,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;在工业生产

2、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。1、 空气在传热管内对流传热系数的测定如图 1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

3、所组成。 Tt图 1间壁式传热过程示意图图 1 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(p p W W M Mm Q m c T T m c t t A T T A t t KA t =-=-=-=-=式中: Q 传热量, W ;m 1 热流体质量流量, kg/s;c p1 定性温度下热流体的比热, J/(kg· ; T 1 热流体进口温度,; T 2 热流体出口温度,; m 2 冷流体质量流量, kg/s;c p2 定性温度下冷流体的比热, J/(kg· ; t 1 冷流体进口温度,; t 2 冷流体出口温度,;1 热流体与固体壁面的对流传热系数,

4、W/(m2· ;A 1 热流体侧的传热面积, m 2;(T - Tw M 热流体与固体壁面的对数平均温度差,; 2 冷流体与固体壁面的对流传热系数, W/(m2· ;A 2 冷流体侧的传热面积, m 2;(tw - tm 固体壁面与冷流体的对数平均温度差,; K 以传热面积 A 为基准的总传热系数, W/(m2· ; A 传热面积, m 2; t m 冷、热流体的对数平均温度差,。热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(2计算: (11221122(2ln W W W m W W T T T T T T T T T T -=-式中: T w1 热流体进口端热流体侧的

5、壁面温度,; T w2 热流体出口端热流体侧的壁面温度,。固体壁面与冷流体的对数平均温差可由(3式计算:(11221122(3ln W W W m W W t t t t t t t t t t -=-式中: t w1 冷流体进口端冷流体侧的壁面温度,;t w2 冷流体出口端冷流体侧的壁面温度,。热、冷流体间的对数平均温差可由(4式计算:12211221( (4lnm T t T t t T t T t -=-冷流体(空气的质量流量可由(5式计算:20' (5m V =式中: V 空气实际体积流量, m 3/s;0 空气在孔板处的密度, kg/m3。本实验中 即为空气在进口温度下对应的

6、密度。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 0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' (6V = 式中: V 无纸记录仪上显示的空气的体积流量, m 3/s。在本装置的套管换热器中, 环隙内通水蒸汽, 紫铜管内通空气, 水蒸汽在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。 当内管材料导热性能很好, 即 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 T W2 t

7、 W1, T W1 t W2,在传热过程达到稳定后,由式(1可得: 2221221( ( (7p W m m c t t A t t -=-即22212( (8( p W mm c t t A t t -=-实验中测定出紫铜管的壁温 t w1、 t w2;冷流体的进出口温度 t 1、 t 2,并查取 t平均=0.5*(t1 + t2 下冷流体对应的 c p2、实验用紫铜管的长度 l 、内径 d 2, A=d 2l 和冷流体的质量流量 m 2,即可计算出 2。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

8、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 2的实验方法。(1近似法求算空气侧对流传热系数 2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:22221211111(9s s m bd d d R R K d d d =+式中: d 1 换热管外径, m ; d 2 换热管内径, m ;d m 换热管的对数平均直径, m ; b 换热管的壁厚, m ; 换热管材料的导热系数, W/(m2· ; R s1 换热管外侧的污垢热阻, m 2·K/W; R s2 换热管内侧的污垢热阻, m 2·K/W。总传热系数 K 可由式(1求得

9、:2221( (10p m mm c t t Q K A t A t -=实验测定 m 2、 t 1、 t 2、 T 1、 T 2,并查取 t 平均 =0.5*(t1 + t2 下冷流体对应的 c p2、传热面积 A ,即可由上式计算得到总传热系数 K 。 用本装置进行实验时, 管内冷流体与管壁间的对流传热系数约为及时到几百 W/(m2·K ;而管外为蒸汽冷凝,冷凝给热系数 1可达 104W/(m2·K 左右,因 此冷凝传热热阻 d 2/(a1d 1 可忽略,同时蒸汽冷凝较为清洁,因此换热管外侧的污 垢 热 阻 R s1d 2/d1也 可 忽 略 。 实 验 中 的 传 热

10、 元 件 材 料 用 紫 铜 , 导 热 系 数 为 383.8W/(m·K ,壁厚 1.5mm ,因此换热管壁的导热热阻 (bd2/(d m 可忽略。若 换热管内侧污垢热阻 R s2也忽略不计,则由式(9得2(11K 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。2、 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:0.80.023Re Pr (12n Nu =式中: Nu 努塞尔数,22' d Nu =,无因次;Re 雷诺数 ,2Re d u =,无因次;Pr 普兰特数,2' Pr p c =,无

11、因次。上式适用范围为:Re =1.0×1041.2×105, Pr =0.7120, 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。 式中: 定性温度下空气的导热系数, W/(m·K ; u 空气在换热管内流动的平均速度, m/s; 定性温度下空气的密度, kg/m3; 定性温度下空气的粘度, Pa ·s 。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 NuRe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,

12、 分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。三. 实验装置及流程 本实验装置流程如图 2由蒸汽发生器、 孔板流量变送器、 变频器、 套管换热 器及温度传感器、智能显示仪表等构成。 1风机 2蒸汽发生器 3孔板流量计 4压差传感器 5普通套管换热器 6强 化套管换热器 t1、 t2、 t3、 T1、 T 、 T 、 Tw1、 Tw2、 Tw1 、 Tw2温度传感器 F1、 F2、 F3、 F4、 F5、 F6阀门图 2 横管对流传热系数测定实验装置流程图表 1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表 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

13、换,冷凝水经排出阀排入盛水装置。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:本实验中,普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。1、检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常;2、蒸汽发生器灌水至液位 4/5处;3、打开总电源开关、仪表电源开关,选择管路,并与仪表显示一致后开启蒸汽 发生器,加热。(在仪表中通过 PID 调节,可调节加热功率。同时,稍微打 开两个不凝性气体排出阀,控制温度在 100左右;4、等有不凝性气体大量冒出时,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 (冷凝水排

14、放阀开度不要开启过大, 以免蒸汽泄漏 , 使环隙中冷凝水不断的排出;5、启动风机;6、调节风量至实验值进行实验。根据测试要求,由大到小逐渐调节空气流量, 合理确定 5个实验点。 待流量和热交换稳定后记录冷流体流量、 冷流体进出口温 度、热流体进出口端的壁温及蒸汽温度;7、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,将实验装置恢复原状。1、普通管 2、强化管 普通管 中以第三组为例演示计算过程:定性温度:1216.79867.5=42.149C 22t t t +=定性查表得该温度下空气的物性如下:密度: 3比热容:(21.005/p c

15、 kJ kg K = 粘度: 51.9210Pa s -= 导热系数:(0.0277/W m K = 空气的质量流速和其在管内流速= 质量流量:320' 3.3710/m V kg s -= 平均流速:24'= 雷诺数:5Re 128731.9210du -=对数平均温差的计算固体壁面与冷液体之间的对数平均温差:(12211221ln ln100.18816.798w w m w w T t T t t T t T t -=-=54.1472的计算(以内表面为基准 用壁面温度与冷流体之间传热求得:(p w mm c t t W m K A t t -=-d Nu = 普通管 曲

16、线方程为:0.77710.0226Re Nu = 20. 9986R =强化管 中以第三组为例演示计算过程: 定性温度: 1216.79876.698=46.748C 22t t t +=定性查表得该温度下空气的物性如下:密度: 3比热容:(21.005/p c kJ kg K = 粘度: 51.9410Pa s -=/W m K = 空气的质量流速和其在管内流速= 质量流量:320' 2.6710/m V kg s -= 平均流速:24'= 雷诺数:5du -= 对数平均温差的计算固体壁面与冷液体之间的对数平均温差:(12211221100.876.69898.30816.7

17、98( ( ln ln98.30816.798w w m w w T t T t t T t -=-=47.1162的计算(以内表面为基准 用壁面温度与冷流体之间传热求得:(p w mm c t t W m K A t t -=-d Nu = 强化管定性温度 t/ 43.15 45.349 46.748 47.599 校正流量 10-3 V'/(m3 /s 4.74 3.16 2.19 1.52 密度 3 /( kg/m 1.117 1.109 1.104 1.101 比热 Cp2/kJ/(kg 1.005 1.005 1.005 1.005 平均流速 u/(m/s 23.57 15.

18、72 10.89 7.56 黏度 -5 /10 Pas 1.93 1.94 1.94 1.95 雷诺数 Re 21826 14378 9916 6830 导热系数 /W/(mK 0.0278 0.0280 0.0281 0.0281 对数平均温度 （tW -t）m 52.529 49.304 47.116 45.750 孔板处空气 密度 0 /( kg/m3 1.218 1.218 1.218 1.219 2 W/(m2 K 112.61 86.78 66.54 49.14 冷流体进出 口温差 （t2 -t1 ）/ 52.300 52.698 59.900 61.998 努赛尔准数 Nu 64

19、.81 49.59 37.89 27.98 质量流率 10-3 m2 /(kg/s 5.77 3.85 2.67 1.85 装 订 线 以 Re 为 x 轴，Nu 为 y 轴，在双对数坐标系下做出如下曲线： 100 y = 0.0485x 0.7221 R 2 = 0.9971 系列1 乘幂 (系列1 Nu 10 1000 10000 Re 100000 曲线方程为： Nu = 0.0485Re0.7221 R2 = 0 . 9 9 7 1 七实验结论 1、普通管 从实验数据分析可知对流传热系数与流体流量有关，具体规律为：冷流体与 固体壁面之间的对流传热系数 2 随着冷流体流量的增加逐渐增大，

20、且 Nu 与 Re 的关系式为： Nu = 0.0226 Re 2、强化管 从实验数据分析可知对流传热系数与流体流量有关，与普通管规律相似即： 冷流体与固体壁面之间的对流传热系数 2 0.7771 ； 随着冷流体流量的增加逐渐增大，且 Nu 与 Re 的关系式为： Nu = 0.0485Re 3、强化管与普通管的对比 0.7221 ； 由普通管和强化管实验数据的计算结果可以看出强化管的 这说明强化管的传热效果比普通管好。 2 值增大很多， 但在实验中我们可以观察到，当进行强化管实验时，其流速低于用普通管， 强化管的最大流量不能达到普通管的最大流量，经思考分析后，其原因为强化管 在管内增加弹簧，

21、虽然可以提高传热效率，但是管路阻力增大，降低了管路的效 率，增加传热时功率的消耗。 八实验讨论 装 订 线 （ 1）思考题： 1.实验中冷流体的和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？ 答：逆流传热优于并流传热，主要是 Dt 有所不同，在本次实验中可近似无 m 影响，因为在本次实验中近似认为热蒸汽的温度是不变的，则不管是逆流还是并 流， Dt 可以看做是不变的。 m 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？ 答：不一致。计算冷流体质量流量时所用到的空气密度值是冷流体进口温度 下的密度，而计算雷诺数时用到的密度值是流体

22、进行传热后温度下的密度值，计 算中就是定性温度（冷流体进、出口温度的算术平均值）下的密度值。 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 关联式有何影响？ 答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，形成一层深液膜，使热阻增大， 降低了传热速率。 通过在外管冷流体出口处设置排水口， 适当调节阀门开口， 及时排走冷凝水。 r 2 g l 3r ö 4 ，当蒸汽压强增 采用不同压强下的蒸汽，基本无影响。因为 a µ æ ç ÷ è m d0 Dt ø 1 r 2 g l 3r ö 4 变化不大，所以认为蒸汽