空气—蒸汽对流给热系数测定试验报告及数据、答案

1、空气一蒸汽对流给热系数测定之迟辟智美创作一、实验目的.通过对空气一水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌 握对流传热系数a i的测定方法，加深对其概念和影响因素 的理解.并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr中常数A、m的值.通过对管程内部插有螺纹管的空气一水蒸气强化套管 换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0, 了解强化传热的基本理论和基本方 式.二、实验装置本实验设备由两组黄铜管(其中一组为光滑管，另一组 为波纹管)组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材 质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定.空气由旋涡气泵吹由，由旁路调节阀调节，

2、经孔板流量计，由支路控 制阀选择分歧的支路进入换热器.管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷 凝放由热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，到达 逆流换热的效果.饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器发生 该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1.表1实验装置结构参数实验内管内径di (mm )蒸汽温度实验内管外径do (mm )实验外管内径Di (mm )50实验外管外径Do (mm )总管长(紫铜内管)L(m)丈量段长度l (m)1-光滑套管换热器；2螺纹管的强化套管换热器；3蒸汽发生器；4一旋涡气泵；5一旁路调节阀；6一孔板流量计；7、8、9空气支路控制 阀；

3、10、11蒸汽支路控制阀；12、13蒸汽放空口；15一放水口； 14液位计；16一加水口；三、实验内容1、光滑管测定68个分歧流速下光滑管换热器的对流传热系数a 1.对。1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值.2、波纹管测定68个分歧流速下波纹管换热器的对流传热系数1 1.对a i的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值.四、实验原理.准数关联影响对流传热的因素很多，根据因次分析获得的对流传热的准数关联为：Nu=CRemPrnGrl(1)式中C、m、n、l为待定参数.介入传热的流体、流态及温度等分歧，待定参数分歧目前，只能通过实验来确定特定范围的

4、参数.本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数.因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则 Gr为常数.在温度变动可写成不太年夜的情况下，Pr可视为常数.所以，准数关联式(1)Nu = CRem(2)其中：Redu V 一d450 c时，空气的导热系数0.02826W/(m.K)待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后， 对式(2)取对数，回归求得直线斜率和截距.mRe因此： c d.传热量计算努塞尔数NU或a 1无法直接用实验测定，只能测定相关的 参数并通过计算求得.当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁 面接触后，蒸汽将放生冷凝潜热，冷凝成水，热量通过问 壁传递给套管内的空

5、气，使空气的温度升高，空气从管的 末端排由管外，传递的热量由(3)式计算. TOC o 1-5 h z Q=WeCpc (t2-ti) = V p iCpc (t2-ti)(3)根据热传递速率Q=KS Atm(4)所以KS A tm=V p iCpc ( t2 ti)(5)式中：Q 换热器的热负荷(即传热速率)，kJ/s；We 冷流体的质量流量，kg / s;V冷流体(空气)的体积流量，m3/s;Pi 冷流体(空气)的密度， kg/m3;K换热器总彳热系数，W/ (m C)；Cpc冷流体(空气)的平均比定压热容，kJ/(kg K);S传热面积，m2;A tm蒸汽与空气的对数平均温度差，C.空气

6、的流量及两种流体的温度等可以通过各种丈量仪表测得.综合上面各式即可算由传热总系数 K.传热膜系数的计算当传热面为平壁或者当管壁很薄时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可暗示为：式中：a I 空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W/（m2 , C）;a 2 蒸汽冷凝时的传热膜系数，W / （m2，C）.当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数人比力年夜）时，工工工工（7） TOC o 1-5 h z K 121蒸汽冷凝传热膜系数远远年夜于空气传热膜系数，则K-。1.因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体 积流量，即可通过热衡算求由套管换热器的总传热系数K值，由此求无暇气

7、传热膜系数a 1.努塞尔数和雷诺数的计算式中：入一一空气导热系数，W/ （m C）；以一空气的粘度，Pa - s;d式一套管换热器的内管平均直径，m ；P 1式一进口温度t1时的空气密度，kg/m3.由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积S取管子的内概况较为合理，即S=兀 dl本装置 d=0. 0178 m, l=1 . 327m.空气流量和密度的计算1 1.29 P-273(10)101330 273 t空气密度p 1可按理想气体计算：式中：Pa本地年夜气压,Pa ;t孔板流量计前空气温度，C,可取 t=t1；空气的流量由1/4喷嘴流量计丈量，合并常数后，空气的体积流量可由(11)式计

8、算c RV1 C0V 1 (11)式中：Co合并整理的流量系数，其值为Co=0. 001233;R喷嘴流量计的压差计示值，mmH2O.V1空气的体积流量,m3/ s.五、实验把持.实验前的准备(1)向电加热釜加水至液位计上端红线处.(2)检查空气流量旁路调节阀是否全开 .(3)检查普通管支路各控制阀是否已翻开，保证蒸汽和空气管路的疏通(4)接通电源总闸，设定加热电压，启动电热锅炉开 关，开始加热.实验开始(1)当蒸汽压力稳定后，启动旋涡气泵并运行一段时 间，保证实验开始时空气入口温度 ti (C)稳定.(2)调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使孔板流 量计的压差计读数为所需的空气流量值.(3

9、)稳定5-8分钟左右读取压差计读数，读取空气入 口、由口的温度值 3、t2 (温度丈量可采纳热电偶或温度 计)、空气压力值 pi、空气入、由口之间压力差P2、蒸汽温度值t3及压力值P3,孔板流量计读数P4.(4)调节空气流量，重复(3)与(4)共测6-10组数 据(注意：在空气入、由口之间压力差p2最年夜值与最小值之间可分为6-10段).(5)实验过程，要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定，在 蒸汽锅炉加热过程(蒸汽温度或压力变动较年夜)不要记 录数据.实验结束(1)关闭加热器开关.(2)过5分钟后关闭豉风机，并将旁路阀全开.(3)切六、实验注意事项1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内.特别是

10、每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过 低，应及时补给水量.2、必需保证蒸汽上升管线的疏通 .在转换支路时，应先 开启需要的支路阀，再关闭另一侧，旦开启和关闭控制阀 必需缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过年夜突然喷生.3、必需保证空气管线的疏通.即在接通风机电源之前， 三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图1所示）必需全开.在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭 控制阀.4、调节流量后，应至少稳定 510分钟后读取实验数 据.5、套管换热器中积累的热水要及时放失落，以免影响蒸汽传热.七、实验记录及数据处置序号1234567空气进口处密度PKg/m3空气质量流量m2 Kg/s空气

11、流速u m/s17空气定性温度t平均 定性温度下的空气密度p Kg/m3冷、热流体间的对数平均温差 t me总给热系数K w/ m2 2. a 2理论值的计算序号1234567对流给热系数a 2 w/ m2 - C空气黏度V (X 10A-5Pa- s)空气导热系数入 W/m- K雷诺数Re普兰特数Pr努赛尔数Nua 2 理论值 a 2 w/ m2 努赛尔数理论值Nu3. a 2理论值与实验值比力序号1234567a 2理论值a 2实验值a 2相对误差误差分析：.迪图斯-贝尔特公式有条件范围，而实验数据其实不是全 在其适用范围内，用此公式算由的Nu和a 2误差就可能较年夜.实验时，等候时间缺乏

12、，招致数据未稳按时就记录了.序号1234567ln(Nu/Pr)3ln(Re)冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr=APr mln(Nu/Pr)=lnA+m ln(Re)lnA=-7.9273, A=0.0256另附上原始实验数据：厅P冷空气热蒸汽8M:(肃/h )进口温度 (C)进口温度 (C)进口温度 (C)进口温度 (C)15.2719.2064.20103.10103.0027.3019.5064.60102.90102.8038.9519.8065.00103.00102.90410.60P 20.3065.20103.101103.00512.3021.0065.80103.1010

13、3.00613.9022.0066.50103.10102.90715.2023.3067.20102.90102.904、对实验结果进行分析与讨论从图像中线性回归方程的相关系数来看，实验数据结果不 是很准确，特别是螺纹管 .发生误差的来源很多，读数不稳 定、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热 流量值下降等都使结果有一定的偏差.而且在处置数据时,采纳很多近似处置，而实际实验时很多的条件其实不稳定 在实验过程中采纳改变空气流量来调节，可是在改变空气 流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气由口温 度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气由口温度 才会稳定，而我们测定的温度一定要是

14、这个稳定的温度， 所以在测定中没有经过足够长的时间招致测定的温度不是稳定的温度，所以实验时要注意等候五到十分钟待数据比力稳按时，这样实验结果就比力准确 .八、思考题(1)影响传热膜系数的因素有哪些？答：膜的厚度，液体的物性，以及压力温度.还有资料的分子结构及其化学成分、资料重度、资料湿度状况和温度状 况.(2)在蒸气冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什 么影响？应该采用什么办法？答：对调热系数影响很年夜，一般想法子除去，比如澳化 锂吸收式制冷机均陪伴真空泵，具作用就是及时排除系统 内的不凝性气体.1)会由于空气中含有水分造成冰堵.冰堵不单使制冷效率下降.而且会招致系统停机.压力不竭降低， 还会损坏压缩机.2)空气混入压缩腔，由于空气中含有不凝 性气体，如氮气.这些不凝性气体会减少制冷剂的循环量， 使制冷量降低.3)而且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管 路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增年夜，冷凝压 力升高，从而制冷量会降低.(3)蒸气冷凝后，将发生冷凝水，如冷凝水不能放生，累 积后淹埋加热铜管，你认为将会有什么影响？应该采用什 么办法？答:1)会由于空气中含有水分造成冰堵.冰堵不单使制冷效率下降.而且会招致系统停机.压力不竭降低，还会损坏压缩机.2)空气混入压缩腔，由于空气中含有不凝性气体，如氮 气.这些不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降 低.3)而且不凝