实验七 对流传热实验

对流传热实验一、实验目的1、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a1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=ARentPr04中常数A、m的值。2、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=BRe"中常数B、m的值和强化比Nu/Nu。，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。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。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，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图7-1所示。表7-1实验装置结构参数实验内管内径4(mm)1600实验内管外径d。(mm)1792实验外管内径Di(mm)50实验外管外径D。(mm)52.5总管长(紫铜内管)L(ni)1.30测量段长度l(m)1.101Q7

图7-1空气-水蒸气传热综合实验装置流程图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—旁路调节阀；6—孔板流量计：7、&9—空气支路控制阀：10、11一蒸汽支路控制阀；12、13—蒸汽放空II；15—放水II：14—液位计；16—加水II；三、实验内容1、光滑管测定6〜8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数a对a1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=AReraPr04中常数A、m的值。2、波纹管测定6〜8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数a】。对a1的实验数据进行线性回归，求关联式NunBRe"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，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为：NuMRe^RQi」(7-1)式中C、m、n、1为待定参数。参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。目前，只能通过实验来确定特定范【韦I的参数。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。在温度变化不太大的情况下，Pr可视为常数。所以，准数关联式(7-1)可写成Nu其中:Re=±£Nu其中:Re=±£=2^“-dA4Nu=^,50°C时，空气的导热系数2=0.02826W/(m.K)A因此：cc=cA

待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，根据原理计算、分析求得。传热量计算努塞尔数Nu或ai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，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排出管外，传递的热量由下式计算。Q=WeCpc=Vp]Cpc(t?f)(7-3)根据热传递速率Q=KSAtTO(74)所以KSA^VpiCpc(t2-t!)(7-5)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，n?/s：Pi—冷流体(空气)的密度，kg/m3：K——•换热器总传热系数，W/(n?•°C)；Cpc•一冷流体(空气)的平均比定压热容，kJ/(kg-K)：s——传热面积，n?：△—蒸汽与空气的对数平均温度差，°C。空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。综合上面各式即可算出传热总系数K。3・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表示为：11b1K=^•+—+——2a2(7-6)式中：a1———空气在圆管中强制对流的传热膜系数，w/(nF・°C)：(X2——■蒸汽冷凝时的传热膜系数，w/(m2-r)o当管壁热阻可以忽略(内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数入比较人)时，1111——o——Ko\4u——55(7-7)蒸汽冷凝传热膜系数远远人于空气传热膜系数，则K^a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，即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数K值，由此求得空气传热膜系数aio4.努塞尔数和雷诺数的计算Re=空乩dVA_Va7T。71丁十〃-d/i44(7-8)Nu=——A_Kd_VQCpG—tJd一2_^Atm(7-9)式中：入——空气导热系数，W/(m・°C)；

卩一空气的粘度，Pa-s；d——套管换热器的内管平均直径，m；pi——进口温度h时的空气密度，kg/m3o由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积S取管子的内表面较为合理，即S=TTdl本装置d=00178m,1=1.327m。空气流量和密度的计算空气密度p1可按理想气体计算：心.29心.29丄x101330273273+t(7-10)式中：pa当地人气压，Pa；t__L板流量计前空气温度，°C,可取t=u；空气的流量由1/4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由下式计算(7-11)式中：Co——合并整理的流量系数，其值为Co=O.OOl233；R—喷嘴流量计的压差计示值，mmHQ。V]——空气的体积流量,m3/so五、实验操作实验前的准备（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打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。（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II温度h（°C）比较稳定。（2）调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使压差计读数为所需的空气流量值。（3）稳定5-8分钟左右读取压差计读数，读取空气入II、出丨I温度值W、七2、空气压力值pi、空气入出II之间压力差P2、蒸汽温度值t?及压力值P3,孔板流量计读数P4,（注意：第1个数据点必须稳定5—10分钟。若为计算机在线数据采集，则可直接从屏幕上读取这些数值）。（4）调节空气流量，重复（3）与（4）共测6-10组数据（注意：在最大值与最小值之间可分为6-10段，最小、最大流量值一定要做）。（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（蒸汽温度或压力变化较大）不要记录数据。实验结束（1）关闭加热器开关。

（2）过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。（3）切断总电源。六、实验数据处理表1光滑管实验数据记录实验号空气入丨1温度值t/c空气出口温度值t2/0C空气入口压力值pi/mmH?。空气出11压力差p2/mmH?O蒸汽温度值t/c蒸汽压力P3孔板流量计读数P4备注13139687040132017340346449007813201735035.6664020113.5132017360437.4733930138132017370538.5722960161132017380表2波纹管实验数据记录实验号空气入11温度值ti/r空气出丨1温度值t2/°c空气入「1压力值pi/mmH?O空气出口压力差pi/mmH?。蒸汽温度值t/c蒸汽压力P3孔板流量计读数P4备注138.29645402101020.0206038914960152990.02052337.5925480931000.02042436.3906220431040.02034534.2746930271080.02026取光滑管的一组数据为例进行计算：定性温度=(31+39)/2=35°C查得35°C空气的物理性质：cp=1.005kJ/(kg*°C)入=2.7155X10'2W/(m*°C)p=1.885XICT^a^sPi=0.7001、P=la赢x諾=1.29牆x希=0.770kg/m1、2、V==0.000.77040=0.00889m3/s2、V==0.000.77040=0.00889m3/s3、珈=警給总船劈"598皿4、5、adKdVpcp(t24、5、Nu==1=o=u.0u//□入入ASAtm2.7155X10"2XO.O742X62.72S=iEdL=3.14x0.0178x1.327=0.0742m26、Atra=62.72°CVpcp(t2_ti)=KSAtraK=001183W/(m2・°C)7、—a±=0.01183W/(m2・°C)haici2«i8、Nu=CRem两边取对数得1gNu=lgC+mlgRe

光滑管的数据如卜•:0(kg/m3)V(m3/s)K(W/m2・°C)ReNuIgReIgNu10.7700.008890.0118325989.110.038054415-1.4200.5440.0118200550923484.020.034704371-1.56030.4440.0143400532323241.330.033534366-1.77540.4310.015710.0611624406.410.033534388-1.77450.3240.0193800532422640.510.007754355-2.111绘制1gRe—IgNu图如F：IgRe由图可知，m=8.75252lgC=40.05527IgNu二40.5527+8.752521gRe即Nu=2.8XW41Res-75252波纹管数据如下:o(kg/m3)V(m3/s)K(W/m2・°C)ReNuIgReIgNu10.4970.0135500843123504.090.050774371-1.294n0.5430.0120600772723032.970.046934362-1.32930.6010.0103000753921779.540.045794338-1.33940.6850.0086900732821078.850.044934324-1.34750.7690.0071700576419932。660.035904300-1.445绘制1gRe—IgNu图如F：

IgReIgRelgNu=-9.1399+1795151gRe由图可知，m=1.79515lgC=-9.1399lgNu=-9.1399+1795151gRe即Nu=7.25X10"10ReL79515七、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？应该采取什么措施？答：不凝性气体存在可能会使蒸汽a大大降低。3、本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸气侧的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？答：接近空气温度是因为蒸汽冷凝膜系数犬于空气的。4、在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？答：空气流速与采用的管子等。八、注意事项1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范闱内。特别是每个实验结