对流传热系数的测定

01对流传热系数的测定一、试验目的和要求〔必填〕三、主要仪器设备〔必填〕五、试验数据记录和处理七、争论、心得一、试验目的和要求

二、试验内容和原理〔必填〕四、操作方法和试验步骤六、试验结果与分析〔必填〕把握空气在一般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径。NuBRen形式的准数方程式，并与教材中相应公式进展比较。了解温度、加热功率、空气流量的自动掌握原理和使用方法。二、试验内容和原理在实际生产中，大量状况承受的是间壁式换热方式进展换热，就是冷、热流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流淌，不直接接触，通过固体壁面进展热量交换。空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，承受逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了确定粗糙度，进而增大了空气流淌的湍流程度，使换热效果更明显。空气在一般和强化传热管内对流传热系数的测定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。TTWtWtFigure1 间壁式传热过程示意图间壁式传热元件，在传热过程到达稳态后，有Qmc T1p1 1

-Tmc t2 2p2

-tαA1 11

T-TW

2 2

-tm

m

〔1〕QJ/s；m、m1 2

——分别为热流体、冷流体的质量流量，kg/s；、c ——分别为定性温度下热流体、冷流体的比热，J/kg•C)；p1 p2T、T1 2

——分别为热流体的进、出口温度，°C；t、t1

——分别为冷流体的进、出口温度，°C； 、1

W/m2C；2AA1 2

——分别为热流体、冷流体测的传热面积，m2；W

、ttM wm

——分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差，°C；K——以传热面积A为基准的总传热系数，W/m2•C；Am2；Δt ——冷、热流体的对数平均温差，°C。m热流体与固体壁面的对数平均温差可由式〔2〕计算：T-TW m

T-T 1

2T-T

-T W2

〔2〕ln 1 W1T-T2 W2TW1

、T ——分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度，C。W2冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式〔3〕计算：t -t

t

-tt1

2

〔3〕t w t m lnW1 1t -tW2 2式中：t 、t ——分别为冷流体进、出口处冷流体侧的壁面温度，C。W1 W2热、冷流体间的对数平均温差可由式〔4〕计算：Δt

1

-T2

1

〔4〕m T-tln1 2lnT-t2 1冷流体〔空气〕质量流量m可由式〔5〕计算：2m V”ρ2 0

〔5〕式中：V”m3/s；kg/m3。本试验中即为空气在进口温度下对应的密度。0 01无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度当作kg/m3时的读数，因此，如空气实10际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式〔6〕进展校正：ρ0V” ρ0

〔6〕式中：V——无纸记录仪上显示的空气的体积流量，m3/s。在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管外表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TW1

≈t ,TW1

≈t ，在W2传热过程到达稳定后，由式〔1〕可得：

mc t2p2

-tαAt1 2 2

-tm

〔7〕即 α

mc t2p2

-t1

〔8〕2 A t -t2 W mt t t

t 1tt试验中测出紫铜管的壁温 、W1

；冷流体的进出口温度、W2 1

，并查取22 平均 2

下冷流2体对应的cp2

试验用紫铜管的长度l内径d ，A2 2

d

l和冷流体的质量流量m2

即可计算出 。2一般状况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，试验技术难度较大，因此，工程上通常承受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的对流传热系数，下面介绍其他测定对流传热系数α的试验方法。2近似法求算空气侧对流传热系数α2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：1 1 bd d d= +R + 2+R 2+

〔9〕K α S2 λd2 m

S1d αd1 11d、dm；1 2m；mbm；——换热管材料的导热系数，W/(m R 、R ——分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，m2K/W。S1 S2K可由式〔1〕求得：K Q Δ

mc t2p2

1

〔10〕At AΔtm m21( )2试验测定m、t、t2 1 2

、T、T1

，并查取t =平均

t+t1

下冷流体对应的cp2

A，即可由上式计算得到总传热系数K。用本装置进展试验时，考虑无视换热管两端的污垢热阻、铜管热阻和水对流传热系数远大于空气对流传热系数，则由式〔9〕得，

α ≈K 〔11〕2由此可见，被无视的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的 的准确性就越高。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，传热准数阅历式为：Nu=0.023Re0.8Prn 〔12〕NuNu=

αd2 2，无因次；λReRe=

duρ2μ

，无因次；PrPr=

c μp2 ，无因次。λ”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流体被加热时n0.4，流体被冷却时n0.3。式中：”——定性温度下空气的导热系数W/ m；um/s；——定性温度下空气的密度，k./m3；——定性温度下空气的黏度，Pa s。故由试验猎取的试验数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu~Re直线，确定NuBRen的拟合方程，并与公认的阅历公式进展比照，以验证明验结果。三、主要仪器设备本试验的装置图如下图，试验装置由蒸汽发生器、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。空气—水蒸气换热流程冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气经孔板流量计进入套管换热器内管，流量经变频器调整电机转速到达自动掌握，热交换后从风机出口排出。Figure2 横管对流传热系数测定试验装置流程图名称符号单位备注冷流体流量名称符号单位备注冷流体流量Vm3/h冷流体进口温度t1℃紫铜管规格φ19×1.5mm，一般管冷流体出口温度t2℃即内径为16mm，强化管冷流体出口温度t’2℃有效长度为980mm，蒸汽发生器内蒸汽温度T1℃冷流体流量范围：3～16m3/h.一般管热流体进口端壁温TW1℃一般管热流体出口端壁温TW2℃一般管外蒸汽温度T℃加强管热流体进口端壁温T’W℃加强管热流体出口端壁温T’W℃加强管外蒸汽温度T’℃四、操作方法和试验步骤手动操作检查仪表、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〔现场试验实际4/5〕处。翻开总电源开关、仪表电源开关，选择管路，并与仪表显示全都后，开启蒸汽发生器，加热。同时，略微开启两个不凝气体排出阀，掌握温度在100C左右。排放阀，使环隙中的冷凝水不断地排出。〔在一般管的时候，从20m3/h到6，确定6个试验点〔为了保证对数图像上的等间隔，此时应中选择等比数列。待流量和热交换稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口壁温以及蒸汽温度〔利用电脑软件记录。〔强化管确定4个试验点即可4组数据。595C以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。自动操作5步预备工作同上操作；翻开“综合传热系数测定试验.MCGS组态文件，进入“综合传热系数测定试验软件”界面，点“综合传热系数测定试验”按钮，进入试验界面；输入正确的“试验批号点击“竖管传热系数测定试验”按钮，进入试验。将鼠标移至“竖管传热系数测定试验”上，指针转变为手型。单击鼠标左键，消灭竖管传热系数测定试验主窗口。点击“一般管试验”或“强化管试验”按钮，选择试验。将鼠标移至“加热器气相温度”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，消灭加热温度设定窗口。加热温度设定窗口默认初始为手动状态，如上图，按试验要求输入加热温度输出值，点击“改变输出值”按钮，调整加热功率，此时，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度。留意：A.此处的加热温度输出值并不是真正的加热温度大小，而是期望输出加热功率占最大功率的百分比0-1000100处理。B.按回车键，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度，但是数据并没有真正传到试验装置的仪表中。因此，必需用鼠标点击“转变输出值”按钮来实现加热温度的调整。此时，可通过手动先调加热功率为100%，同时，略微开启两个不凝气体排出阀，掌握温度在100℃左右。等有大量蒸气产生时，翻开相应的换热器冷凝水排放阀，再调小功率，满足试验要求的蒸气量即可。点击设定窗口中的“手动”按钮，将加热温度调整切换为自动状态，同样可以到达调整加热温度的效果。此时温度的大小，范围为实际的量程，缺乏或超过量程会按两个最值处理。在确认修改时，仍与手动方式一样，需要点击“转变设定值”按钮。步骤89效果一样，但在此试验中，只能用手动；流量掌握和加热掌握一样。待有大量蒸气冒出时，可以翻开风机，手动或自动调整流量；”按钮，扫瞄历史数据；屡次转变流量，采集适量数据后，可点击“强化管试验”按钮，进展强化管试验，操作方法同一般管，也可以退出试验，步骤同1、(15；待试验完成后，点击“退出”按钮，返回“退出试验”窗口，回到“综合传热系数测定试验软件”界面，再单击“退出试验”按钮退出试验系统；回到“综合传热系数测定试验软件”界面，再单击“退出试验”按钮退出试验系统；试验完毕时，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，将试验装置恢复原状。五、试验数据记录和处理1、试验原始数据记录冷流体进冷流体出冷流体流蒸汽进口蒸汽出口加热冷流体进冷流体出冷流体流蒸汽进口蒸汽出口加热管外蒸序口温度 口温度 量 处壁温处壁温器汽管道名号t/C1t/C2V(m3/h)T W1TW2汽温度T/C相温称度/℃119.29869.19819.9506100.18296.9163.03101.302一般管219.29870.815.7247100.18297.0143.03101.302一般管319.3987212.3009100.18296.8162.93101.302一般管419.5739.77613100.18296.6183.132101.302一般管519.573.6987.56035100.18296.523.03101.2一般管619.574.35.73756100.18296.523.03101.2一般管719.575.314.152898.89699.588107.06101.2强化管819.677.810.510499.09499.588106.758101.2强化管919.579.38.1740599.09499.588106.554101.2强化管1019.39880.0985.9636699.09499.588106.554101.2强化管注：表格中阴影局部是一般管的温度传感器坏掉了，不过并不影响后续的计算。300Kcp=1.005kJ/(kg*K)2、对流传热系数求算表格31实际冷流体序冷流体进口实际冷流体质量实际冷流体质冷流体进出口管道体积流量号kg/m³流量〔kg/h〕量流量〔kg/s〕平均温度/℃名称(m3/h)11.208E+001.815E+012.192E+016.090E-034.425E+01一般21.208E+001.431E+011.728E+014.800E-034.505E+01一般31.207E+001.120E+011.352E+013.754E-034.570E+01一般41.207E+008.899E+001.074E+012.983E-034.625E+01一般51.207E+006.882E+008.306E+002.307E-034.660E+01一般61.207E+005.223E+006.303E+001.751E-034.690E+01一般71.207E+001.288E+011.555E+014.319E-034.740E+01强化81.206E+009.569E+001.154E+013.207E-034.870E+01强化91.207E+007.441E+008.980E+002.494E-034.940E+01强化101.207E+005.428E+006.553E+001.820E-034.975E+01强化3各数据来源说明：冷流体进口密度的求取【kg/m3由PVnRT可知，在肯定的压力下，肯定质量的气体n肯定，体积和温度成正比，因此，密度和温度成反比。因此不同温度下的密度可由下式求得：0T00T

〔13〕0

是空气在0℃时的密度，大小为1.293 kg/m3；T0

0273.15K。具体求解方程如下：1.293实际冷流体体积流量【m3/h】：

273.15273.15t1

kg/m3

〔14〕Vρ0V”ρ0实际冷流体质量流量【kg/h】mv =密度*体积流量定性温度取冷流体进出口温度的平均值【℃1t =〔t

+t〕平均 2 1 2平均温度下的空2表格4平均温度下的空2序号气热容kJ/ kgK〕进出口温差/℃tW-tm接触面积㎡对流传热系数α称11.005E+004.990E+014.964E+015.127E-021.200E+02一般管21.005E+005.150E+014.852E+015.127E-029.987E+01一般管31.005E+005.260E+014.742E+015.127E-028.164E+01一般管41.005E+005.350E+014.645E+015.127E-026.735E+01一般管51.005E+005.420E+014.582E+015.127E-025.349E+01一般管61.005E+005.480E+014.534E+015.127E-024.148E+01一般管71.005E+005.580E+014.653E+015.127E-021.015E+02强化管81.005E+005.820E+014.458E+015.127E-028.206E+01强化管91.005E+005.980E+014.339E+015.127E-026.739E+01强化管101.005E+006.070E+014.275E+015.127E-025.066E+01强化管4各数据来源说明平均温度下的空气热容【kJ/ kgK〔在计算中留意此处单位为〕查《化工原理》附录表得知。进出口温差【℃】直接由进出口温度的测量值想减即可。指数平均温差【℃】t -t

t

t1

-t2w m t -tlnW1 1t -tW2 2接触面积的计算：【m2】Adl，其中d 16mm，l1020mm，所以A0.051m2。2 2 2 2对流传热系数α【W/m2K】2mα 2

c tp2

-t12 A t -t2 W m．准数关联式表格5雷诺数的求取序号d2体积流量(m3/h)体积流量(m3/s)实际流速 m/s 数kg/m³雷诺数11.600E-021.815E+015.043E-032.508E+01 1.960E-051.208E+002.473E+04一般21.600E-021.431E+013.975E-031.977E+01 1.960E-051.208E+001.949E+04一般31.600E-021.120E+013.110E-031.547E+01 1.960E-051.207E+001.524E+04一般41.600E-028.899E+002.472E-031.229E+01 1.960E-051.207E+001.211E+04一般51.600E-026.882E+001.912E-039.508E+00 1.960E-051.207E+009.367E+03一般61.600E-025.223E+001.451E-037.216E+00 1.960E-051.207E+007.109E+03一般71.600E-021.288E+013.579E-031.780E+01 1.960E-051.207E+001.753E+04强化81.600E-029.569E+002.658E-031.322E+01 1.960E-051.206E+001.302E+04强化91.600E-027.441E+002.067E-031.028E+01 1.960E-051.207E+001.013E+04强化101.600E-025.428E+001.508E-037.499E+00 1.960E-051.207E+007.390E+03强化表格5数据说明内管半径d2【m】，由试验书直接供给。实际流速【m/s】u4V”πd2Pas冷流体进口密度【kg/m³】，已求出。雷诺数Re=

duρ2μ表格6普兰特准数的计算序号平均温度下的空气热容kJ/〔kg*K〕空气粘度系数导热系数〔查表得知〕普兰特数管道名称11.0051.96E-050.02836.96E-04一般管71.0051.96E-050.02836.96E-04强化管6平均温度下的空气热容【kJ/〔kg*K〕】，查表得。Pas导热系数【W/mK的定性温度全部落入同一个温度区间，因此导致全部数据均为一样。表格7努赛尔数的求取序导热系数努赛尔数努赛尔数管道号d2〔查表得知〕普兰特数〔1〕雷诺数〔2〕名称11.600E-022.830E-026.784E+01 6.960E-012.473E+046.506E+01一般21.600E-022.830E-025.647E+01 6.960E-011.949E+045.378E+01一般31.600E-022.830E-024.616E+01 6.960E-011.524E+044.418E+01一般41.600E-022.830E-023.808E+01 6.960E-011.211E+043.676E+01一般51.600E-022.830E-023.024E+01 6.960E-019.367E+032.993E+01一般61.600E-022.830E-022.345E+01 6.960E-017.109E+032.400E+01一般71.600E-022.830E-025.740E+01 6.960E-011.753E+044.942E+01强化81.600E-022.830E-024.639E+01 6.960E-011.302E+043.895E+01强化91.600E-022.830E-023.810E+01 6.960E-011.013E+043.186E+01强化101.600E-022.830E-022.864E+01 6.960E-017.390E+032.476E+01强化7数据说明内管半径d2【m】，由试验书直接供给。导热系数【W/(m K)】直接查表可得。努赛尔数〔1〕2 Nu=αd2 λ普兰特数，雷诺数，以上两表均已求出。努赛尔数〔2〕Nu=0.023Re0.8Prn ，流体被加热时n=0.4。易知，由方法二求得的努赛尔准数将严格符合幂级数为8的曲线〔阅历公式曲线〔试验数据曲线准曲线加以比照。准数方程式的作图和拟合处理一般管一般管y=0.0124x0.8524R²=0.9989〕uly=0.0199x0.8R²=120500050000lg(Re)Figure3 对数坐标下的一般管准数曲线拟合强化管强化管y=0.0226x0.8036R²=0.9967〕uN〔ly=0.0199x0.8R²=120500050000lg〔Re〕Figure4对数坐标下的强化管准数曲线拟合注：在以上两图中，R²=1的曲线为阅历公式曲线，R²<1的曲线为试验曲线。六、试验结果与分析1依据拟合直线得出的NuRe一般管：Nu=0.0124Re0.8524强化管：Nu=0.0226Re0。8036Pr0.696Nu=0.023Re0.8Pr0.4Nu=0.0199Re0。8一般管误差:ΔB=〔0.0199-0.0124〕/0.0199*100%=37.7%Δn=〔0.8524-0.8〕/0.8*100%=6.55%强化管误差:ΔB=〔0.0199-0.0226〕/0.0199*100%=13.6%Δn=〔0.8036-0.8〕/0.8*100%=0.45%取试验测得的各个Re代入方程，可以得到阅历公式对应的阅历值和试验值的比照方下表，以及误差：8一般管误差表管道名称一般管一般管一般管一般管一般管一般管雷诺数2.4727E+041.9489E+041.5243E+041.2112E+049.3670E+037.1086E+03努赛尔数6.7841E+015.6466E+014.6155E+013.8080E+013.0244E+012.3454E+01努赛尔数〔阅历法〕6.5060E+015.3779E+014.4181E+013.6759E+012.9927E+012.4000E+01相对误差4.28%5.00%4.47%3.59%1.06%2.27%9强化管误差表管道名称强化管强化管强化管雷诺数努赛尔数努赛尔数〔阅历法〕相对误差1.7535E+045.7404E+014.9420E+0116.16%1.3020E+044.6393E+013.8946E+0119.12%1.0127E+043.81