目录
一.摘要............................................... 1
二.实验目的........................................... 1
三.实验基本原理及内容................................. 1
四.实验装置说明及流程图............................... 3
五.实验步骤.......................................... 4
六.实验注意事项...................................... 4
七.实验数据处理...................................... 5
八.结果与讨论........................................ 8
九.误差分析.......................................... 9
十.思考题............................................ 9
实验三 传热膜系数测定实验
一.摘要
选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、对普通管换热器进行了强制对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置,让空气走内管,蒸汽走环隙,用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温,计算了传热膜系数α,并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m(n取0.4),得到了半经验关联式。
关键词:对流传热 对流传热膜系数 蒸汽冷凝膜系数 管内对流传热系数二.实验目的
1.掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法;
2.通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m、n的方法;
3.通过实验提高对准数关系式的理解,并分析影响α的因素,了解工程上强化传热的措施。
三.实验基本原理及内容
对流传热的核心问题是求算传热膜系数 ,当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为:
(1)
对于强制湍流而言,Gr准数可以忽略,故
(2)
本实验中,可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。
用图解法对多变量方程进行关联时,要对不同变量Re和Pr分别回归。本实验可简化上式,即取n=0.4(流体被加热)。这样,上式即变为单变量方程,在两边取对数,即得到直线方程:
(3)
在双对数坐标中作图,找出直线斜率,即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中,则可得到系数A,即:
(4)
用图解法,根据实验点确定直线位置有一定的人为性。而用最小二乘法回归,可以得到最佳关联结果。应用微机,对多变量方程进行一次回归,就能同时得到A、m、n。
对于方程的关联,首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为:
, ,
实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。根据定性温度(空气进、出口温度的算术平均值)计算对应的Pr准数值。同时,由牛顿冷却定律,求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。
牛顿冷却定律:
(5)
式中:
α——传热膜系数,[W/(m²·℃)];
Q——传热量,[W];
A——总传热面积[m2]。
Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差,[℃]
传热量 可由下式求得:
(6)
式中:
W——质量流量,[kg/h];
Cp——流体定压比热,[J/(kg·℃)];
t1、t2——流体进、出口温度[℃];
ρ——定性温度下流体密度,[kg/m3];
V——流体体积流量,[m3/h]。
空气的体积流量由孔板流量计测得,其流量Vs与孔板流量计压降Δp的关系为
(7)
式中 Δp——孔板流量计压降,kPa;
Vs——空气流量,m3/h。
四.实验装置说明及流程图
1.设备说明
本实验空气走内管,蒸汽走环隙(玻璃管)。内管为黄铜管,内径为0.020m,有效长度为1.20m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻(Pt100)和热电偶测得。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。
实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成,装有玻璃液位计,加热功率为1.5kw。风机采用XGB型漩涡气泵,最大压力17.50kpa,最大流量100m3/h。
2.采集系统说明
(1)压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器,其测量范围为0~20kpa。
(2)显示仪表
在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取,并实现数据的在线采集与控制,测量点分别为:孔板压降、进出口温度和两个壁温。
3.流程说明
本实验装置流程如图1所示,冷空气由风机输送,经孔板流量计计量后,进入换热器内管(铜管),并与套管环隙中的水蒸气换热,空气被加热后,排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙,与内管中冷空气换热后冷凝,再由回流管返回蒸汽发生器,用于消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连,用于消除热效应。
图1 套管式换热实验装置和流程
1、风机; 2、孔板流量计; 3、空气流量调节阀; 4、空气入口测温点; 5、空气出口测温点; 6、水蒸气入口壁温; 7、水蒸气出口壁温; 8、不凝气体放空阀; 9、冷凝水回流管; 10、蒸气发生器; 11、补水漏斗; 12、补水阀; 13、排水阀
五.实验步骤
1、实验开始前,先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系,以便正确开启按钮。
2、检查蒸汽发生器中的水位,使其保持在水罐高度的1/2~2/3。
3、打开总电源开关(红色按钮熄灭,绿色按钮亮,以下同)。
4、实验开始时,关闭蒸汽发生器补水阀,启动风机,并接通蒸汽发生器的加热电源,打开放气阀。
5、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后,记录数据,改变空气流量(8~10次),重复实验,记录数据。
6、实验结束后,先停蒸汽发生器电源,再停风机,清理现场。
六.实验注意事项
1、实验前,务必使蒸汽发生器液位合适,液位过高,则水会溢入蒸汽套管;过低,则可能烧毁加热器。
2、调节空气流量时,要做到心中有数,为保证湍流状态,孔板压差读数不应从0开始,最低不小于0.1kpa。实验中要合理取点,以保证数据点均匀。
3、切记每改变一个流量后,应等到读数稳定后再测取数据。
七.实验数据处理
本实验内管内径为0.020m,有效长度为1.20m。
1.原始数据:
蒸汽压 1.01kPa 蒸汽温度100.5℃
表1原始数据
2.数据处理:
本实验的数据处理由如下几个步骤完成:
步骤1:文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数,选取其中部分数据如附录1所示;
步骤2:利用求取各个流量下流体的平均温度,并利用线性插值,求得各个平均温度下的相应物性参数,线性插值具体过程如附录2所示:
步骤3:利用平均壁温和流体进出口温度求得各流量下的,其过程见附表2所示;
步骤4:利用式(7),式(8)求得对应的流量和流速;
步骤5:利用式(6),式(5)求得各流量对应下的传热膜系数
步骤6:利用、Re、Pr数据组的定义式,求得各流量下的、Re、Pr值
步骤7:利用origin对对作图,并利用其中的拟合命令求解得到对应的与;
步骤8:利用实验条件下的炮和蒸汽压查出ts,利用公式 K=Q/(AΔTm)计算出总传热系数K
上述步骤1-6中涉及到的中间数据和最终结果如下所示:
表2-1.直管处理中间数据
表2-2.直管处理中间数据
步骤7中所得的图如下图2所示:
图2.与Re关系图
八.结果与讨论
1.强制湍流条件下空气侧的给热系数α,由表2-2中第二列给出。
2.α关联式中系数A和指数m.n,因为空气被加热n=0.4由图2给出方程: y=0.8313x-1.8735 所以A= 0.0134 m=0.8313
3.总传热系数K,由表2-2第三列给出。
可以看出给热系数跟总传热系数很接近。
参考文献:
[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268
[2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63
附录1.干空气物性参数
附录2.
一维插值过程:
已知相邻的两组数据,求之间的所对应的值,其具体式子如下:
求解过程:
式中——平均对数温度
——分别为冷、热流体温度
——壁温
九.误差分析
影响给热系数的主要因素:
1 液体的状态:气体、液体、蒸气及传热过程是否有相变化等;
2 液体的物理性质:如密度、比热容、粘度及导热系数;
3 液体的流动形态:层流或湍流;
4 液体对流的对流状况:自然对流,强制对流等;
5 传热表面积的形状、位置及大小。
在该实验过程中,空气流量读数时存在误差;进行温度读数时,温度不稳定,使得读数时存在误差;实验是在固定水流量的条件下进行的,但在实验过程中,水流量会出现波动,会对测定结果产生影响。
十.思考题
1.本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度?为什么?
答:壁温接近于蒸气的温度。可推出此次实验中总的传热系数方程为
其中K是总的传热系数,α1是空气的传热系数,α2是水蒸气的传热系数,δ是铜管的厚度,λ是铜的导热系数,R1、R2为污垢热阻。因R1、R2和金属壁的热阻较小,可忽略不计,则Tw≈tw,于是可推导出
显然,壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度,对于此实验,可知壁温接近于水蒸气的温度。
2.管内空气流速对传热膜系数有何影响?当空气流速增大时,空气离开热交换器时的温度是将升高呢还是降低?为什么?
答:管内空气流速增大时,空气湍动增加,雷诺数增大,有利于传热膜系数增大。当空气流速增大时,虽然传热膜系数会增大,但空气流量增大的影响较大,在入口温度相同时,空气离开热交换器温度会降低。
3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验,对α的关联有无影响?
答:没有影响。因为本实验采用的是量纲分析法,蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数Re、流量qv、传热膜系数α、努塞尔准数Nu等数据上,可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值,所以仍然可以进行关联。
4.试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。
答:忽略污垢热阻时,热阻计算主要为,空气对流传热系数的数量级为102而蒸汽冷凝传热系数的数量级为104,则空气热阻所占比例约为
,即热阻主要表现为空气热阻。
5.以空气为介质的传热实验中雷诺数Re应如何计算?
答:雷诺数,流速通过孔板压降以及相应的公式求得。而管径为常数,而空气在不同温度下的粘度和密度,需要通过查表求得几个关键温度下的相应值,并利用内插法求得。内插法的具体过程附录2已给出。
6.本实验可采取哪些措施强化传热?
答:提高空气流速,内管加填充物或换螺纹管。
7.若欲实现计算机在线测控,应如何选传感器及仪表?
答:流量测量采用电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、质量流量计都可以,带一体化表头,也可带模拟量输出配数字显示仪表。压力采用压力变送器配数字显示仪表。