一、      实验课程名称：化工原理

二、实验项目名称：空气－蒸汽对流给热系数测定

三、实验目的和要求：

1、    了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、    掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、    学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

四、实验内容和原理

实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算a，关联出相关系数。

    实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)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所组成。

      

达到传热稳定时，有

  （4－1）

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，

                           （4－2）

式中：T_W1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T_W2 －热流体出口处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式（4—3）计算，

                              （4－3）

式中：t_W1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t_W2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，

                                 （4－4）

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，

                                （4－5）

实验中测定紫铜管的壁温t_w1、t_w2；冷空气或水的进出口温度t₁、t₂；实验用紫铜管的长度l、内径d₂，；和冷流体的质量流量，即可计算a₂。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，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间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，

                             （4－6）

实验测定、、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。

1．  近似法求算对流给热系数

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

                  （4－7）

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达~左右，因此冷凝传热热阻可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻也忽略不计，则由式（4－7）得，                                   （4－8）

    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，此法所得的准确性就越高。

2．  冷流体质量流量的测定

用孔板流量计测冷流体的流量，则，                                  (4－9)

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

3．  冷流体物性与温度的关系式

在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

（1）空气的密度与温度的关系式：

（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下＝ J / (kg ?℃),

                         70℃以上＝ J / (kg ?℃)。

（3）空气的导热系数与温度的关系式：

（4）空气的黏度与温度的关系式：

五、主要仪器设备

1．实验装置   实验装置如图4-1所示

图4-1  空气-水蒸气换热流程图

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

六、操作方法与实验步骤

（一）实验步骤

1、        打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。

2、        在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、        打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量的空气。

4、        打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5、        在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。

6、        开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。

7、        上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在

0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

8、        自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、        记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、    打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

七、实验数据记录与处理 

     （下面计算都取第一个值作例子）

1、实验数据记录

2、冷流体的物性等基本数据计算

（1）空气的密度与温度的关系式：ρ=10^-5t²-4.5×10^-3t+1.2916

     ρ=10^-5×28.8²-4.5×10^-3×28.8+1.2916=1.1703 kg/m³(进口处空气温度密度）

    ρ'=10^-5×50.7²-4.5×10^-3×50.7+1.2916=1.0892 kg/m³(定性温度下的空气密度）

（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下＝ J / (kg ?℃),

                         70℃以上＝ J / (kg ?℃)。

定性温度=(t1+t2)÷2=(28.8+72.6)÷2=50.7,所以，取C_p=1005 J/(kg·℃)

（3）空气的导热系数与温度的关系式： λ=-2×10^-8t²+8×10^-5t+0.0244

     λ=-2×10^-8×28.8²+8×10^-5×28.8+0.0244=0.0284 W/(m·K)

（4）空气的黏度与温度的关系式：μ=(-2×10^-6t²+5×10^-3t+1.7169)×10^-5

     μ=(-2×10^-6×28.8²+5×10^-3×28.8+1.7169)×10^-5=1.96525902E-05 Pa·s

 (5) 空气质量流量计算  m_s2=ρV=1.1703×20.0÷3600=0.0065

 (6)空气流速计算  u=V/πr²=20÷3600÷(3.14×0.008²)=27.6451 m/s

计算结果在下表：

                        1             2            3          4            5             6

3、总给热系数K的计算

(1)热、冷流体间的对数平均温差Δ_tm的计算

 Δ_tm=[(T₁-t₂)－(T₂-t₁)]/ln[(T₁-t₂)/(T₂-t₁)]=[(105.2-72.6)－(104.8-28.8)]/ln[(105.2-72.6)/(104.8-28.8)]=51.27℃

(2)总给热系数K的计算

  K=m_s2(t₂-t₁)/AΔ_tm=0.0065×1005×(72.6-28.8)÷3.14÷0.016÷51.27=111.10 W/(m2·℃)

其中，A=πdL       L=1m  d=0.016m

4、近似法求算对流给热系数α₂

   由前面原理已经得知α₂≈K=111.10 W/(m²·℃)

5、对流给热系数α₂理论值的计算

Re=/μ=0.016×27.6451×1.0892÷(1.97×10^-5)=24513.6

Pr=C_pμ/λ=1005×1.97×10^-5÷0.0284=0.6953

   对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0×10⁴~1.2×10⁵，     Pr=0.7~120,管长于管内径之比l/d≥60，则传热准数经验式为：

   Nu=0.0023Re^0.8Prⁿ（当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时n=0.3）

本实验L/d=1/0.016=62.5  Pr,Re值也基本上在范围内，所以

 Nu=0.0023Re^0.8Prⁿ=0.0023×24513.6^0.8×0.6953^0.4=64.59

 Nu=αd/λ  所以α_理论=Nuλ/d=64.59×1.97×10^-5÷0.016=114.66

误差=(α_理论－α)/α_理论=（114.66－111.10)÷114.66×100%=3.1%

八、实验结果与分析

1、冷流体给热系数的实验计算值与理论值（）列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

    误差比较大是因为实验数据的温差及Re数没有全在要求的范围内，用该准数式误差会比较大，还有就是测第一组数据时等待时间不足，可能没有真正达到“热态”。

2、冷流体给热系数的准数式：，以为纵坐标，为横坐标，将实验数据的结果标绘在图上，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A及m；并与教材中的经验式比较。

冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr^0.4=YRe^m，以为纵坐标，为横坐标,将实验数据作图拟合曲线方程确定式中常数Y及m（图见下页）

               lnNu/Pr^0.4=lnY+mlnRe

     所以，A=lnY=-3.54757  Y=0.02879， m=0.77387 （根据图上A、B值计算得）

    而教材上为Nu/Pr^0.4=0.023Re^0.8，误差比较大。这与实验数据的温差及Re数没有全在要求的范围内有关系。如果温差不符合范围的采用齐德—泰特公式以及其他修正，误差可以减小。

九、讨论、心得

  思考题

1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?

           无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是顺流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。

2、在计算空气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。   

计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值不一致，前者的密度为空气入口处温度下的密度，而后者为空气定性温度（平均温度）下的密度。

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α关联式有何影响？

      冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。

      采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式基本无影响。因为α∝(ρ²gλ³r/μd△t)^1/4，当蒸汽压强增加时，r和△均增加，其它参数不变，故(ρ²gλ³r/μd△t)^1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。