传热综合实验——竖管对流传热系数的测定

时间:2024.7.1

实验报告

课程名称:   过程工程原理实验(甲)       指导老师:     成绩:__________________

实验名称:   传热综合实验——竖管对流传热系数的测定  同组学生姓名:    

一、实验目的和内容                                       二、实验装置与流程示意图

三、实验的理论依据(实验原理)                  四、注意事项                    

五、原始记录数据表                                 六、整理计算数据表          

七、数据整理计算过程举例                   八、实验结论

九、实验结果的分析和讨论

一、实验目的和内容

1、掌握空气在普通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途径。

2、把测得的数据整理成形势的准数方程,并与教材中相应公式进行比较。

3、了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验装置与流程示意图

本实验装置流程如图1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。

图1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图

表1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表

       空气-水蒸气换热流程:来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器,与被风机抽进的空气进行换热交换,冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气由风机提供,流量通过变频器改变风机转速达到自动控制,空气经孔板流量计进入套管换热器内管,热交换后从风机出口排出。

       注意:本实验中,普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。

三、实验的理论依据(实验原理)

在工业生产过程中,大量情况下,采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热,就是冷、热两种流体之间有一固体壁面,两流体分别在固体壁面的两侧流动,两流体不直接接触,通过固体壁面(传热元件)进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热,包括普通管和加强管。其中,水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热,空气走紫铜管内,水蒸汽走紫铜管外,采用逆流换热。所谓加强管,是在紫铜管内加了弹簧,增大了绝对粗糙度,进而增大了空气流动的湍流程度,使换热效果更明显。

1、 空气在传热管内对流传热系数的测定

 如图2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。 

图2  间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件,在传热过程达到稳态后,有

热流体与固体壁面的对数平均温差可由(2)式计算:

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由(3)式计算:

热、冷流体间的对数平均温差可由(4)式计算:

冷流体(空气)的质量流量可由(5)式计算:

注意:空气在无纸记录仪上显示的体积流量,与空气流过孔板时的密度有关,考虑到实际过程中,空气的进口温度不是定值,为了处理上的方便,无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度r0当作1kg/m3时的读数,因此,如果空气实际密度不等于该值,则空气的实际体积流量应按下式进行校正:

当内管材料导热性能很好,即l值很大,且管壁厚度较薄时,可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等,即TW2» tW1,TW1» tW2,在传热过程达到稳定后,由式(1)可得:

即:                 

一般情况下,直接测量固体壁面温度,尤其是管内壁温度,实验技术难度较大,因此,工程上也常采用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传热系数。下面介绍其他两种测定对流传热系数a2的实验方法。

(1)近似法求算空气侧对流传热系数a2。

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:

总传热系数K可由式(1)求得:

用本装置进行实验室时,换热管外侧、管壁,内侧污垢热阻均忽略不急,则可由式(9)近似得出:

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,此法所求得的结果准确性越高。

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,传热准数经验式为:

式中:Nu—努塞尔数,,无因次;

Re—雷诺数 ,,无因次;

Pr—普兰特数,,无因次;

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/d≥60。当流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3。

故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后,在双对数坐标纸上,即可作出Nu~Re直线,确定Nu=BRen的拟合方程,并与公认的经验公式进行对比,以验证实验效果。

通过普通管和强化传热管实验结果的对比,分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。

四、注意事项

  (1)开始加热功率可以很大,但当温度达到100℃左右,有大量不凝气体排出时,加热电压一般控制在250V左右。

(2)实际实验管路要和仪表柜上选择开关及计算机上的显示一致,否则实验失败。

(3)实验中不凝气体阀门和冷凝水阀门要一直开启,防止积水,影响实验效果。

(4)测定各参数时,必须是在稳定传热状态下。一般传热稳定时间都至少需保证8分钟以上,以保证数据的可靠性(第一组数据的测定至少稳定15分钟)。

(5)实验过程中,要确保蒸汽发生器内水位不能低于警戒水位。

五、原始记录数据表

1、 普通管

2、 强化管

六、整理计算数据表

普通管

以Re为x轴,Nu为y轴作图如下:

Graph1.bmp

直线方程:lg Nu = -2.07617 + 0.87869 lg Re        R = 0.99978

即有n = 0.87869    B = 0.0084       Nu = 0.0084 Re0.87869

强化管

以Re为x轴,Nu为y轴作图如下:

Graph2.bmp

直线方程:lg Nu = -2.33326 + 1.00325 lg Re        R = 0.99999

即有n = 1.00325    B = 0.0046       Nu = 0.0046 Re1.00325

七、数据整理计算过程举例

以普通管的第一组为例

(2)、空气的质量流速和其在管内流速

(3)、对数平均温差的计算

固体壁面与冷液体之间的对数平均温度:

(4)、的计算(以内表面为基准)

用壁面温度与冷流体之间传热求得:

 

八、实验结论

1、普通管

从实验数据分析可知,随着冷流体流量的增加,冷流体与固体壁面的对流传热系数α2逐渐增大,Nu Re的关系式为:Nu = 0.0084 Re0.87869

2、强化管

       从实验数据分析可知,随着冷流体流量的增加,冷流体与固体壁面的对流传热系数α2逐渐增大,Nu Re的关系式为:Nu = 0.0046 Re1.00325

       由普通管和强化管的实验数据和计算结果可以看出强化管的α2值增大很多,即是强化管的传热效果比普通管好。

       在实验中可以看出,当用强化管时,其流速明显低于用普通管,因为在管内增加弹簧,虽然可以提高传热效率,但是却降低了管路的效率,增加传热时功率的消耗。

九、实验结果的分析和讨论

思考题:

1.实验中冷流体的和蒸汽的流向,对传热效果有何影响?

答:逆流传热优于并流传热,主要是△tm有所不同,在本次实验中可近似无影响,因为在本次实验中近似认为热蒸汽的温度是不变的,则不管是逆流还是并流,△tm可以看做是不变的。

2.在计算冷流体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?

答:不一致,计算冷流体质量时所用到的密度值,是冷流体进入管道的温度下的密度,而计算雷诺数时用到的密度值,是流体传热后温度下的密度值。

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?

答:冷凝水不及时排走,附着在管外壁上,形成一层深液膜,使热阻增大,降低了传热速率。

通过在外管最低处设置排水口,及时排走冷凝水。

采用不同压强下的蒸汽,基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4,当蒸汽压强增加时,r 和△t均增加,其它参数不变,故 (ρ2gλ3r/μd0△t)1/4变化不大,所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。

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