传热实验报告

时间:2024.7.13

题目

有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道,其界面尺寸如图1所示,假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化极小,可以近似的忽略不计。计算:

(1).砖墙截面上的温度分布;

(2).垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。

已知:内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃,砖墙导热系数λ=0.53W/m·℃

4_1

文本框: 图 1

一、实验目的

(1). 学习数值模拟的原理和边界条件的处理;

(2).通过数值模拟求出物体的温度场;

(3).比较实际值与数值模拟结果之间的异同。

二、实验原理

已知当导热系数为常数时,对均匀的网络,二维稳态导热的差分方程为

      公式1

                         公式2

Fortran90/95可以用于数字模拟,通过一定的控制结构,以一定的循环方式可以得到与实际结果相当接近的结果,这正是我们这里需要使用的。

在进行数字模拟的过程中我们先设定一个温度场的初场,假设均为0℃ ,然后在相应的边界点上建立边界条件。通过(公式1)可以建立中间点的温度场,通过(公式2)可以建立绝热边界上的温度场。

1.等温边界条件是最简单的情况,相应于热系统的等温边界只要是在数字模拟时,让边界上的各个点都等于某个固定值即可。

2.对于绝热条件,可以证明只要

2T(i-1,j)+T(i,j+1)+T(i,j-1)-4T(i,j)=0

即可使边界得到类似。

3.对于热流边界条件则只要

T(i,j+1)+T(i,j-1)+2T(i-1,j)+2hl/λT(i+1)-(4+2hl/λ)T(i,j)=0

经过上述变化之后,我们就能通过数字模拟对二维导热物体温度场进行模拟,从而得到我们想要的结果。

三、      实验过程

1.       问题简化

对于烟囱或者墙角的稳态导热问题,由于其具有对称性,因而可以取1/4部分进行研究。在对称面上a、b上,可认为符合绝热条件。在其内外表面上c、d上,则形成恒壁温条件。 

因此,墙角或烟囱的1/4部分的四个边界条件均为已知,对于角点再具体分析,则可分别列出满足各点要求的差分方程。由联立的差分方程组进行迭代计算,则可得到各点的近似温度值。

2.  差分方程

2.1外部角点


2.2内部角点


2.3平直边界上节点


2.4网格节点示意

说明:1)本实验不存在内热源

      2)等温边界条件不存在对流换热

3. 程序设计结果

利用上述原理,Fortran90程序如下:(截屏)

1.1.jpg

2.2.jpg

3.3.jpg

3.  数值计算结果:

温度分布:

30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00

 30.00 28.96 27.94 26.95 26.04 25.27 24.72 24.36 24.15 24.02 23.96 23.92 23.90 23.89 23.89 23.89

 30.00 27.94 25.90 23.89 22.00 20.40 19.31 18.64 18.26 18.04 17.93 17.87 17.84 17.82 17.82 17.82

 30.00 26.96 23.89 20.81 17.78 15.13 13.57 12.73 12.29 12.06 11.93 11.87 11.84 11.82 11.82 11.82

 30.00 26.05 22.02 17.80 13.32  8.90  7.23  6.53  6.20  6.04  5.96  5.92  5.90  5.89  5.89  5.89

 30.00 25.30 20.44 15.18  8.93  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00  0.00

 30.00 24.74 19.34 13.61  7.25  0.00

 30.00 24.38 18.67 12.76  6.54  0.00

 30.00 24.17 18.29 12.32  6.22  0.00

 30.00 24.05 18.09 12.10  6.07  0.00

 30.00 24.00 18.01 12.01  6.01  0.00

与热电比拟结果很接近,说明两种模拟方法均可行。

导热量:

外壁面:59.07681W/m

内壁面:59.06147W/m

4.  等温线绘制:

四、      实验总结

通过本次数值模拟实验我了解了传热学数值模拟的一般过程,对此有了更加直观的认识,也体会到数值模拟在现代热力计算中的方便快捷之处。不仅如此,我还进一步熟悉二维稳态温度场的分布特点和Fortran90在数值模拟方面的应用方法。


第二篇:CES气-气传热实验仿真操作手册


气—气传热综合实验讲义

一、实验目的:

(1)通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究,掌握对流传热系数的测定方法,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,确定关联式中常数A、m的值;

(2) 通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究,测定其准数关联式中常数B、m的值和强化比,了解强化传热的基本理论和基本方式;

(3)了解套管换热器的管内压降之间的关系;

二、实验内容:

实验一:

① 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数

② 对的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

③ 测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管内压降

实验二:

① 测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数

② 对的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。

③ 测定5~6个不同流速下强化套管换热器的管内压降。并在同一坐标系下绘制普通管~Nu与强化管~Nu的关系曲线。比较实验结果。

④ 同一流量下,按实验一所得准数关联式求得Nu0,计算传热强化比Nu/Nu0

三、实验原理

实验一  普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

1. 对流传热系数的测定

对流传热系数可以根据牛顿冷却定律,用实验来测定。

                         (2-1)

式中:—管内流体对流传热系数,W/(m2?℃);

       Qi—管内传热速率,W;

       Si—管内换热面积,m2

       —内管壁面温度与内管流体温度的平均温差,℃。

       平均温差由下式确定:

              (2-2)

式中:ti1,ti2—冷流体的入口、出口温度,℃;

      tw—壁面平均温度,℃;

    因为换热器内管为紫铜管,其导热系数很大,且管壁很薄,故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等,用tw 来表示。

管内换热面积:

                (2-3)

式中:di—内管管内径,m;

Li—传热管测量段的实际长度,m;

由热量衡算式:

        (2-4)

其中质量流量由下式求得:

              (2-5)

式中:Vi—冷流体在套管内的平均体积流量,m3 / h;

      cpi—冷流体的定压比热,kJ / (kg·℃);

ρi—冷流体的密度,kg /m3

cpi和ρi可根据定性温度tm查得,为冷流体进出口平均温度。ti1、ti2、tw、Vi可采取一定的测量手段得到。

2. 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流,处于被加热状态,准数关联式的形式为

.        (2-6)

其中: ,    ,     

物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。经过计算可知,对于管内被加热的空气,普兰特准数Pri变化不大,可以认为是常数,则关联式的形式简化为:

       (2-7)

通过实验确定不同流量下的Rei,然后用线性回归方法确定A和m的值。

实验二、强化套管换热器传热系数及其准数关联式及强化比的测定

强化传热又被学术界称为第二代传热技术,它能减小初设计的传热面积,以减小换热器的体积和重量;提高现有换热器的换热能力;使换热器能在较低温差下工作;并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗,更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种,本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热。

螺旋线圈的结构图如图2-1所示,螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内,即可构成一种强化传热管。在近壁区域,流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转,一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动,因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细,流体旋流强度也较弱,所以阻力较小,有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值为主要技术参数,且节距与管内径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式,其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

          

在本实验中,采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Rei,用线性回归方法可确定B和m的值。

单纯研究强化手段的强化效果(不考虑阻力的影响),可以用强化比的概念作为评判准则,它的形式是:,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu0是普通管的努塞尔准数,显然,强化比>1,而且它的值越大,强化效果越好。需要说明的是,如果评判强化方式的真正效果和经济效益,则必须考虑阻力因素,阻力系数随着换热系数的增加而增加,从而导致换热性能的降低和能耗的增加,只有强化比高且阻力系数小的强化方式,才是最佳的强化方法。

  

四、实验装置

    1.实验流程图及基本结构参数:

如图2-2所示,实验装置的主体是两根平行的套管换热器,内管为紫铜材质,外管为不锈钢管,两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜,内有2根2.5kW螺旋形电加热器,用200伏电压加热(可由固态调压器调节)。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,由另一端蒸汽出口自然喷出,达到逆流换热的效果。

  

图2-2  空气-水蒸气传热综合实验装置流程图(A型)

实验装置:

1—普通套管换热器;2—内插有螺旋线圈的强化套管换热器;3—蒸汽发生器;4—旋涡气泵;5—旁路调节阀;6—孔板流量计;7、8、9—空气支路控制阀;10、11—蒸汽支路控制阀;12、13—蒸汽放空口;14—传热系数分布实验套盒(本实验不使用);15—紫铜管;16—加水口;17—放水口;18—液位计;19—热点偶温度测量实验测试点接口;20—普通管测压口;21—强化管测压口

2.实验的测量手段

    ⑴ 空气流量的测量

空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计,孔板流量计为标准设计,

其流量计的计算式为:

式中: —孔板流量计两端压差,KPa;

        —流量计处温度(本实验装置为空气入口温度),℃;

        温度下的空气密度,kg/m3

实验装置结构参数见下面说明:

由于被测管段内温度的变化,还需对所测得体积流量进行进一步的校正:

              (2-8)

Vt0 —冷流体进入换热器时的体积流量,m3 / h;

    ⑵ 温度的测量

实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的,温度与热电势的关系为:

                  T(℃)=1.2705+23.518×E(mv)                      (2-9)

冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。

五、注意事项

⑴ 由于采用热电偶测温,所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端,是否全部浸没在冰水混合物中。

⑵ 检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后,进行下一实验之前,如果发现水位过低,应及时补给水量。

⑶ 必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前,两蒸汽支路控制阀(见图2-2)之一必须全开。在转换支路时,应先开启需要的支路阀,再关闭另一侧,且开启和关闭控制阀必须缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

⑷ 必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前,三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀(见图2-2所示)必须全开。在转换支路时,应先关闭风机电源,然后开启和关闭控制阀。

⑸ 调节流量后,应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。

⑹ 实验中保持上升蒸汽量的稳定,不应改变加热电压,且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。

六、报告内容

⑴ 实验一的原始数据表、数据结果表(换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果)、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析,并以其中一组数据的计算举例。

⑵ 实验二的原始数据表、数据整理表(换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比,还包括重要的中间计算结果)、准数关联式的回归结果。

⑶ 在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。

⑷ 在同一坐标系中绘制实验一、实验二的△P~Nu的关系图。

⑸ 对实验结果进行分析与讨论。

七、传热实验仿真操作步骤

  传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示:

 

普通套管实验操作:

⑴ 检查水槽液位计,若发现水量较少,打开注水阀VA102,补充水量至2/3处;

⑵ 打开连通阀VA101,使水槽与蒸汽发生器相通;

⑶ 打开普通套管蒸汽开关阀VA104,确保蒸汽管路畅通;

⑷ 打开电源总开关,启动蒸汽发生器开关,加热蒸气;

⑸ 等待若干秒,待水蒸气进入套管换热器外管,当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时,标志实验可以开始;

⑹ 打开漩涡风机旁路阀VA106至最大;

⑺ 打开普通套管空气开关阀VA107,确保空气管路畅通;

⑻ 启动漩涡风机开关;

⑼ 通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度,调节流量所需值,待数值稳定后,到“实验数据一”面板点击“普通套管数据记录”按钮,记录实验数据至“实验报表”

⑽ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序,记录5~6组实验数据

强化套管实验操作:

⑾ 关闭风机电源;

⑿ 缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105,再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104,使强化管路蒸汽畅通;待蒸气排出口有恒量蒸汽排出,标志强化套管传热实验可以开始;

⒀ 将漩涡风机旁通阀VA106开至最大,接通漩涡风机开关;

⒁ 调节漩涡风机旁通阀VA106的开度,调节流量至所需值,带数值稳定后,倒“实验数据二”面板点击“强化套管数据记录”按钮,记录实验数据至“实验报表”

⒂ 按照阀门VA106开度由大到小的顺序,记录5~6组实验数据

⒃ 关闭蒸汽发生器加热电源,待蒸气放空口没有蒸汽逸出,将漩涡风机旁通阀VA106至全开,并关闭漩涡气泵开关,关闭总电源开关

⒄ 实验结束

参数设置:

到“参数设置”面板,改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度,重复以上步骤;

注意事项:

所有错误操作提示以动画灯泡为标志:

⑴ 若打开电源总开关、漩涡风机开关,且未将漩涡气泵旁通阀VA106打开,出现提示:

⑵ 若打开电源总开关、漩涡风机开关、漩涡风机旁通阀VA106,但空气管路未保持畅通,出现提示:

⑶ 若水槽内水位过低,打开蒸汽加热器开关,出现提示:

⑷ 若蒸汽管路未畅通,出现提示:

⑸ 若在启动蒸汽发生器开关前,连通阀VA101没有打开,出现提示:

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