1、實驗名稱 對流傳熱實驗一、 實驗目的 通過對空氣水蒸氣光滑套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數1的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。并應用線性回歸分析方法，確定關聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的值。 通過對管程內部插有螺紋管的空氣水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準數關聯(lián)式Nu=BRem中常數B、m的值和強化比Nu/Nu0，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、 實驗原理1準數關聯(lián) 影響對流傳熱的因素很多，根據因次分析得到的對流傳熱的準數關聯(lián)為： Nu=CRemPrnGrl （1）式中C、m、n、l為待定參數。參加傳熱的流體、流態(tài)及溫度等不同，待定參數不同。目前，只能通過

2、實驗來確定特定范圍的參數。本實驗是測定空氣在圓管內作強制對流時的對流傳熱系數。因此，可以忽略自然對流對傳熱膜系數的影響，則Gr為常數。在溫度變化不太大的情況下，Pr可視為常數。所以，準數關聯(lián)式（1）可寫成NuCRem （2）待定參數C和m可通過實驗測定蒸汽、空氣的有關數據后，對式（2）取對數，回歸求得直線斜率和截距。 2傳熱量計算 努塞爾數Nu或1無法直接用實驗測定，只能測定相關的參數并通過計算求得。當通過套管環(huán)隙的飽和蒸汽與冷凝壁面接觸后，蒸汽將放出冷凝潛熱，冷凝成水，熱量通過間壁傳遞給套管內的空氣，使空氣的溫度升高，空氣從管的末端排出管外，傳遞的熱量由（3）式計算。 QWecpc（t2t1

3、）= V1cpc（t2t1） （3） 根據熱傳遞速率 QKStm （4）所以 KStm=V1cpc（t2t1） （5）式中：Q換熱器的熱負荷（即傳熱速率），kJs； We冷流體的質量流量，kgs； V冷流體（空氣）的體積流量，m3/s； 1一冷流體（空氣）的密度，kgm3； K換熱器總傳熱系數，W/（m2·）； Cpc一一冷流體（空氣）的平均比定壓熱容，kJ/（kg·K）； S傳熱面積，m2； tm蒸汽與空氣的對數平均溫度差，。 空氣的流量及兩種流體的溫度等可以通過各種測量儀表測得。綜合上面各式即可算出傳熱總系數K。 3傳熱膜系數的計算 當傳熱面為平壁或者當管壁很薄時，總的

4、傳熱阻力和傳熱分阻力的關系可表示為： 式中：l空氣在圓管中強制對流的傳熱膜系數，W（m2·）； 2蒸汽冷凝時的傳熱膜系數，W（m2·）。當管壁熱阻可以忽略（內管為黃銅管而且壁厚b較薄，黃銅導熱系數比較大）時，（7） 蒸汽冷凝傳熱膜系數遠遠大于空氣傳熱膜系數，則K1。因此，只要在實驗中測得冷、熱流體的溫度及空氣的體積流量，即可通過熱衡算求出套管換熱器的總傳熱系數K值，由此求得空氣傳熱膜系數1。 4努塞爾數和雷諾數的計算 式中：空氣導熱系數，W（m·）； 一空氣的粘度，Pa·s； d套管換熱器的內管平均直徑，m；1進口溫度t1時的空氣密度，kgm3。 由于熱

5、阻主要集中在空氣一側，本實驗的傳熱面積S取管子的內表面較為合理，即 Sdl本裝置d=00178 m，l=1327m。 5空氣流量和密度的計算 空氣密度1可按理想氣體計算：式中：pa當地大氣壓，Pa ；t孔板流量計前空氣溫度，可取t=t1； 空氣的流量由 14噴嘴流量計測量，合并常數后，空氣的體積流量可由（11）式計算（11）式中：C0合并整理的流量系數，其值為C0=0001233； R噴嘴流量計的壓差計示值，mmH2O。 V1空氣的體積流量，m3s。三、 儀器與試劑本實驗設備由兩組黃銅管（其中一組為光滑管，另一組為波紋管）組成平行的兩組套管換熱器，內管為紫銅材質，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法

6、蘭固定?？諝庥尚郎u氣泵吹出，由旁路調節(jié)閥調節(jié)，經孔板流量計，由支路控制閥選擇不同的支路進入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經支路控制閥選擇逆流進入換熱器殼程，其冷凝放出熱量通過黃銅管壁被傳遞到管內流動的空氣，達到逆流換熱的效果。飽和蒸汽由配套的電加熱蒸汽發(fā)生器產生。該實驗流程圖如圖1所示，其主要參數見表1。表1 實驗裝置結構參數實驗內管內徑di（mm）16.00實驗內管外徑do（mm）17.92實驗外管內徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）52.5總管長（紫銅內管）L（m）1.30測量段長度l（m）1.10空氣出口溫度蒸汽溫度空氣入口溫度孔板流量計測量空氣流量空氣壓力蒸汽壓力圖1

7、  空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1 光滑套管換熱器；2螺紋管的強化套管換熱器；3蒸汽發(fā)生器；4旋渦氣泵；5旁路調節(jié)閥；6孔板流量計；7、8、9空氣支路控制閥；10、11蒸汽支路控制閥；12、13蒸汽放空口； 15放水口；14液位計；16加水口； 四、 實驗步驟1實驗前的準備 （1）向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。 （2）檢查空氣流量旁路調節(jié)閥是否全開。 （3）檢查普通管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管路的暢通。 （4）接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電熱鍋爐開關，開始加熱。2實驗開始 （1）當蒸汽壓力穩(wěn)定后，啟動旋渦氣泵并運行一段時間，保證實驗開始時空氣入口溫度t1（

8、）穩(wěn)定。 （2）調節(jié)空氣流量旁路閥的開度或主閥開度，使孔板流量計的壓差計讀數為所需的空氣流量值。 （3）穩(wěn)定58分鐘左右讀取壓差計讀數，讀取空氣入口、出口的溫度值、（溫度測量可采用熱電偶或溫度計）、空氣壓力值p1、空氣入、出口之間壓力差p2、蒸汽溫度值t3及壓力值p3,孔板流量計讀數p4。 （4）調節(jié)空氣流量，重復（3）與（4）共測610組數據（注意：在空氣入、出口之間壓力差p2最大值與最小值之間可分為6-10段）。 （5）實驗過程，要盡可能保證蒸汽溫度或壓力穩(wěn)定，在蒸汽鍋爐加熱過程（蒸汽溫度或壓力變化較大）不要記錄數據。3實驗結束 （1）關閉加熱器開關。 （2）過5分鐘后關閉鼓風機，并將旁路

9、閥全開。 （3）切斷總電源。五、 實驗數據及處理實驗數據記錄（光滑管）實驗號空氣入口溫度值t1空氣出口溫度值t2空氣入口壓力值p1空氣入出口壓力差p2蒸汽溫度值t3蒸汽壓力p3孔板流量計讀數p4120.965.0534076.8129.00.1345.0221.565.0489090.0129.00.1350.0322.066.04640102.0129.00.1355.0423.167.54220120.5129.00.1360.0523.067.94010135.0129.00.1365.0622.968.13790147.5129.00.1370.0723.969.03540161.01

10、29.00.1375.0823.069.03240175.0129.00.1380.0實驗數據記錄（螺紋管）實驗號空氣入口溫度值空氣出口溫度值空氣入口壓力值p1空氣入出口壓力差p2蒸汽溫度值t3蒸汽壓力p3孔板流量計讀數p4118083.06920101.0126.00.1230.0218.094.06200123.0126.00.1235.0318.096.05850139.0126.00.1240.0420.098.05420166.0126.00.1240.0521.099.05130191.0126.00.1252.0621.0100.04940231.0126.00.1257.072

11、2.0100.04700269.0126.00.1263.0822.0100.04450311.0126.00.1270.0光滑管實驗數據處理序號kg/ m3V m3sReNuKQ1ReNu11.1980.007640796.872.6599.660.39499.664.611.8621.1960.006233281.659.9482.220.32482.224.521.7831.1940.006635428.864.6088.620.34888.624.551.8141.1890.008847238.479.40108.920.424108.924.671.9051.1900.0091488

12、48.891.34125.290.489125.294.691.9661.1900.009550996.095.86131.500.514131.504.711.9871.1860.009852606.499.03135.850.527135.854.721.9981.1900.01053680.099.69136.790.550136.794.732.00Sdl=3.14*0.0178*1.327=0.0742QWecpc（t2t1）= V1cpc（t2t1） tm=(T-t)/(T/t)QKStm K=1取第一組數據為例計算1 =1.198kg/ m3=0.001233*(45/1.198

13、)1/2=0.0076 m3sSdl=3.14*0.0178*1.327=0.0742tm1=53.28Q1=0.0076*1.198*1.005*43.1=0.394KJ/sK1=0.394/(0.0742*53.28)=99.66wRe1=5.368*V1=5.368*0.0076=40796.8根據實驗結果繪圖由此可知，截距為7.2837，斜率為-1.0903m=-1.0903 c= 7.2837 c=107.28螺紋管實驗數據處理VReNuKReNuQ1.2100.0061432672.358.6293.074.511.770.487261.2100.0066334830.383.62

14、132.754.541.920.610101.2100.0070937246.994.30149.724.511.970.675181.2020.0076339818.7104.62166.14.602.020.721801.1980.0081242234.9113.21179.744.622.050.765591.1980.0085044211.4121.79193.364.642.090.811701.1940.0089446448.3127.09201.784.672.100.841971.1940.0094448936.7133.90227.384.692.130.00708實驗處理方

15、法同上Sdl=3.14*0.0178*1.327=0.0742QWecpc（t2t1）= V1cpc（t2t1） tm=(T-t)/(T/t)QKStm K=1根據實驗數據繪圖截距為-4.8238，斜率為1.4856M=1.4856 c= -4.8238 c=1.50*10-5六、 結果與討論由實驗結果可知，對于相同的體系，流體的壓力和溫度變化影響傳熱膜系數。控制蒸汽進口壓力不變，使蒸汽出口壓力增大時，導熱系數增大，導熱加強，但是這種效果達到一定值之后增幅越來越小。可見，并不是導熱系數越大越好，剛開始很容易加強導熱，但是到后面難度加大，考慮到經濟效益，選擇合適的導熱系數。此外，由光滑管和波紋管

16、的結果對比可知，波紋管的導熱系數比光滑管大，導熱效果比光滑管要好，因為波紋管內氣體湍流增強，導熱加強。所以，化工生產中可以采用波紋管代替光滑管，以到達更好的傳熱效果，節(jié)約能源。七、 思考題（1）影響傳熱膜系數的因素有哪些？答：1.冷凝液膜兩側的溫度差2。流體物性3。 蒸汽的流速和流向4。 蒸汽中不凝氣體含量的影響5。 冷凝壁免得影響。此外，冷凝壁面的表面情況對a的影響也很大，若壁面粗糙不平或有氧化層，則會使膜層加厚，增加膜層阻力，因而a低。（2）在蒸氣冷凝時，若存在不凝性氣體，你認為將會有什么影響？應該采取什么措施？答：若蒸汽中含有空氣或其他不凝性氣體，則壁面可能為氣體層所遮蓋，增加了一層附加熱阻，使a急劇下降。