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对流传热实验

专业： 实验报告

姓名： 学号： 日期： 2015.12.04 地点： 教十1206 课程名称：过程工程原理实验（乙） 指导老师： 杨国成 成绩：__________________ 实验名称：传热综合实验 实验类型：工程实验 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得

横管对流传热系数的测定

1 实验目的：

1.1 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。

1.2 把测得的数据整理成Nu?BRe形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。 1.3 了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

2 装置与流程：

2.1 实验装置如图1所示：

n

1

传热综合实验

对流传热实验

图1.装置示意图

2.2 流程介绍：

实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪等构成。 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热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气经孔板流量计进入套管换热管内（紫铜管），流量通过变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。

本实验中，普通管和强化管实验通过管路上的切换阀门进行切换。

2.3 横管对流传热系数测定实验数据符号说明表： 名称 冷流体流量 冷流体进口温度 普通管冷流体出口温度 强化管冷流体出口温度 蒸汽发生器内蒸气温度 普通管热流体进口端壁温 普通管热流体出口端壁温 普通管外蒸气温度 强化管热流体进口端壁温 强化管热流体出口端壁温 强化管外蒸气温度 符号 V 单位 ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ 备注 紫铜管规格： Φ19mm×1.5mm， 即内径为16mm， 有效长度为1020mm， 冷流体流量范围： 3~18 m^3/h t1 t2 t2’ T1 TW1 TW2 T TW1 ‘ TW2 ’ T ’ 3 基本原理：

间壁式换热器：冷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，包括普通管和强化管。其中，水蒸气空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。

2

传热综合实验

对流传热实验

所谓强化管，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。

3.1 空气在传热管内对流传热系数的测定

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，如图2：

T

b

TW tw

t

图2.间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件在传热稳定后，有公式：

（1） 式中： Q — 传热量，W；

m1 — 热流体质量流量，kg/s；

Cp1 — 定性温度下热流体比热，J/(kg·℃)； T1 — 热流体进口温度，℃； T2 — 热流体出口温度，℃； m2 — 冷流体质量流量，kg/s；

Cp2 — 定性温度下冷流体比热，J/(kg·℃)； t1 — 冷流体进口温度，℃； t2 — 冷流体出口温度，℃；

α1 — 热流体与固体壁面的对流传热系数，W/()； A1 — 热流体测的传热面积，；

(T-Tw)m — 热流体与固体壁面的对数平均温度，℃； α2 — 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/()； A2 — 冷流体测的传热面积，；

(t-tw)m — 冷流体与固体壁面的对数平均温度，℃； K — 以传热面积A为基准的总传热数，W/()； A — 传热面积，；

Δt — 冷、热流体的对数平均温差，℃。

其中：

V'?V?0

3

传热综合实验

对流传热实验

m2?V'?0

空气质量流量算法：

— 空气之际体积流量，；

— 空气在孔板处的密度，kg/。 本实验中即为空气在进口温度下对应的密度。

空气在无纸记录仪上记录的体积流量与空气流过孔板时候的密度有关。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孔板处的空气密度为1 kg/时候读数，因此，如果空气的密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按照下式进行校正。

（5）

V — 无纸记录仪上显示的空气的体积流量，。

在本装置的套管换热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可以认为同一截面处换热管两侧壁温近似相等，即：

， （6） 在传热达到稳定后，可得：

（7）

即：

（8）

实验中测定出紫铜管的壁温tW1和tW2 ；冷流体的进出口温度t1和t2 ，并查得t平均=0.5(t1+t2)下冷流体对应的Cp2以及实验用铜管的长度l、内径d2，A2=πd2l和冷流体的质量流量m2，即可计算出α2。 3.2 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：

（9）

式中： —努赛尔数；

—雷诺数； —普兰特数；

对于流体是被空气冷却的情况，Pr≈常数，n=0.3，式(9)可简化为：

在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数n。在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数B。

4 实验步骤：

4.1 检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常； 4.2 蒸汽发生器灌水至接近最高点处；

4.3 打开总电源开关、仪表电源开关，启动控制软件。开启蒸汽发生器开始加热； 4.4 温度上升到水的沸点后，开启风机； 4.5 选择普通管管路，与仪表显示一致后，通过控制软件上的“流量设定”，按12 m3/h、10 m3/h、8 m3/h、6 m3/h的数据改变冷流体的流量；

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4.6在每个实验点时，观察温度变化，特别注意冷流体出口温度的变化，等待系统稳定。系统稳定后，冷流体出口温度不再有明显的变化时，点击读取数据按钮，保存得到该冷流体流量下的系统数据； 4.7 完成普通管的测定后，切换到强化管，按第4.5、4.6两步相同的操作进行测定和数据的采集； 4.8完成实验后，按序切断电加热器电源、水源，停风机，最后导出实验数据，关闭计算机。

5 实验数据记录和处理：

5.1 基本参数：紫铜管规格：Φ19mm×1.5mm，即内径为16mm，A=0.050m2，有效长度为1020mm。

5.2 实验数据：

冷流体进口温度/℃

冷流体出口温度/℃

冷流体流量(m3/h) 蒸汽进口处壁温/℃

蒸汽出口处壁温/℃

管外蒸汽温度/℃ 加热器汽相温度/℃

管道名称

fAirTemp1 fAirTemp1 19.186 19.75 20 20 20.374 20.436 20.25 fAirTemp2 fAirTemp2 65.874 68.436 70.934 72.434 78.124 75.436 75.684 fV fV 20.0055 14.7686 10.9605 7.99963 8.03193 12.6724 16.4429 fVaporTemp1 fVaporTemp1 102.124 102 102 101.812 101.934 102.812 102.812 fVaporTemp2 ai04 fVaporTemp2 ai04 102.374 101.75 102.434 102.25 102.124 101.374 102.124 102.124 101.686 101.686 101.624 99.624 100.812 100.874 fTemp iPipeName fTemp 102.06 101.934 101.934 101.874 101.124 102 102 iPipeName 普通管1 普通管2 普通管3 普通管4 强化管1 强化管2 强化管3 5.3 数据处理：

计算示例：以强化管第一组数据为例：

t1=20.374 ℃ t2’=78.124℃ V=8.03193m3/h T1=101.124 ℃ TW1’=101.934℃ TW2’=101.374℃ T’=99.624℃

t1=20.374℃，空气的密度为1.2035 kg/m3，空气平均温度40~50℃下空气热容为1005J/(kg·K)，导热系数为0.0280/[W/(m·K)]，空气粘度为1.94×10-5/Pa·s.

V'?V?0=

8.03193=7.3214m3/h

1.20355

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