对流传热系数的测定实验报告

浙江大学化学实验报告课程名称：过程工程原理实验甲实验名称：对流传热系数的测定指导教师：专业班级：姓名：学号：同组学生：实验日期：实验地点：1/13目录一、实验目的和要求.......................................................................................................................2二、实验流程与装置.......................................................................................................................2三、实验内容和原理.......................................................................................................................31.间壁式传热基本原理...........................................................................................................32.空气流量的测定...................................................................................................................53.空气在传热管内对流传热系数α的测定.............................................................................53.1牛顿冷却定律法........................................................................................................53.2近似法........................................................................................................................63.3简易Wilson图解法..................................................................................................64.拟合实验准数方程式...........................................................................................................75.传热准数经验式...................................................................................................................7四、操作方法与实验步骤...............................................................................................................8五、实验数据处理...........................................................................................................................91.原始数据：...........................................................................................................................92.数据处理...............................................................................................................................9六、实验结果.................................................................................................................................12七、实验思考.................................................................................................................................132/13一、实验目的和要求1）掌握空气在传热管内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𝑁𝑢=A𝑅𝑒𝑛形式的准数方程，并与教材中公认经验式进行比较；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、实验流程与装置本实验流程图（横管）如下图1所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量计、变频器、套管换热器（强化管和普通管）及温度传感器、只能显示仪表等构成。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换热交换，不凝气或未冷凝蒸汽通过阀门（F3和F4）排出，冷凝水经排出阀（F5和F6）排入盛水杯。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：普通管和强化管的选取：在实验装置上是通过阀门（F1和F2）进行切换，仪表柜上通过旋钮进行切换，电脑界面上通过鼠标选择，三者必学统一。图1横管对流传热系数测定实验装置流程图图中符号说明如下表：3/13符号名称单位备注V空气流量m3/h紫铜管规格Φ19×1.5mm有效长度1020mmF1，F2为管路切换阀门F3，F4为不凝气排出阀F5，F6为冷凝水排出阀t1空气进口温度℃t2普通管空气出口温度℃t3强化管空气出口温度℃T1蒸汽发生器内的蒸汽温度℃T2普通管空气出口端铜管外壁温度℃T3普通管空气进口端铜管外壁温度℃T4普通管外蒸汽温度℃T5强化管空气出口端铜管外壁温度℃T6强化管空气进口端铜管外壁温度℃T7强化管外蒸汽温度℃三、实验内容和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，水蒸气和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。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，是换热效果更明显。1.间壁式传热基本原理如图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组成。4/13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：Q=𝑚1𝑐𝑝1(𝑇1−𝑇2)=𝑚2𝑐𝑝2(𝑡2−𝑡1)=𝛼1𝐴1(𝑇−𝑇𝑤)𝑚=𝛼2𝐴2(𝑡𝑤−𝑡)𝑚=KA∆𝑡𝑚………………………………………………(1)热流体与固体壁面的对流平均温差可由（2）式计算：(𝑇−𝑇𝑤)𝑚=(𝑇1−𝑇𝑤1)−(𝑇2−𝑇𝑤2)ln𝑇1−𝑇𝑤1𝑇2−𝑇𝑤2…………………………（2）固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：(𝑡−𝑡𝑤)𝑚=(𝑡1−𝑡𝑤1)−(𝑡2−𝑡𝑤2)ln𝑡1−𝑡𝑤1𝑡2−𝑡𝑤2……………………………（3）热、冷流体的对数平均温差可由（4）式计算：∆𝑡𝑚=(𝑇1−𝑡2)−(𝑇2−𝑡1)ln𝑇1−𝑡2𝑇2−𝑡1………………………………………（4）式中：Q----热流量，J/s；𝑚1,𝑚2----分别为热、冷流体的质量流量，kg/s𝑐𝑝1，𝑐𝑝2----分别为定性温度下热、冷流体的比热，J/(kg·℃)𝑇1，𝑇2----分别为热流体的进出口温度，℃𝑡2，𝑡1----分别为冷流体的进出口温度，℃𝛼1，𝛼2----分别为热、冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(𝑚2·℃)𝐴1，𝐴2----分别为热、冷流体的传热面积，𝑚2(𝑇−𝑇𝑤)𝑚，(𝑡−𝑡𝑤)𝑚----分别为热、冷流体与固体壁面的对数平均温差，℃K----以传热面积A为基准的总传热系数，W/(𝑚2·℃)A----平均传热面积，𝑚25/13∆𝑡𝑚----冷、热流体的対数平均温差，℃由实验装置流程图可见，本实验的强化管或普通管换热，热流体是蒸汽，冷流体是空气。2.空气流量的测定空气在无纸记录仪上现实的体积流量，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出的空气密度𝜌0当作1𝑘𝑔𝑚3⁄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该由下式进行校正：V′=𝑉√𝜌0……………………………………………………（5）空气质量流量m:m=V′𝜌0…………………………………………（6）式中：V′----空气实际体积流量，𝑚3/𝑠V----无纸记录仪上显示的空气的体积流量，𝑚3/𝑠𝜌0----空气在孔板处的密度，kg/𝑚3,本实验中𝜌0即为空气在进口问题𝑡1下对应的温度。3.空气在传热管内对流传热系数α的测定3.1牛顿冷却定律法在本装置的套管加热器中，环隙内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。在传热过程达到稳定后，空气作为冷流体，空气侧传热由式（1）可得：mc(𝑡2−𝑡1)=𝛼𝐴(𝑡𝑤−𝑡)𝑚……………………………………（7）即α=𝑚𝑐(𝑡2−𝑡1)𝐴(𝑡𝑤−𝑡)𝑚……………………………………………………（8）𝑡𝑤1和𝑡𝑤2分别是换热管空气进口处的内壁温度和空气出口处的内壁温度，当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较小时，可认为𝑇𝑤1≈𝑡𝑤1及𝑇𝑤2≈𝑡𝑤2，𝑇𝑤1和𝑇𝑤2分别是空气进口处的换热管外壁温度和空气出口处的换热管外壁温度。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流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。6/133.2近似法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：1𝐾=1𝛼2+𝑅𝑠2+𝑏𝑑2𝜆𝑑𝑚+𝑅𝑠1𝑑2𝑑1+𝑑2𝛼1𝑑1……………………（9）式中：𝑑1,𝑑2----分别为换热管的外径、内径，m𝑑𝑚----换热管的对流平均直径，mb---换热管的壁厚，mλ----换热管材料的导热系数，W/(m∙℃)𝑅𝑠1,𝑅𝑠2----分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，𝑚2∙𝐾/𝑊总传热系数𝐾可由式（1）得：K=𝑄𝐴∆𝑡𝑚=𝑚2𝑐𝑝2(𝑡2−𝑡1)𝐴∆𝑡𝑚………………………………（10）用本装置进行实验时，管内空气与管壁间的对流传热系数𝛼2约几十到几百W/(𝑚2·𝐾)，而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数�