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【实验目的】1.观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象2.测定空气在圆形直管内强制对流给热系数3.测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数4.学会热电偶测温方法【实验任务】1.测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时对流传热准数关联式2.测定空气在螺旋槽管中作湍流流动时对流传热准数关联式【实验原理】对流传热的准数关联式为：𝑁𝑢=𝐶𝑅𝑒𝑚𝑃𝑟𝑛𝐺𝑟𝑙𝐶、𝑚、𝑛、𝑙为待定参数，∵实验中测定的是空气在圆管内强制对流的对流传热准数，∴忽略自然对流传热膜系数的影响（𝑑𝑑𝑡𝐺𝑟≡0）；∵温度变化不大，∴将𝑃𝑟视为常数。∴有：𝑁𝑢=𝐶𝑅𝑒𝑚，𝛼=𝐶𝜆𝑑𝑅𝑒𝑚实验过程中为套管换热器，外观套与内管间为水蒸气，通过冷凝放热加热内管内通入的空气，传热稳定后，传热量（kJ∙s−1）为：𝑄=𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)=𝛼o𝑆o(𝑇−𝑇w)m=𝛼𝑖𝑆𝑖(𝑡w−𝑡)m（1）𝜌——受热流体密度（kg∙m−3），𝑉——受热流体体积流量（m3∙s−1），𝐶𝑃——受热流体比热容（kJ∙kg−1∙℃−1），𝑡1、𝑡2——受热流体进口、出口温度（℃）。𝛼o、𝛼𝑖——水蒸气分别对内管外壁的流量给热系数、对内管内壁的对流给热系数（W∙m−2∙℃−1），𝑆o、𝑆𝑖——内管外壁、内壁传热面积（m2）。(𝑇−𝑇w)𝑚=𝑇−𝑇wln𝑇−ln𝑇w，(𝑡w−𝑡)𝑚=𝑡w−𝑡ln𝑡w−ln𝑡（2）𝑇——蒸汽进出口温度𝑇1、𝑇2的平均值（℃），𝑇w——内管外壁进、出口温度𝑇w1、𝑇w2的平均值（℃），𝑡——空气进、出口温度𝑡1、𝑡2的平均值（℃），𝑡w——内管内壁温度（℃）。总传热速率方程：𝑄=𝐾𝑆∆𝑡m（3）联立式（1）（2）（3）得：𝐾𝑆∆𝑡m=𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)（4）而∆𝑡m=(𝑇−𝑡1)−(𝑇−𝑡2)ln(𝑇−𝑡1)−ln(𝑇−𝑡2)=𝑡2−𝑡1ln(𝑇−𝑡1)−ln(𝑇−𝑡2)（5）实验中内管为传热性很好的紫铜管，管壁薄，有：𝐾−1=𝛼𝑖−1+𝛼o−1且𝛼o≫𝛼𝑖，∴𝛼𝑖−1≫𝛼o−1，𝐾≈𝛼𝑖（6）𝛼𝑖为空气的传热膜系数。联立（1）（2）（3）（4）（5）（6）得：𝐾=𝛼𝑖=𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)𝑆∆𝑡m=𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)𝜋𝑑𝐿∆𝑡m∆𝑡m=𝑡2−𝑡1ln(𝑇−𝑡1)−ln(𝑇−𝑡2)𝑇=𝑇1+𝑇22，𝑡m=𝑡1+𝑡22本实验光滑紫铜管内径𝑑=(20−2×1.5)mm=0.017m，𝐿=1m；螺旋紫铜管𝑑=17.8mm=0.0178m，𝐿=1m。𝑡1、𝑡2、𝑇1、𝑇2均由控制台测得，计算出对应的𝑡m后查取相应温度下的𝜌、𝐶𝑃值，𝑉由控制台测得的流量𝑉′换算得到：𝑉=𝑉′3600（m3∙s−1）空气的雷诺准数：𝑅𝑒=𝑢𝜌𝑑𝜇=𝜌𝑉𝑑𝜇𝑆横=𝜌𝑉𝑑𝜇∙𝜋𝑑24=4𝜌𝑉𝜇𝜋𝑑空气的努塞尔准数：𝑁𝑢=𝛼𝑖𝑑𝜆=𝐾𝑑𝜆=𝑑𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)𝜆𝜋𝑑𝐿∆𝑡m式中𝜇、𝜆分别为温度𝑡m下的空气粘度和导热系数，计算出𝑡m后查得。【实验装置与流程】实验装置如下图。空气由风机经孔板流量计送入套管换热器内管，水蒸气由蒸汽发生器送入玻璃套外管，套管换热器内空气与蒸汽隔着紫铜内管进行热交换，加热后的空气、冷凝水排入地沟。光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm，𝐿=1000mm；螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，𝐿=1000mm外套玻璃管：ϕ112×6mm，𝐿=1000mm1.风机；2.孔板流量计；3.调节阀；4.套管换热器；5.蒸汽发生器；6.蒸汽阀；7.冷凝水排放阀；8.蒸汽调节阀；9.冷凝水调节阀；10.不凝性气体排放阀※实验台蒸汽压力控制在10±0.5kPa【实验步骤】1.开总电源开关，打开仪表、巡检仪电源，开变频器电源，开风机，风量调到最大.2.确认蒸汽调节阀8、冷凝水调节阀9关闭后，打开冷凝水排放阀7、蒸汽阀6，将蒸汽发生器到装置管段的残留冷凝水排出，到有蒸汽从阀7排出时确认残留冷凝水排净，关阀7.3.开阀8至观察到玻璃管套内有蒸汽时关闭（必须观察到蒸汽缓缓进入管套，同时确保蒸汽压力表压力不超过0.025MPa），重复此步骤15~20min以充分预热管套，防止玻璃爆裂.4.打开阀8、阀9，调整蒸汽压力保持在10.0±0.5kPa，最高不可超过25kPa，此时有少量蒸汽从阀9排出.5.通过仪表台和调节阀3调节空气流量，记录8组不同流量下的实验数据，每次改变流量后待系统换热充分稳定后（此时数据稳定）记录.6.保持风机开启，关闭阀8以冷却管套，再关闭风机、仪表电源、巡检仪电源、蒸汽发生器.【实验数据记录与处理结果】实验数据记录表光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm，𝐿=1000mm序号𝑽′(𝐦𝟑∙𝐡−𝟏)𝑽(𝟏𝟎−𝟑𝐦𝟑∙𝐬−𝟏)𝒕𝟏(℃)𝒕𝟐(℃)𝑻𝟏(℃)𝑻𝟐(℃)𝑻𝐰𝟏(℃)𝑻𝐰𝟐(℃)1.22.46.2247.371.7102.6101.399.499.32.21.05.8347.572.5102.6101.399.499.33.18.15.0346.573.5104.4103.1101.4101.04.15.74.3645.473.5104.2104.3101.4101.05.14.44.0044.873.6104.2103.0101.4100.86.13.03.6143.873.7104.3103.0101.6100.77.11.53.1942.973.9104.2102.9101.6101.18.10.02.7841.974.1104.2102.9101.7101.1螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，𝐿=1000mm序号𝑽′(𝐦𝟑∙𝐡−𝟏)𝑽(𝟏𝟎−𝟑𝐦𝟑∙𝐬−𝟏)𝒕𝟏(℃)𝒕𝟐(℃)𝑻𝟏(℃)𝑻𝟐(℃)𝑻𝐰𝟏(℃)𝑻𝐰𝟐(℃)1.21.66.0039.373.4105.1105.6128.995.32.20.05.5640.373.7105.2105.8129.595.33.18.45.1139.773.8104.9105.4130.195.44.16.84.6739.374.1105.0105.5130.595.35.14.74.0838.374.1105.0105.6131.195.16.13.03.6137.173.9105.2105.7131.695.47.11.63.2235.573.7105.1105.8132.595.38.10.32.8634.073.5104.8105.4133.795.0数据处理：𝑇=𝑇1+𝑇22，𝑡m=𝑡1+𝑡22，𝑉=𝑉′3600（m3∙s−1）∆𝑡m=𝑡2−𝑡1ln(𝑇−𝑡1)−ln(𝑇−𝑡2)，𝐾=𝛼𝑖=𝜌𝑉𝐶𝑃(𝑡2−𝑡1)𝜋𝑑𝐿∆𝑡m𝑅𝑒=4𝜌𝑉𝜇𝜋𝑑，𝑁𝑢=𝐾𝑑𝜆实验数据结果表光滑紫铜管：ϕ20×1.5mm，𝐿=1000mm序号T(℃)tm(℃)λ(W∙m−1∙℃−1)μ(10−5Pa∙s)ρ(kg∙m−3)CP(kJ∙kg−1∙℃−1)∆tm(℃)K(W∙m−2∙℃−1)αi(W∙m−2∙℃−1)Re(104)Nu1.102.059.50.028711.9961.0601.007941.2573.6773.672.477243.622.102.060.00.028751.9981.0581.007940.6871.6571.652.315842.363.103.860.00.028751.9981.0581.007942.3264.1064.101.996037.904.104.359.50.028711.9951.0601.007943.2956.6856.681.736733.565.103.659.20.028691.9941.0611.007842.8053.9453.941.595231.966.103.758.80.028661.9921.0631.007843.1950.1750.171.443829.767.103.658.40.028631.9911.0641.007843.3245.9345.931.279727.278.103.658.00.028601.9891.0661.007843.5941.2941.291.115324.54螺旋紫铜管：ϕ17.8mm，𝐿=1000mm序号𝑇(℃)𝑡m(℃)𝜆(W∙m−1∙℃−1)𝜇(10−5Pa∙s)𝜌(kg∙m−3)𝐶𝑃(kJ∙kg−1∙℃−1)∆𝑡m(℃)𝐾(W∙m−2∙℃−1)𝛼𝑖(W∙m−2∙℃−1)𝑅𝑒(104)𝑁𝑢1.105.456.40.028481.9811.0721.007646.9584.1884.182.322552.622.105.557.00.028531.9841.0691.007746.5276.8976.892.142547.983.105.256.80.028511.9831.0701.007746.3372.5872.581.973945.324.105.356.70.028501.9831.0701.007746.3967.5467.541.802842.185.105.356.20.028461.9811.0721.007646.8460.3260.321.581937.726.105.555.50.028411.9771.0751.007647.6054.0854.081.404533.887.105.554.60.028341.9731.0781.007548.3649.4549.451.259631.068.105.153.80.028281.9691.0811.007548.7145.2045.201.123928.45根据所得两种管型的𝑁𝑢、𝑅𝑒值，用Excel软件绘制关联图线：光滑紫铜管螺旋紫铜管根据Excel的运算结果求得管型准数关联式置信度光滑紫铜管𝑁𝑢=0.0272𝑅𝑒0.730499.85%螺旋紫铜管𝑁𝑢=0.0113𝑅𝑒0.839299.88%【实验总结】同样材料，内径相差不大的直管在强制对流传热时，根据传热速率方程式𝑄=𝐾𝑆∆𝑡m，可知相同条件下，增大传热面积可以提高传热速率。螺旋槽管的结构能够明显增加单位容积的传热面积，从而在同样体积的换热器中产生更高的传热速率。【思考题】1.实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？答：①相同条件下，逆流的∆𝑡m值比并流大，相同传热系数和传热面积时，可产生更大的传热速率；②逆流时蒸汽出口温度𝑇2可降至冷流体的进口温度𝑡1，并流时𝑇2仅能降至冷流体出口温度𝑡1，即逆流比并流更高效地利用加热介质，减少浪费。2.蒸汽冷凝过程中，若存在不凝性气体，对传热有何影响？应采取什么措施？答：增加了额外的热阻，降低给热系数。应定期排放不凝性气体。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？答：冷凝水会成为额外的热阻，降低给热系数。再传热开始之前，先调整冷凝水调节阀、蒸汽进口阀，排出原先残留的冷凝水后调至冷凝水排放口处有少量蒸汽溢出。4.实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧的温度还是靠近冷流体侧的温度？为什么？答：壁温是靠近蒸汽侧的温度。蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度。5.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：无影响。