实验7空气-蒸汽对流给热系数的测定.doc

实验7. 空气－蒸汽对流给热系数的测定 一、实验目的 1.熟悉传热过程及间壁式换热器的结构，掌握热电阻的测温方法； 2.观察蒸汽在水平冷凝管外壁上的冷凝现象，测定对流给热系数h； 3.测定努塞尔数与雷诺数之间的关系，并确定它们的关联式； 4.了解强化传热的途径，分析热交换过程的影响因素。 二、基本原理 工业生产中冷流体和热流体常通过固体壁面进行热量交换，此种换热方式称为间壁式传热。间壁式传热过程是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过程组成，间壁式传热过程如图2—10所示。 当传热过程达到稳定时，它们有如下关系： 图2—10 间壁式传热过程示意图 （2—45） 式中：—传热速率，W； qm1、qm2 —冷、热流体的质量流量，； cp1、cp2 —冷、热流体的比热容，； T1 、T2—热流体的进出口温度，K； t1、t2 —冷流体的进出口的度，K； A 1、A 2—冷、热流体侧的对流传热面积，m2； —冷、热流体与固体壁面的对流给热系数，； 、—冷、热流体与固体壁面的对数平均温度差，K； K—总传热系数，； A—传热面积，m2； —对数平均温度差，K； 热流体与固体壁面的对数平均温差可由下式计算 （2－46） 式中：—热流体进出口处热流体侧壁面的温度，K。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由下式求得 （2－47） 式中：—冷流体进出口处冷流体侧壁面的温度，K； 冷热流体间的对数平均温度差可由下式计算 （2—48） 在套管式换热器中，由于水蒸气通过套管的环隙，冷空气或水通过内管间，测定对流给热系数时，由式（2—45）可得内管内壁面与冷空气或水的对流给热系数 （2—49） 实验中，要测定内管的壁温tw1和tw2，冷空气或水的进出口温度t1和t2；实验用套管的长度l，内径d1，换热面积，冷流体的质量流量及比热容，即可求得对流给热系数h1。欲要直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度难度很大，且所测得的数据准确性差，实验误差也较大。因此，常通过测出冷热流体的进出口温度来间接推算出流体与固体壁面的对流给热系数，相对容易一些。由式（2—45）变形得总传热系数 （2—50） 实验中要测定、，并查取下冷流体对应的比热容，计算出换热面积A，可由式（2—50）计算出总传热系数K。 1．对流给热系数的求算 以管内壁面积为基准的总传热系数与对流给热系数间的关系为 （2—51） 式中：—换热管的内径、外径和对数平均直径，m； —换热管内侧、外侧的污垢热阻，； b—换热管的壁厚，m； —换热管的导热系数，。 该实验装置的换热管为紫铜管，管内冷流体与管壁的对流给热系数在几十到几百之间；管外蒸汽的冷凝给热系数在104以上，换热管的壁厚为2.5mm，导热系数为383.8，，因此，在传热过程中，冷凝传热热阻（）、换热管内外两侧垢层的热阻（），以及换热管壁的热阻（）非常小，均可忽略。故冷流体的对流给热系数接近于总传热系数，式（2—51）可简化为： （2—52） 2．特征数关联式的确定 当热空气在圆形直管中作强制湍流流动时，对流传热系数的准数关联式可表示为 （2—53） 式中： 努赛尔数，无因次；雷诺数，无因次；普兰特，无因次。 空气的努塞尔数受给热系数大小的影响，雷诺数又受空气在管内流速的影响，系数A与指数和则需要由实验确定。气体在很高温度和一定压力下，普兰特数基本上不随温度而变，可近似认为它是一个常数，通常取，因此，对式（2—53）取对数后可变形为 （2—54） 根据实验所测数据，查物性数据并计算，可求出不同流量下的Nu和Re，然后用线性回归方法确定关联式中常数A、的值。 3．冷流体质量流量的求算 若用转子流量计测定空气的体积流量，用下式计算： （2—55） 式中：—标定用流体和实际被测流体的体积流量，； —标定用流体、转子和实际被测流体的密度，。 实际被测流体的密度取冷流体进出口平均温度下的密度，标定流体用水取10