空气-蒸汽给热系数测定实验

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1、1 空气蒸汽给热系数测定一、实验目的1.1 、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。 1.2 、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁的冷凝现象。1.3 、理解强化传热对传热系数的影响。 1.4 、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。二、基本原理在工业生产过程中，冷、热流体普遍地系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式 换热。如图 (41)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所组成。式中： Q 传热量， J / s；m 1 热流体的质量流率， kg / s；c p1 热

2、流体的比热，J / (kg )；T 1 热流体的进口温度，；T 2 热流体的出口温度，；m 2 冷流体的质量流率，kg / s ；c p2 冷流体的比热，J / (kg )；t 1 冷流体的进口温度，；t 2 冷流体的出口温度，； 1 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )；A 1 热流体侧的对流传热面积，m2 ； 热流体与固体壁面的对数平均温差，； 2 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )； A 2 冷流体侧的对流传热面m2 ； 固体壁面与冷流体的对数平均温差，；K 以传热面积 A为基准的总给热系数，W / (m2 )； tm 冷热流体的对数平均温差，；热流体与固体

3、壁面的对数平均温差可由式（43）计算，2 式中： t W1 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，；t W2 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，。冷、热流体间的对数平均温差可由式（44）计算，当在套管式换热器中，环隙通以水蒸气， 内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时， 则由式（ 41）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，实验中测定紫铜管的壁温t w1、tw2；冷空气或水的进出口温度t 1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d 2，和冷流体的质量流量，即可计算 2 然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相

4、对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁 面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。由式（ 41）得，实验测定、下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计 算得总给热系数K。 下面通过两种方法来求对流给热系数。2.1近似法求算对流给热系数 2 以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，式中： d 1 换热管外径，m；d 2 换热管内径，m；d m 换热管的对数平均直径，m；b 换热管的壁厚，m； 换热管材料的导热系数，W / (m )；用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百W/.m2K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1 可达 104W

5、/.m2K左右，因此冷凝传热热阻可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8W/.m2K，壁厚为 2.5mm，因此换热管壁的导热热阻也可忽略。若换热管内侧的污垢热阻Rs2 也忽略不计，则由式（47）得，3 由此可见， 被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的总传热系数准确性就越 高。2.2用传热准数式求算对流给热系数2对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0104 1.2105 ,Pr0.7 120，管长与管内径之比l/d60,则传热准数经验式为，式中： Nu努塞尔准数，无因

6、次；Re雷诺数，无因次；Pr普兰特数，无因次；当流体被加热时n0.4，流体被冷却时n0.3； 流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ) ；d 换热管内径，m； 流体的导热系数，W / (m )；u 流体在管内流动的平均速度，m / s； 流体的密度， kg / m3 ； 流体的粘度，Pa s；c p 流体的比热，J / (kg ) 。对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（49）改写为则式（ 47）可写为，当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（4 14）计算所得的C值为一常数。管内径d 2 一定时， m也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的，由式（44）、（ 4 6）、（

7、 412）、（413）求取一系列X、Y值，再在 X Y图上作图或将所得的X、Y值回归成一直线，该直线的斜率 即为 m。任一冷流体流量下的给热系数 2可用下式求得，2.3冷流体质量流量的测定lNupc PrduRe4 2.3.1 若用转子流量计测定冷空气的流量，还须用下式换算得到实际的流量，式中：V 实际被测流体的体积流量，m3 / s； 实际被测流体的密度，kg / m3 ；均可取下对应水或空气的密度，见冷流体物性与温度的关系式；V 标定用流体的体积流量，m3 / s； 标定用流体的密度，kg / m3 ；对水 = 1000 kg / m3 ；对空气 = 1.205 kg / m3 ； f 转

8、子材料密度，kg / m3 。于是2.3.1 若用孔板流量计测冷流体的流量，则式中， V 为冷流体进口处流量计读数， 为冷流体进口温度下对应的密度。24冷流体物性与温度的关系式 在0100之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。2.4.1 空气的密度与温度的关系式： 2.4.2 空气的比热与温度的关系式：60以下 Cp1005 J / (kg ), 70以上 Cp1009 J / (kg ) 。2.4.3 空气的导热系数与温度的关系式：2.4.4 空气的黏度与温度的关系式：3、实验装置与流程31实验装置 实验装置如图4-1所示。1风机； 2孔板流量计； 3冷流体管路； 4 空气进气阀门；

9、5冷流体进口温度；6惰性气体排空 阀； 7蒸汽温度； 8视镜； 9 冷流体出口温度；10压力表； 11 冷凝水排空阀；12蒸汽进口 阀；13冷凝水排空阀；14蒸汽进口管路；15冷流体出口管路；5 图4-1 空气 -水蒸气换热流程图 来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热 交换，冷凝水排出装置外。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交 换后排出装置外。32设备与仪表规格 3.2.1 紫铜管规格：直径212.5mm，长度 L=1000mm 3.2.2 紫铜管规格：直径212.5mm，长度 L=1000mm ，带强化管 3.2.

10、3 外套不锈钢管规格：直径1005mm，长度 L=1000mm 3.2.4 铂热电阻及无纸记录仪温度显示 3.2.5 全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表四、实验步骤与注意事项41实验步骤 4.1.1、打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否 正常。 4.1.2、在蒸汽发生器中灌装清水，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压 力后，系统会自动处于保温状态。4.1.3、打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里 充有一定量的空气。4.1.4、打开冷凝水出口阀，排出上次实验残留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度

11、。注 意开度适中， 开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导 致不锈钢管炸裂。4.1.5、在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水 的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的 排冷凝水阀门，通过蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时，说明管道中残余的冷凝水已 经排除干净，则关闭冷凝水排除阀，进行下一步实验。4.1.6、通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使 系统由 “ 冷态 ” 逐渐转变为 “ 热态 ” ，此过程不得少于10分钟，

12、防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而 爆裂。4.1.7、上述准备工作结束，系统已处于“ 热态 ” 。通过调节蒸汽进口阀和冷凝水排空阀开度使蒸汽 进口压力维持在0. 01MPa。4.1.8、向其中的一根管路通入空气，可通过组态软件或者仪表，调节风机转速来改变冷流体的流 量，在每个流量下，必须等热交换过程稳定后方可记录实验数值。改变流量，记录不同流量下的实验 数值，记录 68组实验数据。 4.1.9、然后向另一根紫铜管通入空气，重复操作步骤8，测量另一根管的传热系数。 4.1.10、实验结束，先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭 风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出

13、口阀，关闭总电源。待蒸汽发生器内的水冷却后将发生器内的残余水排尽。42注意事项 4.2.1、开冷凝水排空阀时要注意开度适中，开得太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换 热不锈钢管里的蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。4.2.2、一定要在套管换热器内管先通空气，且已排除蒸汽管线上原先积存的冷凝水后，方可开启 蒸汽阀门，将蒸汽通入套管换热器中。4.2.3、刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热， 使系统由 “ 冷态 ” 逐渐转变为 “ 热态 ” ，此过程不得少于10分钟，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆 裂。4.2.4、操作过程中，蒸汽压力必须控制在0.0

14、2MPa（表压）以下，以免造成损坏装置。4.2.5、必须是在稳定传热状态下才能记录实验数据。 4.2.6、随时注意蒸汽量和蒸汽压力的稳定。五. 实验数据记录6 5.1 管 1 空气水蒸气序号V/流量 m3/h t1/ 进口温度t2/ 出口温度T1/ 进口T2/ 出口1 1.8 27.3 91.0 102.4 102.0 2 2.8 27.4 93.5 102.1 101.9 3 3.8 28.1 94.0 102.2 102.1 4 4.8 29.0 94.2 102.0 101.8 5 5.8 29.9 94.3 101.7 101.6 6 6.8 31.4 94.4 101.4 101.4

15、 7 7.8 33.1 95.5 102.8 102.8 8 8.5 35.5 95.2 102.0 102.0 5.2、管2空气水蒸气序号V流量 m3/h t1/ 进口温度t2/ 出口温度T1/ 进口T2/ 出口1 2.8 30.5 81.2 102.7 102.6 2 4.3 30.0 81.6 102.6 102.6 3 5.9 29.9 80.7 102.1 102.1 4 7.5 30.1 79.9 101.9 101.7 5 9.0 30.7 79.1 101.8 101.7 6 10.5 31.9 78.8 101.8 101.7 7 12.0 33.5 78.7 101.7 101.6 8 13.4 35.5 78.4 101.4 101.3 六、实验数据处理7 6.1、计算两根管路的冷流体给热系数的实验值答：用近似法求算冷流体给热系数由 第一根管的第一组数据处理如下：则sm/kg3.270.1)2916.13.275.4(103600103.2710-4132526015.59)0.913.27( 21)21( 21ttt平均则Cp 1100 J / (kg ) 67.330.914.1023.270.102ln)0.914.102()3.270.102(ln)()(12211221mtTtTtTtTtm1026225.0010001