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1、空气蒸汽对流传热系数测定一、实验目的1、 了解间壁式传热元件，掌握对流传热系数测定的实验方法。2、 掌握热电阻测温的方法。3、 学会对流传热系数测定的实验数据处理方法。4、 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，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(1)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。达到传热稳定时，有 （1）式中：Q 传热量，J / s；m1 热流体的质量流率，kg / s；cp1 热流体的比热，J / (kg )；T1 热流体的进口温度，；T2
2、 热流体的出口温度，；m2 冷流体的质量流率，kg / s；cp2 冷流体的比热，J / (kg )；t1 冷流体的进口温度，；t2 冷流体的出口温度，；a1 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )；A1 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，；a2 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 )；A2 冷流体侧的对流传热面积，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 )； 冷热流体的对数平均温差，；热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（42）计算， （2）式中：TW1 热流体进口处热流体侧的壁面温度
3、，；TW2 热流体出口处热流体侧的壁面温度，。固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（3）计算， （3）式中：tW1 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，；tW2 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，。热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算， （4）当在套管式间壁换热器中，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（1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数， （5）实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，；和冷流体的质量流量，即可计算a2。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
4、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（1）得， （6）实验测定、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。下面利用近似法来求对流给热系数。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， （7）式中：d1 换热管外径，m；d2 换热管内径，m；dm 换热管的对数平均直径，m； 换热管的壁厚，m；l 换热管材料的导热系数，W / (m )； 换热管外侧的污垢热阻，； 换热管内侧的污垢热阻，。用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热
5、系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达左右，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383.8，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻也忽略不计，则由式（7）得， （8） 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，此法所得的准确性就越高。冷流体质量流量的测定：（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， （17）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
6、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 转子材料密度，kg / m3。于是 (18)（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则， (19)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。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。（1）空气的密度与温度的关系式：（2）空气的比热与温度的关系式：60以下 J / (kg ), 70以上 J / (kg )。（3）空气的导热系数与温度的关系式： （4）空气的
7、黏度与温度的关系式：三、实验装置与流程1实验装置实验装置如图2所示。图2 水蒸气空气换热流程图来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。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。2设备与仪表规格（1）紫铜管规格：直径212.5mm，长度L=1000mm（2）外套玻璃管规格：直径1005mm，长度L=1000mm（4）铂热电阻及智能温度显示仪（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（一）实验步骤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，观察温度巡检
8、仪显示是否正常。2、 在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，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。3、 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开阀4，让套管换热器里充有一定量的空气。4、 打开冷凝水出口阀1，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力过大而导致玻璃管炸裂。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3，打开装置下面的
9、排冷凝水阀门2，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀2，方可进行下一步实验。6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3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”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。7、 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀3，使蒸汽进口压力维持在0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口球阀及闸阀3开度来实现。8、 手动调节冷空气进口流量时，可通过调节空气的进口阀4，改变冷流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持1
10、5分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。9、 记录68组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀3，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，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。10、 打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。 （二）注意事项1、 先打开排冷凝水的阀1，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力增大而使玻璃管炸裂。2、 一定要在套管换热器内管输以一定量的空气后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。3、 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3的开度，
11、让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。 4、 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。5、 确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。五、实验数据处理1 双击打开数据处理软件“HeatExperiment.exe”，在界面左上“设置”的下拉菜单中输入装置参数管长、管内径以及转子流量计的转子密度。（在本套装置中，管长为1m，管内径为16mm，转子流量计的转子密度为。）2 在界面右侧选择冷流体类型和流量计类型，在“数据组数”中输入本次实
12、验作得的总数据组数，并点新建实验，可得数据记录表格一张。在原始数据框中输入完各值后，点“数据计算”，再点“显示结果”，可以表格形式得到本实验所要的最终处理结果，点“显示曲线”，则可得到实验结果的曲线对比图和拟合公式。3. 数据输入错误，或明显不符合实验情况，程序会有警告对话框跳出。每次修改数据后，都应点击“修改数据”，再按2步中次序，点击“数据计算”、“显示结果”和“显示曲线”。4. 记录软件处理结果，并可作为手算处理的对照。结束，点“退出程序”。六、实验报告1、冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。2、冷流体给热系数的准数式：，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A及m。3、以为纵坐标，为横坐标，将两种方法处理实验数据的结果标绘在图上，并与教材中的经验式比较。七、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?2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。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？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对关联式有何影响？
