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1、实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 1实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 一、实验原理一、实验原理n1 1、对流传热过程分析、对流传热过程分析n 对流传热（对流给热）对流传热（对流给热）是指流体中质点发生相对位移而是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换。引起的热交换。对流传热仅发生在流体中，与流体的流动对流传热仅发生在流体中，与流体的流动状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共状况密切相关。实质上对流传热是流体的对流与热传导共同作用的结果。同作用的结果。工业生产中大量遇到的是流体流过固体表工业生产中大量遇到的是流体流过固体表面时与固体表面间发生的热量
2、交换。这一过程称为对流给面时与固体表面间发生的热量交换。这一过程称为对流给热。热。2一、实验原理一、实验原理热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递过程3一、实验原理一、实验原理n2 2、对流传热过程的数学描述、对流传热过程的数学描述n流体被冷却时，n流体被加热时n上两式称为牛牛顿冷冷却却定定律律。它并非理论推导的结果，它只是一种推论，是一个实验定律，假设Qt。对流传热是一个非常复杂的物理过程，实际上由于有效膜厚度难以测定，牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未
3、简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了当中复杂问题简单化表示。4一、实验原理一、实验原理n影响因素：影响因素：（1 1）间壁传热由对流）间壁传热由对流传热传热导热导热对流对流传热三传热三 个过程组成。个过程组成。（2 2）同一管壁界面上的温度以折线表示，且逐）同一管壁界面上的温度以折线表示，且逐 步下降，其层流内层热阻最大，因而温降步下降，其层流内层热阻最大，因而温降 也最大。也最大。（3 3）对流传热是由层流内层的导热和层流外层）对流传热是由层流内层的导热和层流外层 的流体质点作的流体质点作相对位移相对位移和和传热混合传热混合的统称。的统称。（4 4）为简化处理，对流传热作为通过厚
4、度）为简化处理，对流传热作为通过厚度 的的 传热边界层的导热处理。必须指出是不存传热边界层的导热处理。必须指出是不存 在的，为了处理问题而假设的。在的，为了处理问题而假设的。5一、实验原理一、实验原理3、影响对流传热系数的因素（1 1） 引起流动的原因 自然对流： 强制对流：（2 2） 流体的物性 影响较大的物性有：，cp。（3 3） 流动型态层流：流体中主要依靠热传导的方式传热。由于流体的导热系数比金属的导热系数小小小小得多，所以热热阻大阻大阻大阻大。 湍流：质点充分混合且层流底层变薄，较较较较大大大大；但ReRe动力消耗大。6一、实验原理一、实验原理（4）传热面的形状、大小和位置 不同的壁
5、面形状、尺寸影响流型；会造成边界层分离，产生旋涡，增加湍动，使增大。 （1）形状形状形状形状：比如管、板、管束等； （2）大小大小大小大小：比如管径和管长等；D/L越小，湍动程度越小 （3）位置位置位置位置：比如管子得排列方式 对于一种类型的传热面常用一个对对流传热系数有决定性影响的特性尺寸L来表示其大小。（5）是否发生相变 主要有蒸汽冷凝和液体沸腾。一般情况下，有相变化时对流传热系数较大。 7一、实验原理一、实验原理4 4、获得给热系数的方法、获得给热系数的方法 解解析析法法：对所所考考察察的的流流场建建立立动量量传递、热量量传递的的衡衡算算方方程程和和速速率率方方程程，在在少少数数简单的的
6、情情况况下下可可以以联立立求求解解流流场的的温温度度分分布布和和壁壁面面热流流密密度度，然然后后将将所所得得结果果改改写写成成牛牛顿冷冷却却定定律律的的形形式式，获得得给热系系数数的的理理论计算算式式。这是是对流流给热过程程的的解解析解。析解。这是一个复是一个复杂的的过程，一般用于理程，一般用于理论讨论。 数数学学模模型型法法：对给热过程程作作出出简化化的的物物理理模模型型和和数数学学描描述述，用用实验检验或修正模型，确定模型参数。或修正模型，确定模型参数。 因因次次分分析析法法：将将影影响响给热的的因因素素无无因因次次化化，通通过实验决决定定无无因因次次准准数数之之间的的关关系系。这是是理理
7、论指指导下下的的实验研研究究方方法法，在在对流流给热中广中广为使用。使用。 实验法法：对少数复少数复杂的的对流流给热过程适用。程适用。8一、实验原理一、实验原理5、对流传热系数经验关联式的建立、对流传热系数经验关联式的建立 由于对流传热本身是一个非常复杂的物理问题，现在用牛顿冷却定律把复杂问题简单表示，把复杂问题转到计算对流传热系数上面。所以，对流传热系数大小的确定成为了一个复杂问题，其影响因素非常多。目前还不能对对流传热系数从理论上来推导它的计算式，只能通过实验得到其经验关联式。9一、实验原理一、实验原理 因次分析法nf(u，l，cp，g，t)n 基本因次，共4 4个，长度L L，时间T T
8、，质量M M，温度tn 变量总数：共8 8个n 因次分析之后，所得准数关联式中共有4 4个无因次数群 （由定理 8-4 = 4 ）n 因次分析结果如下：1011实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 5 5、对流传热系数、对流传热系数 的实验测定的实验测定 在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热在套管换热器中，环隙中通水蒸汽，内管管内通空气，水蒸冷凝放热加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数加热空气，当传热达到稳定之后空气侧对流传热系数 i与总传热系数与总传热系数K 有以下关系：有以下关系：若若一一侧侧的的对对流流传传热热系系数数远远小小于于另另一一侧
9、侧的的对对流流传传热热系系数数时时，如如 ，则则 。说说明明很很大大的的对对流流传传热热系系数数对对K K值值得得影影响响很很小小，K K 值值接接近近小小的的对对流流传传热热系系数数值值。换换句句话话说说，总总热热阻阻由由热热阻阻大大的的那那一一侧侧的的对流传热系数所决定。对流传热系数所决定。12实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 (1)(1)对流传热系数对流传热系数 的计算的计算根据传热速率方程和热量衡算式有如下关系 通过上式计算出实测值i。可以利用已知的i，整理出不同流速下的Nu准数与Re准数之间的函数关系，也就是确定出式中的C和和。13实验五实验五 对流传热系数的测定对
10、流传热系数的测定 （2）Re与与Nu的计算的计算（3）流量的测量和密度的计算）流量的测量和密度的计算14实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 二、二、实验内容内容测定不同空气流量下空气和水蒸汽在套管换热器中的进、出口温度，求得空气在管内的对流传热系数。 15实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 三、实验目的三、实验目的n1掌握对流传热系数的测定方法。n2测定空气在圆形直管内(或螺旋槽管内)的强制对流传热系数，并把数据整理成准数关联式，以检验通用的对流传热准数关联式。n3.了解对流传热系数的影响因素和强化传热的 途径。 16实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数
11、的测定 四、测量参数四、测量参数n流量流量n压强压强n温度温度n管子尺寸管子尺寸17实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 五、实验所需仪器设备五、实验所需仪器设备（1）套管换热器：光滑管：螺旋槽管：（2）风机型号：D24型微音气泵；（3）铜电阻：Cu50型；（4）蒸汽发生器；（5）流量计；（6）压差计。18六、实验流程图六、实验流程图 1蒸汽发生器 2压力表 3安全阀 4套管换热器 5放气阀 6压力表7转子流量计 8旁通阀 9风机 10冷凝水放水阀 11冷凝水收集罐 p p 1 12 23 34 46 65 57 78 89 91010111119六、实验流程图六、实验流程图20
12、实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 七、实验操作七、实验操作1. 实验前准备工作实验前准备工作(1).给温控仪设定适当温度，加热；(2).待蒸汽发生器内温度接近设定温度时，打开蒸汽阀门，使蒸汽进入套管环隙，并打开放气阀排除不凝性气体。微开排液阀，以便冷凝水及时排除。21实验五实验五 对流传热系数的测定对流传热系数的测定 2、实验操作、实验操作1等温度稳定后，打开空气旁通阀，开启风机，调节阀门使流量到指定刻度，待稳定后，记录数据2改变空气流量，稳定后，读取数据。注意注意: 实验过程中应及时排除不凝性气体和冷凝水。但在排放过程中，尽量不要影响实验操作的稳定性。223、实验结束、实验结束 （1）实验结束后，先关闭空气调节阀后关闭风机，最后关闭总电源开关。 （2）读大气压力计值，记录操作条件下大气压强值。23八、思考题八、思考题1实验过程中，蒸汽温度改变对实验结果有什么影响？如何保持蒸汽温度恒定？2本实验中，空气与蒸汽流径能否改变？这样安排的优点是什么？3实验过程中，如何判断传热达到稳定？4.蒸汽冷凝过程中不凝性气体存在对实验结果会有什么影响？应采取什么措施解决？24
