空气蒸汽对流给热系数测定实验报告和数据答案解析Word文档下载推荐.docx
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图1
空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1—光滑套管换热器;
2—螺纹管的强化套管换热器;
3—蒸汽发生器;
4—旋涡气泵;
5—旁路调节阀;
6—孔板流量计;
7、8、9—空气支路控制阀;
10、11—蒸汽支路控制阀;
12、13—蒸汽放空口;
15—放水口;
14—液位计;
16—加水口;
三、实验内容
1、光滑管
①测定6~8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。
2、波纹管
①测定6~8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归,求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。
四、实验原理
1.准数关联
影响对流传热的因素很多,根据因次分析得到的对流传热的准数关联为:
Nu=CRemPrnGrl
(1)
式中C、m、n、l为待定参数。
参加传热的流体、流态及温度等不同,待定参数不同。
目前,只能通过实验来确定特定范围的参数。
本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数。
因此,可以忽略自然对流对传热膜系数的影响,则Gr为常数。
在温度变化不太大的情况下,Pr可视为常数。
所以,准数关联式
(1)可写成
Nu=CRem
(2)
待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后,对式
(2)取对数,回归求得直线斜率和截距。
2.传热量计算
努塞尔数Nu或α1无法直接用实验测定,只能测定相关的参数并通过计算求得。
当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后,蒸汽将放出冷凝潜热,冷凝成水,热量通过间壁传递给套管内的空气,使空气的温度升高,空气从管的末端排出管外,传递的热量由(3)式计算。
Q=Wecpc(t2-t1)=Vρ1cpc(t2-t1)(3)
根据热传递速率
Q=KSΔtm(4)
所以KSΔtm=Vρ1cpc(t2-t1)(5)
式中:
Q——换热器的热负荷(即传热速率),kJ/s;
We——冷流体的质量流量,kg/s;
V——冷流体(空气)的体积流量,m3/s;
ρ1一冷流体(空气)的密度,kg/m3;
K——换热器总传热系数,W/(m2·
℃);
Cpc一一冷流体(空气)的平均比定压热容,kJ/(kg·
K);
S——传热面积,m2;
Δtm——蒸汽与空气的对数平均温度差,℃。
空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。
综合上面各式即可算出传热总系数K。
3.传热膜系数的计算
当传热面为平壁或者当管壁很薄时,总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为:
αl——空气在圆管中强制对流的传热膜系数,W/(m2·
α2——蒸汽冷凝时的传热膜系数,W/(m2·
℃)。
当管壁热阻可以忽略(内管为黄铜管而且壁厚b较薄,黄铜导热系数λ比较大)时,
(7)
蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数,则K≈α1。
因此,只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量,即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数K值,由此求得空气传热膜系数α1。
4.努塞尔数和雷诺数的计算
λ——空气导热系数,W/(m·
μ一空气的粘度,Pa·
s;
d——套管换热器的内管平均直径,m;
ρ1——进口温度t1时的空气密度,kg/m3。
由于热阻主要集中在空气一侧,本实验的传热面积S取管子的内表面较为合理,即
S=πdl
本装置d=0.0178m,l=1.327m。
5.空气流量和密度的计算
空气密度ρ1可按理想气体计算:
pa——当地大气压,Pa;
t——孔板流量计前空气温度,℃,可取t=t1;
空气的流量由1/4喷嘴流量计测量,合并常数后,空气的体积流量可由(11)式计算
(11)
C0——合并整理的流量系数,其值为C0=0.001233;
R——喷嘴流量计的压差计示值,mmH2O。
V1——空气的体积流量,m3/s。
五、实验操作
1.实验前的准备
(1)向电加热釜加水至液位计上端红线处。
(2)检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(3)检查普通管支路各控制阀是否已打开,保证蒸汽和空气管路的畅通。
(4)接通电源总闸,设定加热电压,启动电热锅炉开关,开始加热。
2.实验开始
(1)当蒸汽压力稳定后,启动旋涡气泵并运行一段时间,保证实验开始时空气入口温度
(℃)稳定。
(2)调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度,使孔板流量计的压差计读数为所需的空气流量值。
(3)稳定5-8分钟左右读取压差计读数,读取空气入口、出口的温度值
、
(温度测量可采用热电偶或温度计)、空气压力值p1、空气入、出口之间压力差p2、蒸汽温度值t3及压力值p3,孔板流量计读数p4。
(4)调节空气流量,重复(3)与(4)共测6-10组数据(注意:
在空气入、出口之间压力差p2最大值与最小值之间可分为6-10段)。
(5)实验过程,要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定,在蒸汽锅炉加热过程(蒸汽温度或压力变化较大)不要记录数据。
3.实验结束
(1)关闭加热器开关。
(2)过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3)切断总电源。
六、实验注意事项
1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。
特别是每个实验结束后,进行下一实验之前,如果发现水位过低,应及时补给水量。
2、必须保证蒸汽上升管线的畅通。
在转换支路时,应先开启需要的支路阀,再关闭另一侧,且开启和关闭控制阀必须缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3、必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前,三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀(见图1所示)必须全开。
在转换支路时,应先关闭风机电源,然后开启和关闭控制阀。
4、调节流量后,应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。
5、套管换热器中积累的热水要及时放掉,以免影响蒸汽传热。
七、实验记录及数据处理
1.给热系数K的计算
序号
1
2
3
4
5
6
7
空气进口处密度ρKg/m³
1.209
1.208
1.206
1.204
1.202
1.197
1.192
空气质量流量m2Kg/s
0.0019
0.0024
0.003
0.0035
0.0041
0.0046
0.005
空气流速um/s
7.98
10.09
12.37
14.56
17
19.21
21.01
空气定性温度t平均℃
41.7
42.05
42.4
42.75
43.4
44.25
45.25
定性温度下的空气密度ρ’Kg/m³
1.213
1.12
1.119
1.118
1.115
1.112
1.108
冷、热流体间的对数平均温差△tm℃
58.5
57.91
57.63
57.42
56.74
55.85
46.08
总给热系数Kw/㎡·
℃
29.84
37.42
47.1
54.79
64.81
73.38
95.36
2..α2理论值的计算
对流给热系数α2w/㎡·
空气黏度μ(×
10∧-5Pa·
s)
1.922
1.924
1.925
1.93
1.934
1.939
空气导热系数λW/m·
K
0.0273
0.0277
0.0278
0.0275
0.028
雷诺数Re
8058.056
9397.755
11505.064
13529.833
15713.99
17672.405
19209.413
普兰特数Pr
0.7076
0.6981
0.7
0.697
0.7069
0.6966
努赛尔数Nu
17.49
21.61
23.72
31.53
37.3
42.69
54.49
α2理论值α2’w/㎡·
45.54
52.01
61.44
69.93
78.78
86.01
92.96
努赛尔数理论值Nu'
26.69
30.04
35.36
40.25
45.29
50.04
53.16
3.α2理论值与实验值比较
α2理论值
α2实验值
α2相对误差
0.3448
0.2805
0.2334
0.2165
0.1772
0.1468
-0.0258
误差分析:
1.迪图斯-贝尔特公式有条件范围,而实验数据并非全在其适用范围内,用此公式算出的Nu’和α2’误差就可能较大。
2.实验时,等待时间不足,导致数据未稳定时就记录了。
ln(Nu/Pr0.4)
3.22
3.31
3.59
3.76
3.89
4.12
ln(Re)
8.99
9.15
9.35
9.51
9.66
9.78
9.86
冷流体给热系数的准数式:
Nu/Pr0.4=APrm
ln(Nu/Pr0.4)=lnA+mln(Re)
lnA=-7.9273,A=0.0256m=1.2124
另附上原始实验数据:
冷空气
热蒸汽
流量(m3/h)
进口温度(℃)
5.27
19.20
64.
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