空气-蒸汽给热系数测定实验指导

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1、空气一蒸汽给热系数测定一.实验目的1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。3、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，大量情况下，冷、热流体系通过固体琏而(传热元件)进行热量交换，称为间琏式换热。如图(4-1)所示，间琏式传热过程山热流体对固体舉而的对流传热，固体壁血的热传导和H体瞬血对冷流体的对流传热所组成。图41间壁式传热过稈示意H达到传热稳定时，有Q=®Cpi(7；-T2)=m2cp2(t2-fJ(4-1)=KAM式

2、中:Q—传热量,J/s；—热流体的质量流率，kg/s；一热流体的比热,J/(kg-°C)；7一热流体的进口温度，°C；T2—热流体的出口温度，°C；加2—冷流体的质量流率，kg/s；Cp2—冷流体的比热,J/(kg・°C)；h—冷流体的进口温度，°C；(2—冷流体的出口温度，°C；G—热流体与固体壁而的对流传热系数，W/(m2.°C)；力］—热流体侧的对流传热血积，m3(T-Tw-热流体与固体壁面的对数平均温差，°C；a2—冷流体与固体舉而的对流传热系数，W/(m2-°C)；A2—冷流体侧的对流传热而积，m'；(o-rl-固体壁面与冷流体的对数平均温差，°C

3、；K-以传热而积A为基准的总给热系数，W/(m2.°C)；Atm-冷热流体的对数平均温差，°C；热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(4—2)计算,(4-2)(片讥)-(匚-几2)式中：Twl—冷流体进口处热流体侧的壁面温度，°C；tW2—冷流体出口处热流体侧的壁面温度，°C。固体壁而与冷流体的对数平均温差可山式(4—3)计算,W2~(2(4-3)式中:twi一冷流休进口处冷流休侧的壁血温度，°C；如2—冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，°C。热、冷流体间的对数平均温差可由式(4—4)计算,At二(T]_(2)_(丁2_lj(4-4)当在套管式间壁换热器中，环隙

4、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(4-1)得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，叫Cp2«271)人2(心-Jw(4-5)实验中测定紫铜管的壁温/丽、rw2;冷空气或水的进出口温度八、t2；实验用紫铜管的长度/、内径d2,A2=7Td2l,和冷流体的质量流量，即可计算如。然而，直接测量固体壁而的温度，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，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁血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(4—1)得,(4—6)

5、实验测定加2、d(2、珀、T"并查取r平均=丄G+g)下冷流体对应的52、换热而积A,即可由上式计算得总给热系数K。卜•血通过两种方法来求对流给热系数。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,(4-7)丄+/?门+处+/?和佥+旦-5一见心axdx式中：di—换热管外径，m：d2—换热管内径,m；dm一换热管的对数平均立径，m；b-换热管的壁厚，m；X—换热管材料的导热系数，W/(m-°C)；Rs]-换热管外侧的污垢热阻，m2•K/W:RS2—换热管内侧的污垢热阻，m2•K/Wo用木装置进行实验时，管內冷流体与管壁

6、间的对流给热系数约为儿十到儿百W/mK；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数⑦可达-104W/m2.K左右，因此冷凝传热热阻厶可忽略，同时蒸汽冷凝□a较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻RS]也可忽略。实验中的传热元件材料采川紫铜，导热系数'd为383.8W/加・K,壁厚为2.5mm,因此换热管壁的导热热阻处可忽略。若换热管内侧的污垢热阻/?$2也忽略不计，则山式(4一7)得，a、hK(4—8)山此可见，被忽略的传热热阻为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。1.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

7、内：Re=1.0XI04〜1.2X105,Pr=0.7〜120,管长与管内径之比l/d260,则传热准数经验式为，Nu=O.O23Re08Prn(4-9)式屮：Nu—努塞尔数，Nu=—,无因次；九Re—雷诺数，Re=^,无因次；Pr—普兰特数，Pr=^,无因次；九当流体被加热时n=0・4,流体被冷却时n=0・3；a一流体与固体壁而的对流传热系数，W/(m2-°C)；d—换热管内径，m；九一流体的导热系数，W/(m・°C)；u-流体在管内流动的平均速度，m/s；p—流体的密度，kg/M-流体的粘度，Pa-s；Cp一流体的比热，J/(kg・°C)。对于水或空气在管

8、内强制对流被加热时，可将式(4-9)改