空气—蒸汽对流给热系数测定实验报告及数据、答案

化工原理实验 对流传热实验

空气—蒸汽对流给热系数测定

一、实验目的

⒈通过对空气—水蒸气光滑套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数α1的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

⒉通过对管程内部插有螺纹管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。

二、实验装置

本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。

表1 实验装置结构参数

实验内管内径di（mm） 实验内管外径do（mm） 实验外管内径Di（mm） 实验外管外径Do（mm） 总管长（紫铜内管）L（m） 测量段长度l（m） 16.00 17.92 50 52.5 1.30 1.10 1

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蒸汽温度 空气出口温度 空气入口温度 蒸汽压力

空气压力

孔板流量计测量空气流量

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；

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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

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

（1）

（2）

其中：Re?du???V?? 4?dNu? , 50℃时，空气的导热系数??0.02826W/(m.K)?Rem因此：??c? d

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

d? 3

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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） 根据热传递速率

Q＝KSΔtm 所以 KSΔtm=Vρ1cpc（t2－t1）

（4） （5）

（3）

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：

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11b1??? (6) K?1??2

式中：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，

1111??? K?1?2?1 （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

Re?du?1???dV?1d2???V?1d? (8)

44?dKdV?1cpc(t2?t1)dNu??? (9)

???S?tm式中：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=0．0178 m，l=1．327m。 5．空气流量和密度的计算

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?1?1.29273 (10)101330273?t?Pp 空气密度ρ1可按理想气体计算： 式中：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

V1?C0R?1

（11）

式中：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t1（℃）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。

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（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t1、t2（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

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1.给热系数K的计算 1 2 空气进口处密度ρ Kg/m3 1.209 1.208 空气质量流量m2 Kg/s 0.0019 0.0024 空气流速 u m/s 7.98 10.09 空气定性温度t平均 ℃ 41.7 42.05 定性温度下的空气密度ρ’Kg/m3 1.213 1.12 冷、热流体间的对数平均温差△tm℃ 58.5 57.91 总给热系数K w/㎡·℃ 29.84 37.42 序号 3 1.206 0.003 12.37 42.4 1.119 57.63 47.1 4 5 6 7 1.204 1.202 1.197 1.192 0.0035 0.0041 0.0046 0.005 14.56 17 19.21 21.01 42.75 43.4 44.25 45.25 1.118 1.115 1.112 1.108 57.42 56.74 55.85 46.08 54.79 64.81 73.38 95.36

2..α2理论值的计算 序号 对流给热系数α2 w/㎡·℃ 空气黏度μ（×10∧-5Pa·s） 空气导热系数λ W/m·K 1 29.84 1.922 2 37.42 1.924 3 47.1 1.925 0.0278 4 54.79 1.925 0.0278 5 64.81 1.93 0.0278 6 73.38 1.934 0.0275 7 95.36 1.939 0.028 0.0273 0.0277 雷诺数 Re 普兰特数 Pr 努赛尔数 Nu α2理论值 α2’ w/㎡·℃ 努赛尔数理论值 Nu' 8058.056 9397.755 11505.064 13529.833 15713.99 17672.405 19209.413 0.7076 0.6981 17.49 45.54 26.69 21.61 52.01 30.04 0.7 23.72 61.44 35.36 0.7 31.53 69.93 40.25 0.697 37.3 78.78 45.29 0.7069 42.69 86.01 50.04 0.6966 54.49 92.96 53.16

3.α2理论值与实验值比较 序号 1 α2理论值 45.54 α2实验值 29.84 α2相对误差 0.3448 2 3 4 5 6 7 52.01 61.44 69.93 78.78 86.01 92.96 37.42 47.1 54.79 64.81 73.38 95.36 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。

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序号 1 2 3.22 9.15 3 4 5 6 7 4.12 9.86 ln(Nu/Pr0.4) 3 ln(Re) 8.99 3.31 3.59 3.76 3.89 9.35 9.51 9.66 9.78

冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr=APr0.4m ln(Nu/Pr0.4)=lnA+m ln(Re) lnA=-7.9273 ，A=0.0256 m=1.2124 另附上原始实验数据： 9 序号 空气 蒸汽 化工原理实验 对流传热实验

流量（m3/h） 5.27 7.30 8.95 10.60 12.30 13.90 15.20 进口温度（℃） 19.20 19.50 19.80 20.30 21.00 22.00 23.30 出口温度（℃） 64.20 64.60 65.00 65.20 65.80 66.50 67.20 进口温度（℃） 103.10 102.90 103.00 103.10 103.10 103.10 102.90 出口温度（℃） 103.00 102.80 102.90 103.00 103.00 102.90 102.90 1 2 3 4 5 6 7

4、对实验结果进行分析与讨论。

从图像中线性回归方程的相关系数来看，实验数据结果不是很准确，特别是螺纹管。产生误差的来源很多，读数不稳定 、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热流量值下降等都使结果有一定的偏差。而且在处理数据时，采用很多近似处理，而实际实验时很多的条件并不稳定。在实验过程中采用改变空气流量来调节，但是在改变空气流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气出口温度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气出口温度才会稳定，而我们测定的温度一定要是这个稳定的温度，所以在测定中没有经过足够长的时间导致测定的温度不是稳定的温度，所以实验时要注意等待五到十分钟待数据比较稳定时，这样实验结果就比较准确。

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八、思考题

（1）影响传热膜系数的因素有哪些？

答：膜的厚度，液体的物性，以及压力温度。还有材料的分子结构及其化学成份、材料重度、材料湿度状况和温度状况。

（2）在蒸气冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么影响？应该采取什么措施？

答：对换热系数影响很大，一般想办法除去，比如溴化锂吸收式制冷机均陪伴真空泵，其作用就是及时排除系统内的不凝性气体。1）会由于空气中含有水分造成冰堵。冰堵不单使制冷效率下降。而且会导致系统停机。压力不断降低，还会损坏压缩机。2）空气混入压缩腔，由于空气中含有不凝性气体，如氮气。这些不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。3）并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。

（3）蒸气冷凝后，将产生冷凝水，如冷凝水不能放出，累积后淹埋加热铜管，你认为将会有什么影响？应该采取什么措施？

答:1）会由于空气中含有水分造成冰堵。冰堵不单使制冷效率下降。而且会导致系统停机。压力不断降低，还会损坏压缩机。2）空气混入压缩腔，由于空气中含有不凝性气体，如氮气。这些不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。3）并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。

（4）本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸气侧的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？

答：壁面温度是靠近蒸汽温度。应为壁面温度接近于对流传热系数大的一侧的温度，

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而在实验过程中是以

1111???，所以?1??2，所以壁面温度接近于蒸汽温度。 K?1?2?1（5）在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？

答：空气和蒸汽的流向，冷凝水不及时排走，蒸汽冷凝过程中，存在不冷凝气体，对传热的有影响等。

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