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对流传热系数测定实验. 对流传热概述 根据热力学第二定律,凡是存在温度差的地方就会发 生热量传递,并导致热量自发地从高温处向低温处传 递,这一过程称为热量传递过程,简称传热。 热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。 热量传递有三种基本方式:热传导、对流和热辐射。 在化工生产中传热的应用主要是两个方面:

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Παρουσίαση με θέμα: "对流传热系数测定实验. 对流传热概述 根据热力学第二定律,凡是存在温度差的地方就会发 生热量传递,并导致热量自发地从高温处向低温处传 递,这一过程称为热量传递过程,简称传热。 热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。 热量传递有三种基本方式:热传导、对流和热辐射。 在化工生产中传热的应用主要是两个方面:"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 对流传热系数测定实验

2 对流传热概述 根据热力学第二定律,凡是存在温度差的地方就会发 生热量传递,并导致热量自发地从高温处向低温处传 递,这一过程称为热量传递过程,简称传热。 热量传递过程分为稳态过程与非稳态过程两大类。 热量传递有三种基本方式:热传导、对流和热辐射。 在化工生产中传热的应用主要是两个方面: 1. 强化传热:为了使物料达到操作温度的要求进行的加 热或冷却,希望热量以所期望的速率进行传递; 2. 削弱传热:为了使物料或设备减少热量散失,而对管 道或设备进行保温或保冷。

3 对流传热的概念 在工业生产中,传热过程基本方式: 1. 直接接触式传热 2. 间壁式传热:是一种常用的换热设备,如列管 式换热器。其热流体借助于传热壁面,将热量传递 给冷流体。 3. 蓄热式传热。(图例)图例 影响换热器传热速率的参数有:传热面积、平 均温度和传热系数。

4 对流传热的概念 不同温度的流体各部分之间,或流体与固体壁 面之间作整体相对位移时所发生的热量传递过程, 称为对流传热。 影响对流传热的因素: ( 1 )流体的相态变化; ( 2 )引起流动的原因 ( 强制对流传热和自然对流传热 ) ; ( 3 )流体的流动型态 ( 层流和湍流 ) ; ( 4 )流体的物理性质 ( 包括流体的比热容、导热系数、密 度和黏度等); ( 5 )传热面的几何因素 ( 传热面的形状、大小等)。

5 对流传热分类:

6 流体流动排布型式 1. 逆流型式 2. 并流型式 3. 错流型式 4. 折流型式

7 逆流型式

8 并流型式

9 错流型式

10 折流型式

11 实验目的 1. 通过实验掌握总传热系数 K 及对流传热系数 α 的 测定方法,并分析影响因素; 2. 学习如何用实验方法求出描述过程规律的经验公 式, 并检验通用的对流传热系数的准数关联式 或 ; 3. 通过实验提高对关联式的理解,进一步了解影响 对流传热系数的因素和强化传热的途径; 4. 掌握测温热电偶的使用方法。

12 实验原理 根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及 圆筒壁的热传导方程,已知传热设备的 结构尺寸,只要测得传热速率Q以及各 有关温度,即可算出K和 α 等。

13 间壁式换热装置 对于间壁式传热过程,可以将 其看成是由下述三个传热子过程 串联而成: ( 1 )热流体与固体壁面之间的对 流传热过程; ( 2 )热量通过固体壁面的热传导 过程; ( 3 )固体壁面与冷流体之间的对 流传热过程。

14 1. 计算热负荷(热流量)Q 热量衡算方程式 : 式中: q c --- 空气的体积流量( m 3 /h ); ρ c --- 空气的密度( kg/m 3 ); C Pc --- 空气的定压比热容( J/(kg · K ))或( J/(kg · ℃ ) ); t 空气进换热器的温度( K 或℃); t 空气出换热器的温度( K 或℃)。 通过测定 q c 、 t 1 、 t 2 可计算出 Q 。

15 2. 计算总传热系数K 由传热基本方程式 得: 式中:K---基于管内表面积的总传热系数(W/(m 2 · ℃)); A---换热管内表面积(m 2 ); ∆t m ---换热器冷热流体的对数平均温差。 其中:

16 3. 计算对流传热系数 α 依据牛顿冷却定律: 式中: α c 、 α h --- 分别为冷、热流体的平均对流传热系数(W/(m 2 · ℃)); A c 、 A h - -- 分别为冷、热流体的传热面积,即与流体接触的壁面积(m 2 ); ∆t mc 、 ∆t mh - -- 分别为冷、热流体与壁面(或反之)间温差的平均值(℃)。 或 其中:

17 管内强制对流传热 当流体在圆 形直管内作 强制对流传 热时,研究 表明, Nu 与 Pr 和 Re 之间存在 如 图 3--1 所示的 关系。 图 3-1 流动状况与对流传热系数的关系

18 由图可见: 管内强制对流存在三个不同的区域: 当 Re<2300 时,流体的流动为层流状态; 当 Re>10000 时,流体的流动为完全湍流状态; 一般认为 2300

19 流体在圆形直管内 作湍流时的对流传热系数 其关联式可采用迪图斯 - 贝尔特公式描述,即 (经验式为 ) 式中: Nu--- 努塞乐特准数, Nu=α i d/λ ; Re--- 雷诺准数, Re=duρ/μ ; Pr--- 普朗特准数, Pr=C P · μ/λ ; A 、 m 、 n--- 常数。 当流体被加热时, n=0.4 ;当流体被冷却时, n=0.3 。 上式适用于流体与管壁温差不大的场合,对于气体,其温差不超过 50 ℃ ; 对于水,温差不大于 ℃ ;对于黏度随温度变化较大的油类其值不超 过 10 ℃ 。上式的其他适用的条件为: Re=1.0×10 4 ~ 1.2×10 5 , Pr=0.7 ~ 120, 管长与管内径之比 l/d≥60 。所采用的特征长度为管内径 d ,定性温度为流体 的平均温度(即管道进、出口截面平均温度的算术平均值)。

20 当温差超过推荐的温差范围或对于黏度较高的液体,由于 管壁温度与流体的主体温度不同而引起壁面附近与流体主体 处黏度相差较大,如果采用迪图斯 -- 贝尔特公式,则计算的 误差较大,因此可采用齐德 - 泰特公式进行计算,即 式中的特征长度为管内径 d ;定性温度为流体的平均温度; μ w 表示是以 管壁温度选取的流体黏度。上式适用范围: Re≥10 4 ; Pr=0.7 ~ ,管 长与管内径之比 l/d≥60 。 当液体被加热时,取 当液体被冷却时,取

21 对于短管(管长与管径之比 l/d<50 )内的强制对流 传热,由于其全部或绝大部分的管段处于热边界层尚 未充分发展的入口段。因此,在计算对流传热系数时 应进行入口效应的修正,即 式中: α 为采用上式计算的对流传热系数; α / 为流体流经短管的平均对流传热系数。

22 流体在圆形直管内 呈过渡流时的对流传热系数 管内流动处于过渡流状态,即在 2300

23 流体在圆形直管内 作层流时的对流传热系数 流体在圆形直管中作层流强制对流传热的情况比较复 杂,因为附加的自然对流往往会影响层流对流传热。只 有在小管径,且流体与管壁的温度差别不大的情况下, 即 Gr<25000 时,自然对流的影响才能忽略。 式中:除了 μ w 外,定性温度均取流体的平均温度,特征长度为管 内径 d 。 适用范围: 且管壁处于均匀壁温。

24 当 Gr>25000 时,可按上式计算对流传热系数,然 后再乘以修正系数得到

25 流体在圆形直管内 作湍流时的 A 、 m 常数的确定 流体在圆形直管内作湍流时的关联式: 即改写为 根据不同流速下测得有关数据,算出准数 Nu 、 Pr 和 Re 的值,用图解法在双对数坐标纸上作 Nu/Pr n ~ Re 关 系曲线图,即可得出 A 、 m 的值。

26 实验装置 及流程 物系: 空气(冷流体) - 蒸汽(热流 体) 测定管长度: L=1300mm , 管内径: di =18mm 管壁厚: δ=2.0mm

27 实验步骤 1. 先打开加热电源开关,待上壁温开始升温后,打开空气电 源开关,并调节转子流量计为 20 。 2. 待套管表面发热,打开套管底端法兰下的排气拷克 2 ~ 3 次, 排除不凝性气体。 3. 打开冷流体(小)系统的冷却水开关,保证冷流体进口温 度恒定。 3. 整个实验操作控制蒸汽压力恒定在 0.04Mpa 以下某一刻度, 待热流体进口温度恒定后,改变唯一操作变量即空气转子流 量计阀门开度,达到改变流速的目的。 5. 待冷流体出口温度显示值保持 5min 以上不变时方可同时采 集实验数据。 6. 实验结束时,先关加热电源,保持空气继续流动 10min , 以足够冷却壁温,保护热电偶接促正常。 7. 上机数据处理的直线相关系数要求 R≥0.93 ,否则,实验重 做。

28 实验记录及数据处理 1 、原始数据记录表 实验装置号:,d i =18mm,δ=2mm,L=1.3m No. 蒸汽 压力 MPa 蒸汽 温度 ℃ 空气 流量 m 3 /h 空气进 口温度 ℃ 空气出 口温度 ℃ 下壁温 ℃ 上壁温 ℃

29 实验记录及数据处理 2 、计算结果表 编号 QWQW Δtm℃Δtm℃ Δ t mh ℃ Δ t mc ℃ K×10 -2 W / m 2 ℃ α c ×10 -3 W / m 2 ℃ α h ×10 -2 W / m 2 ℃ R e ×10 -4 PrNu

30 数据计算过程 1. 定性温度 ,查 ρ , C p , λ , μ ; 2. 换热器流通面积: 3. 换热器换热面积: A=πdl 4. 空气流量 ( 校正值 ) : 流速:

31 数据计算过程 5. 计算热负荷(热流量)Q 6. 计算总传热系数 K 7. 计算对流给热系数 α c 、 α h 8. 计算准数值 雷诺准数: ,表征流体流动状态; 谱郞特准数: ,表征流体物性的影响; 努塞尔准数: ,描述对流给热系数的大小。 格拉斯霍夫( Gr) 准数:描述自然对流的影响(在强制 湍流时,可忽略) 。

32 实验报告要求 ( 1 )写出一组数据的计算过程,即计算示例; ( 2 )数据整理结果列成表格,在双对数坐标纸上作 Nu/Pr n ~ Re 关系曲线,并由图求出式 中的 A 、 m 值, 并与 进行比较,分析实验误差及原因; ( 3 )应用实验结果( α c 、 α h 、 K 等)说明提高总传热系 数关键措施是什么?(若 α c 》 α h , K 值接近于 α h ,整个传 热过程为热流体的传热步骤所控制;相反,若 α c 《 α h , K 值接近于 α c ,过程为冷流体对流传热步骤所控制。)

33 实验注意事项 1. 实验装置的相关仪表学生不得随便打开,以防触 电。 2. 打开加热电源开关之前,首先观察蒸发器内是否 有水,并及时补充水位至 2/3 处。 3. 实验过程要注意防止烫伤(蒸汽发生器及换热器 部位)。 4. 实验结束后,一定要注意先关加热电源开关,待 温度降至 50 ℃以下,方可关闭空气电源开关。

34 实验思考题 (1) 1. 改变空气流量后,如何使系统尽快稳定? 2. 实验中蒸汽侧的吸热量和空气侧的放热量,哪个用于估算总的传热 量更合理? 3. 当空气进口温度不变而流量减小时,空气出口温度有何变化? 4. 为提高总传热系数 K ,可采用哪些方法? 5. 本实验过程传热的阻力主要在那里? 6. 在实验过程中,出现温度不稳或偏差?如何进行排除? 7. 影响对流传热系数的主要因素有哪些?

35 实验思考题 (2) 8. 本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸汽的温度,还是接近空气侧的温 度?为什么? 9. 对于同一个换热器,若冷、热流体的流量均不变,仅改变操作方式 (逆流操作变为并流操作,或并流操作变为逆流操作),试问总传热系 数K是否发生变化? 10. 当风量调节阀关小时,流量计和计前压差计的读数将如何变化?为 什么? 11. 为什么壁温与蒸汽温度很接近,而与空气温度相差较大? 12. 当空气流速增大时,空气离开换热器的温度将升高还是降低?为什 么?


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