对流传热系数测定实验(对华理设备).ppt

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1、对流传热系数测定实验,实验指导教师：曾明荣,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。,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

2、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）,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。,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）。,对流传热分类：,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,逆流型式,并流型式

3、,错流型式,折流型式,实验目的,1.通过实验掌握总传热系数K及对流传热系数的测定方法，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。,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，只要测得传热速率以及各有关温度，即可算出和等。,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

4、；（3）固体壁面与冷流体之间的对流传热过程。,1.计算热负荷（热流量）,热量衡算方程式：,式中：qc-空气的体积流量（m3/h）；c-空气的密度（kg/m3);Pc-空气的定压比热容（J/(kgK）或（J/(kg)）；t1-空气进换热器的温度（K或）；t2-空气出换热器的温度（K或）。,通过测定qc、t1、t2可计算出Q。,2.计算总传热系数,由传热基本方程式,得：,式中：-基于管内表面积的总传热系数（W/(m2)）；A-换热管内表面积（m2）；tm-换热器冷热流体的对数平均温差。,其中：,3.计算对流传热系数,依据牛顿冷却定律：,式中：c、h-分别为冷、热流体的平均对流传热系数（W/(m2)

5、）；Ac、Ah-分别为冷、热流体的传热面积，即与流体接触的壁面积（m2）；tmc、tmh-分别为冷、热流体与壁面（或反之）间温差的平均值（）。,或,其中：,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,由图可见：,管内强制对流存在三个不同的区域：当Re10000时，流体的流动为完全湍流状态；一般认为2300Re10000区域的流动为过渡状态，在三个区域风流体的对流传热规律不同。,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

6、乐特准数，Nu=id/；Re-雷诺准数，Re=du/；Pr-普朗特准数，Pr=CP/；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20-30；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=1.01041.2105，Pr=0.7120,管长与管内径之比l/d60。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）。,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

7、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；w 表示是以管壁温度选取的流体黏度。上式适用范围：Re104；Pr=0.716700，管长与管内径之比l/d60。,当液体被加热时，取当液体被冷却时，取,对于短管（管长与管径之比l/d50）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：为采用上式计算的对流传热系数；/为流体流经短管的平均对流传热系数。,流体在圆形直管内呈过渡流时的对流传热系数,管内流动

8、处于过渡流状态，即在2300Re104的范围内，其传热情况比较复杂。在此情况下的对流传热系数可先用湍流时的经验关联式计算，然后将计算所得到的对流传热系数再乘以小于1的修正系数，即,式中：为采用湍流时的经验关联式计算的对流传热系数；/为过渡流状态下的对流传热系数。,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Gr25000时，自然对流的影响才能忽略。,式中：除了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。,当Gr

9、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,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/PrnRe关系曲线图，即可得出A、m的值。,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：=2.0mm,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23次，排除不凝性气体。3.打开冷流体（小

10、）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R0.93，否则，实验重做。,实验记录及数据处理,1、原始数据记录表实验装置号：,di=18mm,=2mm,L=1.3m,实验记录及数据处理,2、计算结果表,数据计算过程,1.定性温度，查，Cp，；2.换热器流

11、通面积：3.换热器换热面积：A=dl4.空气流量(校正值)：流速：,数据计算过程,5.计算热负荷（热流量）6.计算总传热系数K7.计算对流给热系数c、h8.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）。,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/PrnRe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（c、h、K等）说明提高总传热系数关键措施是

12、什么？（若ch，K值接近于h，整个传热过程为热流体的传热步骤所控制；相反，若ch，K值接近于c，过程为冷流体对流传热步骤所控制。）,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。,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

13、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？,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？,固定管板式管壳加热器,U型管管壳式加热器,列管式换热器,套管式水-水加热器,夹套换热器,固定管板式换热器,U形管式换热器,浮头式换热器,螺旋板式换热器,返回,