大温差管内对流换热本科毕业论文.doc

目录1管内对流换热简介11.1对流换热（convective heat transfer）的定义：11.2.1流体流动的起因11.2.2流体有无相变11.2.3流体的流动状态11.2.4换热表面的几何因素11.2.5流体的物理性质11.3对流换热现象的分类11.3.1层流11.3.2湍流11.4对流换热的特点21.5对流换热的研究方法21.5.1实验法（本实验所采用的）21.5.2数学分析解法21.5.3比拟法31.5.4数值分析解法31.6大温差管内对流的现今成果32大温差管内对流换热性能实验方案设计42.1实验方案设计42.2实验步骤43大温差管内对流换热性能实验台搭建53.1实验设备：53.1.1上海意丰电炉有限公司：管式电阻炉53.1.2电阻炉温度控制器KSL系列53.1.3温度测量软件:63.1.4热电偶：K型铠装热电偶83.1.5测试铁管103.2设备的连接方法114大温差管内对流换热性能实验过程及数据124.1实验的具体过程124.2数据的图片124.3数据的表格175大温差管内对流换热性能实验结果分析275.1对流换热的传热系数的计算275.2雷诺数的计算275.3普朗特数的计算285.4努塞尔数的计算:296总结32参考文献33致 谢34大温差管内对流换热徐亮材料与能源学院1管内对流换热简介1.1 对流换热（convective heat transfer）的定义：流体与温度不同的物体表面接触时，对流和导热联合起作用的传热。对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。换热量（牛顿冷却公式） 式中：A为接触面的面积；h为表面传热系数；为换热面A上流体与固体表面的平均温差。1.2 对流换热的影响因素：1.2.1 流体流动的起因由于流动起因的不同，对流换热可分为强制对流换热和自然对流换热两大类。强制对流换热是由于如泵，风机等外部设备提供动力所造成的，而后者通常是由于流体本身内部的密度差所引起的。本实验是属于前者，有风机提供外部动力。1.2.2 流体有无相变 无相变：流体在对流换热过程中的热量是与显热方式变化；有相变：流体在换热过程中有如沸腾或者是冷凝等形式出现，而且其相变主要是以潜热方式释放或吸收，显热只是占其中很少部分。本实验流体为空气，因此不存在相变。1.2.3 流体的流动状态1.2.4 换热表面的几何因素1.2.5 流体的物理性质1.3 对流换热现象的分类1.3.1 层流层流（Laminar flow）：流体微团沿着主流方向作有规律的分层流通，整个流场呈一簇互相平行的流线，其一般判断依据是雷诺数Re少于2300。1.3.2 湍流湍流（Turbulent flow）：流体质点做复杂无规则的运动，流体各个部分之间发生剧烈的混合，其一般判断依据是雷诺数Re大于10000是，为旺盛湍流。1.4 对流换热的特点导热与热对流同时存在的复杂热传递过程；必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差。1.5 对流换热的研究方法1.5.1 实验法（本实验所采用的）通过实验求出h与诸影响因素之间的定量关系式。实验求解法是处理工程实际中复杂的对流换热问题的重要手段，也是其他求解方法的检验标准。 实验求解法是在相似理论的指导下，对求解的问题进行相似分析，求出与问题有关的无量纲数（由相应的物理参数组成）。每个无量纲数都具有一定的物理意义。与对流换热有关的最常见的无量纲数包括：努塞尔数Nu=hl/k,式中l为特征长度,h为传热系数,k为固体的热导率。它反映换热表面的温度梯度雷诺数Revl/v，式中v和v分别为流速的特征速度和运动粘度。它反映粘性对流动的影响；格拉晓夫数 式中、g 和t分别为流体的体积膨胀系数、重力加速度和固体表面与流体之间的温度差。它反映浮升力对流动的影响普朗特数 式中cp为定压比热容；为动力粘度。它反映流体物性对流动中换热的影响。从数学上可以证明，任何物理量之间的关系都可以转换成相应的无量纲数之间的关系。因此传热系数 h与其影响因素之间的关系可以表示成Nu与其他无量纲数之间的关系:对于受迫对流换热Nuf(Re，Pr)；对于自然对流换热Nuf(Gr,Pr)。在这种关系式中，作为独立变量的数目大大减少，有利于实验数据的综合整理。在实验求解时，可以根据相似规律或改变模型尺寸，或更换流体种类进行研究。这种实验称为模化实验。1.5.2 数学分析解法利用数学分析的方法直接求解微分方程组。由于方程组很复杂，这种方法只能求解极个别非常简单的对流换热问题（如光滑钢管内层流流动时的对流换热），尚难用于求解复杂的实际问题。20世纪初，德国物理学家L.普朗特提出边界层理论。他利用边界层极薄的特性的简化微分方程组，从而建立了可以数学求解的分析理论，开拓了对流换热向理论分析方向发展的道路，计算机的应用又显著扩大了解题能力。答复的解放1.5.3 比拟法通过研究动量传递及热量传递的共性货类似特性，以建立起表面传热系数与阻力系数之间的相互关系的方法。1.5.4 数值分析解法。把微分方程组的积分求解过程变换成相应的差分方程组的代数求解过程行求解。这种解法的计算工作量非常大，但由于计算机的应用和各种新的实验技术的配合，这一方法的研究获得迅速发展，并正在形成传热学的一个新的分支数值计算传热学。1.6 大温差管内对流的现今成果大温差管内对流换热性能试验现今在国内的研究基本上是个空缺，大部分都是较小的温差。如今大温差的应用已经越来越广泛应用各个领域（载体：空气.蒸汽.油等等），因此，对其性能试验研究刻不容缓。本实验就是为弥补现今这一空缺而作。2 大温差管内对流换热性能实验方案设计2.1 实验方案设计通过管式电阻炉加热管外温度到所需温度，并使该温度在实验过程中保持不变（温度上下偏差5，因为受实验器材限制），管内则持续有导热油流动，以此进行大温差管内对流换热性能实验。实验在同一种换热介质下，在两种不同管径的钢管和四种不同的流速下，分别在管内外四个不同位置且在两种不同的炉腔温度在管外温度稳定下温度数据记录。详细情况如下：1、 换热介质：导热油；2、 两种不同管径的钢管：小管的内径：18.4（mm），大管的内径26.4（mm）；3、 四种不同流速：小管流速1：9.02（m/s），小管流速2：6.23（m/s） 大管流速1：6.03（m/s），大管流速2：4.57（m/s）；4、 四个不同的管内外位置：钢管进、出口的内壁及外壁5、 两种不同的管外温度：300，400；2.2 实验步骤1使导热油直接通过被高温电阻炉加热管道内（强制换热：有势能作用下进行），测量不同温度（大温差）下空气对流换热性能，最后总结成经验公式，以弥补现今国内大温差下的对流换热的空缺。2为保证流体（导热油）通过是的管道壁面的温度，先对电阻炉内的管道先加热，在确保到达实验要求温度是，在进行数据的采集，以确保流体从入口处都保证实在大温差的条件。3 大温差管内对流换热性能实验台搭建3.1 实验设备：3.1.1 上海意丰电炉有限公司：管式电阻炉型号sk2-6-10（http:/www.y-）用途：本系列产品规格齐全，加热元件采用电热丝，可供实验室、科研企业作金属热处理或粉末烧结时加热用。主要性能：SK2-1000/1200系列加热元件为电阻丝，最高使用温度1200。 室温升温至最高使用温度60min 控温精度5 管径从35-100，加热长度从300-1000 可制成多点控温，温度梯度按需要设定，备有各种材料的工作管供选用，可以抽真空或通气体保护技术参数：表3.1型号炉膛尺寸*L mm输入电压V功率kw升温时间min空耗功率kw外形尺寸L*W*H mm重量kgSK2-6-10100X1000220/16401.81280X390X53090图3.1管式电阻炉 型号SK2-6-103.1.2 电阻炉温度控制器KSL系列图3.2电阻炉温度控制器KSL系列3.1.3 温度测量软件:图3.3实验测温软件1系统说明 本采集系统软件部分包括三部分：模块设置、采集监视、数据处理。共16个数据采集通道。硬件部分（要另外自行购置）包括：两块热电偶数据采集模块、一块接口模块、一个电源模块。 软件系统要求： windows95/98、一个串口、鼠标操作。2安装方法A 运行安装文件setup.exe ，再按提示操作。B 安装完毕后，把当前目录下( coplot )的所有内容拷贝到所安装的目录中，如有同名文件，请选择覆盖。 C 在桌面上建立主程序（vb4018.exe）的快捷方式。3开机 开机后，在桌面上，双击主程序（vb4018.exe）的快捷方式即可进入采集系统。在画面上单击鼠标就进入功能选择菜单。4采集系统设置 在功能选择菜单上选择按钮“使用4018模块设置软件设置采集系统”即可进入采集系统的设置（dos 方式）。系统查找硬件的画面，由于我们只有两个模块，所以当地址大于2时，可按任意键终止查找。这时出现如下右画面： 表示找到两块模块。找不到或找不齐，请检查硬件接线。5热电偶类型设置 用上下键在setup菜单中选择所要设置的模块，回车选模块设置，分别可设置模块地址（0、1）、热电偶类型、采集间隔等参数， 具体的步骤，请按屏幕提示。当选择保存后，如果提示改变成功，按任意键即可返回。如不成功就要重新改。6采集通道设置 采集通道设置，最好把所有的通道打开，因为在采集记录时，并不再选择通道，它只选择记录、监视通道。如果不在本处打开采集通道，在选择记录、监视没打开的通道时将发生致命错误；7热电偶校对、修正零点校对，分别用0、22 mv电压接到模块的第一个通道。按提示作。 冷端补偿的校对、修正： 根据下图提示作，修改后运行并与标准温度对比，直到一致为止。8 其他参数设置 通信端口设置：本系统用com1口; 通信速度设置：本系统用9600 ; 最大查找采集模块数设置：本软件为16通道采集系统，有两块模块（地址分别为 0 ，1 ）， 应设置为2，之后关闭dos设置方式。9监视记录系统设置 采集通道选择记录参数设置：记录间隔设置，自动保存间隔设置，防止停电时数据记录；记录数据文件名字，建议采用 *.asc 最好小于8个字符。绘图通道选择 绘图坐标设置在绘图坐标及通道设置好以后，按开始绘图即可开始绘图绘图曲线颜色设置更新绘图，当屏幕保护时或改变绘图通道（颜色）后，绘图变化，可以按更新绘图来恢复原有曲线。3.1.4 热电偶：K型铠装热电偶铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。它可以直接测量名种生产过程中从 01200范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体表面的温度。装热电偶的工作原理是，两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端子端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。铠装热电偶的热电动势将随着测量端温度升高而增长，热电动势的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电极的长度、直径无关铠装热电偶的结构原理是，是由导体、高绝缘氧化镁、外套 1Cr18Ni9Ti不锈钢保护管，经多次一体拉制而成。铠装热电偶产品主要由接线盒、接线端子和铠装热电偶组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。 图3.4实验热电偶性能参数：3.1.5 测试铁管1：外径：26.4mm，壁厚：3.4mm， 长度：1.4m； 测试铁管2：外径：18.4mm，壁厚：3.4mm， 长度：1.4m 3.2 设备的连接方法计算机通过采集软件“计算机温度采集系统”连接到数据采集仪。数据采集仪通过5条K型铠装热电偶（分别用“1-6、“1-7”、“1-8”、“2-7”、“2-8”标志5个不同的位置，和钢管相关的地区的不同温度）与钢管产生联系。管式电阻炉则通过电阻炉温度控制器实现加热、稳定炉温等动作。钢管则穿过炉膛，一端与盛有导热油的容器连接，一端通过钢管直接把处理后的流体排入另一容器中，可避免因为增加其他实验设备而产生不必要的耗费。4 大温差管内对流换热性能实验过程及数据4.1 实验的具体过程以下实验过程步骤的描述以管内径尺寸为18.4mm的小管径不锈钢圆管在管外壁温度稳定在300及流速稳定在9.02 m/s的情况为例。其余情况的实验过程均与此一致。1利用已搭建好的实验台，选择内径为18.4mm的不锈钢圆管，并分别在圆管两端（即进、出口）的内、外壁固定好热电偶，作为记录圆管进出内外壁的温度值之用；2将安装好热电偶的圆管安装到管式电阻炉的炉膛中，并在炉膛的进出口处用保温材料将圆管与炉膛间的空隙填满，减少加热及测试过程中热量的损失，并将圆管的进口连接到蒸气发生器的出口；3接通管式电阻炉电源，开始加热电阻炉炉膛，同时接通蒸汽发生器电源，使蒸汽发生器开始工作；4在加热过程中，打开计算机软件“计算机温度采集系统”，在“选择采集通道”处选择以下5个通道“1-6”、“1-7”、“1-8”、“2-7”、“2-8”，分别作为环境、入口流体、入口外壁、出口流体、出口外壁温度的采集通道，并将主界面右下方的“最高温度坐标”设置为“300”，“最大时间（秒）”设置为“1800”；5加热一段时间后 ，将管式电阻炉的温度稳定在300，在计算机软件“计算机温度采集系统”主界面中单击“开始采集”，使计算机开始记录各温度值，然后在“绘图通道选择”面板处选择通道“1-6”、“1-7”、“1-8”、“2-7”、“2-8”，并设置各个通道的颜色；6待“累积实验时间（秒）”进行至接近“1800”，点击“数据存盘”，再将“计算机温度采集系统”数据记录主界面截图存盘；7先后断开管式电阻炉。4.2 数据的图片图1.小管径-全流速:9.02 m/s，温度:300图2.小管径-小流速6.23 m/s，温度:300图3.小管径-全流速:9.02 m/s，温度:400图4.小管径-小流速: 6.23m/s，温度:400图5.大管径-全流速: 9.03m/s，温度:300图6.大管径-小风速6.23m/s:，温度:300图7.大管径-全流速:6.03 m/s，温度400图8.大管径-小流速:4.57m/s，温度:4004.3 数据的表格根据上面的数据的图片，选取每个图片中最合适的时间段的数据，做成下面相应每种情况的表格：表4.1 内径为18.4mm钢管在炉腔温度稳定在300及导热油流速为9.02m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁02:16:01146425.654.7252.7104.49107.8702:16:02146525.6354.97252.65104.49107.8702:16:03146625.645.7252.63104.51107.8102:16:04146725.6348.51252.59104.55107.7302:16:05146825.6346.38252.57104.6107.7502:16:06146925.655.47252.53104.6107.6902:16:08147125.6353.84252.48104.53107.6902:16:09147225.6344.52252.42104.49107.6302:16:10147325.649.27252.4104.53107.5902:16:11147425.656.3252.38104.55107.5702:16:12147525.6350.77252.34104.55107.5502:16:13147625.6345.45252.31104.51107.4602:16:14147725.653.51252.27104.46107.4402:16:15147825.6350.19252.21104.44107.4402:16:17148025.6356.35252.17104.38107.402:16:18148125.6350.69252.14104.35107.3402:16:19148225.646.6252.08104.33107.2802:16:20148325.6353.62252.06104.38107.3202:16:21148425.6353.62252.02204.44107.3202:16:22148525.654.12251.97104.44107.202:16:23148625.654.67251.97104.44107.1602:16:24148725.6355.41251.87104.38107.12平均25.6177351.57545252.3073204.4745307.5105表4.2 内径为18.4mm钢管在炉腔温度稳定在300及导热油流速为5.14m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁03:36:03239024.6964.19273.54162.96124.0403:36:04239124.6664.38273.37162.91124.0403:36:06239324.6661.92273.26163.01124.0203:36:07239424.6955.61273.26163.03124.0203:36:08239524.7256.6273.41163.08124.0403:36:09239624.7263.76273.22163.05123.9603:36:10239724.6963.11273.43163.1123.9403:36:11239824.6955.8273.22163.15123.9403:36:12239924.6955.8273.31163.19123.9403:36:13240024.6955.14273.2163.22123.903:36:15240224.6963.92273.08163.22123.8603:36:16240324.8763.68273.39163.33123.8403:36:17240424.8756.44273.26163.4123.8203:36:18240524.8756.66273.24163.47123.8203:36:19240624.8763.03273.26163.43123.7803:36:20240724.8764.54273.24163.38123.7403:36:21240824.8757.43273.2163.45123.7403:36:22240924.8755.91273.12163.45123.7403:36:23241024.8762.19273.14163.47123.7平均24.7657960.00579273.2711163.2263323.8884表4.3内径为18.4mm钢管在炉腔温度稳定在400及导热油流速为9.02m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁03:33:4488926.33111.25400.93263.31214.1703:33:4589026.28107.37400.92263.33214.1503:33:4689126.28108.89400.89263.33214.1403:33:4889326.28112.67400.89263.31214.1203:33:4989426.28110.8400.89263.29214.103:33:5089526.28107.35400.86263.27214.0903:33:5189626.25109.27400.85263.27214.0803:33:5289726.25112.62400.85263.23214.0503:33:5389826.28110.67400.82263.23214.0403:33:5489926.28112.49400.8263.16214.0203:33:5590026.25108.66400.8263.12214.0003:33:5790226.25107.6400.79263.08213.9903:33:5890326.22111.57400.76263.04213.9703:33:5990426.25112.49400.73263.02213.9503:34:0090526.25108.71400.71263213.9403:34:0190626.25107.73400.71262.97213.9303:34:0290726.25111.52400.68262.93213.9103:34:0390826.25112.37400.65262.89213.8903:34:0490926.25112.77400.66262.87213.8803:34:0691126.25110.52400.64262.81213.8503:34:0791226.25112.27400.63262.78213.8503:34:0891326.22112.27400.62262.72213.85平均26.26045110.5391400.7764263.0891213.9986表4.4内径为18.4mm钢管在炉腔温度稳定在400及导热油流速为6.23.14m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁05:54:2493027.92124.75400.22274.62213.4805:54:2593122.84125.76400.21274.67213.4905:54:2693222.02125.64400.2274.69213.4905:54:2793327.07124.78400.19274.71213.4905:54:2893425.51124.78400.26274.73213.4905:54:3093622.55125.27400.22274.77213.4905:54:3193722.61124.83400.25274.81213.505:54:3293823.84125.52400.21274.85213.505:54:3393926.89125.34400.25274.9213.4905:54:3494023.08125.86400.23274.92213.505:54:3594123.08125.1400.23274.92213.505:54:3694224.22125.49400.24274.9213.5105:54:3794326.07125.71400.2274.92213.505:54:3994523.9125.02400.23274.98213.4905:54:4094623.26125.07400.22275.02213.505:54:4194722.38125.71400.2275.06213.505:54:4294824.84125.44400.22275.08213.4905:54:4394926.01125.57400.22275.08213.4905:54:4495023.52124.9400.21275.15213.49平均24.29526125.2916400.2216274.8832213.4942表4.5内径为26.4mm钢管在炉腔温度稳定在400及导热油流速为6.03m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁19:28:05130027.92114.84262.74159.86301.5719:28:06130127.95114.79262.81159.86301.4519:28:07130227.95114.84263.04159.83301.5719:28:08130327.95114.89263.02159.57301.6219:28:09130427.95114.89263.08159.91301.819:28:10130527.92114.89263.33159.88301.7219:28:11130627.98114.91263.25159.91301.7819:28:13130827.92114.91263.46159.93301.8419:28:14130927.95114.94263.35159.95302.1519:28:15131027.95114.94263.42159.95302.0919:28:16131127.95114.99263.44159.95302.1319:28:17131227.92114.99263.54159.98302.1119:28:18131327.92114.96263.59160302.2719:28:19131427.98114.99263.67160.02302.3319:28:20131527.95114.99263.69160.02302.3919:28:22131727.95114.99263.76160.02302.5419:28:23131827.92114.99263.86160.07302.4119:28:24131927.95114.99263.82160.07302.7619:28:25132027.95114.99263.99160.09302.68平均114.9326263.4137159.9405302.0637表4.6内径为26.4mm钢管在炉腔温度稳定在300及导热油流速为6.23m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁03:46:59100126.19129.98283.51180.57310.103:47:00100226.16129.98283.1180.57310.1403:47:01100326.19129.95282.99180.57310.1403:47:02100426.19129.95283.1180.55310.1603:47:03100526.19129.95283.1180.55310.203:47:04100626.16129.93283.85180.55310.2203:47:05100726.19129.88282.77180.57310.2403:47:06100826.22129.95283.37180.55310.2203:47:08101026.19129.93283.72180.53310.2403:47:09101126.16129.88283.06180.53310.2803:47:10101226.19129.95283.26180.53310.3203:47:11101326.16129.98283.24180.55310.303:47:12101426.16129.98283.24180.5310.3903:47:13101526.19129.98283.2180.48310.4103:47:14101626.19129.68283.66180.5310.4503:47:15101726.19129.95283.39180.5310.4503:47:17101926.19129.95283.08180.5310.4503:47:18102026.19130.02283.78180.5310.5303:47:19102126.19129.98283.83180.48310.55平均26.18368129.9395283.3289180.5305310.3047表4.7内径为26.4mm钢管在炉腔温度稳定在600及导热油流速为9.03m/s时钢管时各热电偶温度数据时间测量次数环境温度入口流体入口外壁出口流体出口外壁16:52:24100027.62263.25410.03277.03414.3116:52:25100127.65263.25410277.01414.2916:52:26100227.65263.25410.01276.99414.3116:52:27100327.65263.27409.98276.99414.2516:52:28100427.62263.27409.99276.99414.2416:52:29100527.65263.25409.94276.99414.2716:52:30100627.65263.27409.97276.99414.2516:52:31100727.65263.27409.94276.99414.2116:52:33100927.65263.27409.92276.99414.2116:52:34101027.68263.25409.91277.01414.2116:52:35101127.6263.19409.9277.01414.1916:52:36101227.62263.14409.88277.03414.1716:52:37101327.65263.12409.88277.03414.1516:52:38