空气蒸汽给热系数测定试验参考指导书.doc

空气－蒸汽给热系数测定装置
实验指引书

空气－蒸汽对流给热系数测定
一、实验目
1、 理解间壁式传热元件，掌握给热系数测定实验办法。
2、 掌握热电阻测温办法，观测水蒸气在水平管外壁上冷凝现象。
3、 学会给热系数测定实验数据解决办法，理解影响给热系数因素和强化传热途径。
二、基本原理
在工业生产过程中，大量状况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交
换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面对流传热，
固体壁面热传导和固体壁面对冷流体对流传热所构成。

达到传热稳定期，有
（4－1）
式中：Q － 传热量，J / s；
m1 － 热流体质量流率，kg / s；
cp1 － 热流体比热，J / (kg ∙℃)；
T1 － 热流体进口温度，℃；
T2 － 热流体出口温度，℃；
m2 － 冷流体质量流率，kg / s；
cp2 － 冷流体比热，J / (kg ∙℃)；
t1 － 冷流体进口温度，℃；
t2 － 冷流体出口温度，℃；
a1 － 热流体与固体壁面对流传热系数，W / (m2 ∙℃)；
A1 － 热流体侧对流传热面积，m2；
－ 热流体与固体壁面对数平均温差，℃；
a2 － 冷流体与固体壁面对流传热系数，W / (m2 ∙℃)；
A2 － 冷流体侧对流传热面积，m2；
－ 固体壁面与冷流体对数平均温差，℃；
K － 以传热面积A为基准总给热系数，W / (m2 ∙℃)；
－ 冷热流体对数平均温差，℃；
热流体与固体壁面对数平均温差可由式（4—2）计算，
（4－2）
式中：TW1 － 热流体进口处热流体侧壁面温度，℃；
TW2 － 热流体出口处热流体侧壁面温度，℃。
固体壁面与冷流体对数平均温差可由式（4—3）计算，
（4－3）
式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧壁面温度，℃；
tW2 － 冷流体出口处冷流体侧壁面温度，℃。
热、冷流体间对数平均温差可由式（4—4）计算，
（4－4）
当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，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对流传热系数，
（4－5）
实验中测定紫铜管壁温tw1、tw2；冷空气或水进出口温度t1、t2；实验用紫铜管长度l、内径d2，；和冷流体质量流量，即可计算a2。
然而，直接测量固体壁面温度，特别管内壁温度，实验技术难度大，并且所测得数据精确性差，带来较大实验误差。因而，通过测量相对较易测定冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间对流给热系数就成为人们广泛采用一种实验研究手段。
由式（4－1）得，
（4－6）
实验测定、、并查取下冷流体相应、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。
下面通过两种办法来求对流给热系数。
1． 近似法求算对流给热系数
以管内壁面积为基准总给热系数与对流给热系数间关系为，
（4－7）
式中：d1 － 换热管外径，m；
d2 － 换热管内径，m；
dm － 换热管对数平均直径，m；
b － 换热管壁厚，m；
l － 换热管材料导热系数，W / (m ∙ ℃)；
－ 换热管外侧污垢热阻，；
－ 换热管内侧污垢热阻，。
用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间对流给热系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达~左右，因而冷凝传热热阻可忽视，同步蒸汽冷凝较为清洁，因而换热管外侧污垢热阻也可忽视。实验中传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8，壁厚为2.5mm，因而换热管壁导热热阻可忽视。若换热管内侧污垢热阻也忽视不计，则由式（4－7）得，
（4－8）
由此可见，被忽视传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得精确性就越高。
2． 传热准数式求算对流给热系数
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范畴内：Re=1.0×104～1.2×105,Pr＝0.7～120，管长与管内径之比l/d≥60,则传热准数经验式为，
（4－9）
式中：Nu－努塞尔数，，无因次；
Re－雷诺数，，无因次；
Pr－普兰特数，，无因次；
当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3；
a － 流体与固体壁面对流传热系数，W / (m2 ∙℃)；
d － 换热管内径，m；
l － 流体导热系数，W / (m ∙ ℃)；
u － 流体在管内流动平均速度，m / s；
r － 流体密度，kg / m3；
m － 流体粘度，Pa ∙ s；
cp － 流体比热，J / (kg ∙℃)。
对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（4－9）改写为，
（4－10）
令， （4－11）
（4－12）
（4－13）
（4－14）
则式（4－7）可写为，
（4－15）
当测定管内不同流量下对流给热系数时，由式（4－14）计算所得C值为一常数。管内径d2一定期，m也为常数。因而，实验时测定不同流量所相应，由式（4－4）、（4－6）、（4－12）、（4－13）求取一系列X、Y值，再在X～Y图上作图或将所得X、Y值回归成始终线，该直线斜率即为m。任一冷流体流量下给热系数a2可用下式求得，
（4－16）
3． 冷流体质量流量测定
（1）若用转子流量计测定冷空气流量，还须用下式换算得到实际流量，
（4－17）
式中： V ' — 实际被测流体体积流量，m3 / s；
ρ' — 实际被测流体密度，kg / m3；均可取下相应水或空气密度，见冷流体物性与温度关系式；
V — 标定用流体体积流量，m3 / s；
ρ — 标定用流体密度，kg / m3；对水ρ = 1000 kg / m3；对空气ρ = 1.205 kg / m3；
ρf — 转子材料密度，kg / m3。
于是 (4－18)
（2）若用孔板流量计测冷流体流量，则，
(4－19)
式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下相应密度。
4． 冷流体物性与温度关系式
在0～100℃之间，冷流体物性与温度关系有如下拟合公式。
（1）空气密度与温度关系式：
（2）空气比热与温度关系式：60℃如下＝ J / (kg ∙℃),
70℃以上＝ J / (kg ∙℃)。
（3）空气导热系数与温度关系式：
（4）空气黏度与温度关系式：
三、实验装置与流程
1．实验装置
1—风机； 2—冷流体管路； 3－冷流体进口调节阀； 4—转子流量计； 5—冷流体进口温度；
6—不凝性气体排空阀； 7—蒸汽温度； 8—视镜； 9—冷流体出口温度； 10—压力表；
11—水汽排空阀；12—蒸汽进口阀；13—冷凝水排空阀；14—蒸汽进口管路；15—冷流体出口管路；
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器水蒸汽进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机空气在套管换热器内进行热互换，冷凝水经阀门排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热互换后排出装置外。
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm
（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm
（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示
（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表
四、实验环节与注意事项
1．实验环节
（1） 打开控制面板上总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观测仪表显示与否正常。
（2） 在蒸汽发生器中灌装清水，启动发生器电源，水泵会自动将水送入锅炉，灌满后会转入加热状态。到达符合条件蒸汽压力后，系统会自动处在保温状态。
（3） 打开控制面板上风机电源开关，让风机工作，同步打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量空气。
（4） 打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。
（5） 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中冷凝水排除，否则夹带冷凝水蒸汽会损坏压力表及压力变送器。详细排除冷凝水办法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。
（6） 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐布满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。
（7） 上述准备工作结束，系统也处在“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在 0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。
（8） 通过调节冷空气进口阀来变化冷空气流量，在每个流量条件下，均须待热互换过程稳定后方可记录实验数值，普通每个流量下至少应使热互换过程保持5分钟方为视为稳定；变化流量，记录不同流量下实验数值。
（9） 记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。
（10） 待蒸汽发生器为常压后，将锅炉中水排尽。

2．注意事项
（1） 先打开水汽排空阀，注意只开一定开度，开太大会使换热器里蒸汽跑掉，开太小会使换热不锈钢管里蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。
（2） 一定要在套管换热器内管输以一定量空气后，方可启动蒸汽阀门，且必要在排除蒸汽管线上原先积存凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
（3） 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。
（4） 操作过程中，蒸汽压力普通控制在0.02MPa（表压）如下，否则也许导致不锈钢管爆裂。
（5） 拟定各参数时，必要是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量调节和压力表读数调节。
五、实验报告
1、计算冷流体给热系数实验值
2、冷流体给热系数准数式：，由实验数据作图拟合曲线方程，拟定
式中常数A及m。
3、觉得纵坐标，为横坐标，将解决实验数据成果标绘在图上，并与教材中经验式比较。
六、思考题
1、实验中冷流体和蒸汽流向，对传热效果有何影响?
2、在计算空气质量流量时所用到密度值与求雷诺数时密度值与否一致？它们分别表达什么位置密度，应在什么条件下进行计算。
3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？