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1、1,第四章、實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,2,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,一、實(shí)驗(yàn)原理 1、對(duì)流傳熱過程分析 對(duì)流傳熱（對(duì)流給熱）是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動(dòng)狀況密切相關(guān)。實(shí)質(zhì)上對(duì)流傳熱是流體的對(duì)流與熱傳導(dǎo)共同作用的結(jié)果。工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體流過固體表面時(shí)與固體表面間發(fā)生的熱量交換。這一過程稱為對(duì)流給熱。,,3,一、實(shí)驗(yàn)原理,熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程,,4,一、實(shí)驗(yàn)原理,2、對(duì)流傳熱過程的數(shù)學(xué)描述 流體被冷卻時(shí)， 流體被加熱時(shí) 上兩式稱為牛頓冷卻定律。它并非理論推導(dǎo)的結(jié)果，它只是一種推論，是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，假設(shè)Qt。對(duì)流

2、傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，實(shí)際上由于有效膜厚度難以測(cè)定，牛頓冷卻定律只是給出了計(jì)算傳熱速率簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并未簡(jiǎn)化問題本身，只是把諸多影響過程的因素都?xì)w結(jié)到了當(dāng)中復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化表示。,,,5,一、實(shí)驗(yàn)原理,影響因素： （1）間壁傳熱由對(duì)流傳熱導(dǎo)熱對(duì)流傳熱三 個(gè)過程組成。 （2）同一管壁界面上的溫度以折線表示，且逐 步下降，其層流內(nèi)層熱阻最大，因而溫降 也最大。 （3）對(duì)流傳熱是由層流內(nèi)層的導(dǎo)熱和層流外層 的流體質(zhì)點(diǎn)作相對(duì)位移和傳熱混合的統(tǒng)稱。 （4）為簡(jiǎn)化處理，對(duì)流傳熱作為通過厚度 的 傳熱邊界層的導(dǎo)熱處理。必須指出是不存 在的，為了處理問題而假設(shè)的。,,,6,一、實(shí)驗(yàn)原理,

3、3、影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素 （1） 引起流動(dòng)的原因 自然對(duì)流： 強(qiáng)制對(duì)流： （2） 流體的物性 影響較大的物性有：，，，cp。 （3） 流動(dòng)型態(tài) 層流：流體中主要依靠熱傳導(dǎo)的方式傳熱。由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以熱阻大。 湍流：質(zhì)點(diǎn)充分混合且層流底層變薄，較大；但Re動(dòng)力消耗大。,7,一、實(shí)驗(yàn)原理,（4）傳熱面的形狀、大小和位置 不同的壁面形狀、尺寸影響流型；會(huì)造成邊界層分離，產(chǎn)生旋渦，增加湍動(dòng)，使增大。 （1）形狀：比如管、板、管束等； （2）大?。罕热绻軓胶凸荛L(zhǎng)等；D/L越小，湍動(dòng)程度越小 （3）位置：比如管子得排列方式 對(duì)于一種類型的傳熱面常用一個(gè)對(duì)

4、對(duì)流傳熱系數(shù)有決定性影響的特性尺寸L來表示其大小。 （5）是否發(fā)生相變 主要有蒸汽冷凝和液體沸騰。一般情況下，有相變化時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)較大。,8,一、實(shí)驗(yàn)原理,4、獲得給熱系數(shù)的方法 解析法：對(duì)所考察的流場(chǎng)建立動(dòng)量傳遞、熱量傳遞的衡算方程和速率方程，在少數(shù)簡(jiǎn)單的情況下可以聯(lián)立求解流場(chǎng)的溫度分布和壁面熱流密度，然后將所得結(jié)果改寫成牛頓冷卻定律的形式，獲得給熱系數(shù)的理論計(jì)算式。這是對(duì)流給熱過程的解析解。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般用于理論討論。 數(shù)學(xué)模型法：對(duì)給熱過程作出簡(jiǎn)化的物理模型和數(shù)學(xué)描述，用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或修正模型，確定模型參數(shù)。 因次分析法：將影響給熱的因素?zé)o因次化，通過實(shí)驗(yàn)決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系

5、。這是理論指導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)研究方法，在對(duì)流給熱中廣為使用。 實(shí)驗(yàn)法：對(duì)少數(shù)復(fù)雜的對(duì)流給熱過程適用。,,,,9,一、實(shí)驗(yàn)原理,5、對(duì)流傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的建立 由于對(duì)流傳熱本身是一個(gè)非常復(fù)雜的物理問題，現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單表示，把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)到計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)上面。所以，對(duì)流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個(gè)復(fù)雜問題，其影響因素非常多。目前還不能對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計(jì)算式，只能通過實(shí)驗(yàn)得到其經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。,10,一、實(shí)驗(yàn)原理,因次分析法 f(u，l，，，cp，，g，t) 基本因次，共4個(gè)，長(zhǎng)度L，時(shí)間T，質(zhì)量M，溫度t 變量總數(shù)：共8個(gè) 因次分析之后，所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個(gè)無因次

6、數(shù)群 （由定理 8-4 = 4 ） 因次分析結(jié)果如下：,,11,,,12,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,5、對(duì)流傳熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 在套管換熱器中，環(huán)隙中通水蒸汽，內(nèi)管管內(nèi)通空氣，水蒸冷凝放熱加熱空氣，當(dāng)傳熱達(dá)到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對(duì)流傳熱系數(shù)i與總傳熱系數(shù)K 有以下關(guān)系： 若一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)遠(yuǎn)小于另一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)，如 ，則 。說明很大的對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)K值得影響很小，K 值接近小的對(duì)流傳熱系數(shù)值。換句話說，總熱阻由熱阻大的那一側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)所決定。,,,,,13,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,(1)對(duì)流傳熱系數(shù)的計(jì)算 根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系,,,,,,,通過上式計(jì)算

7、出實(shí)測(cè)值i。 可以利用已知的i，整理出不同流速下的Nu準(zhǔn)數(shù)與Re準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，也就是確定出式中的C和。,14,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,（2）Re與Nu的計(jì)算 （3）流量的測(cè)量和密度的計(jì)算,,,,,,,,15,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱 器中的進(jìn)、出口溫度，求得空氣在管內(nèi)的對(duì) 流傳熱系數(shù)。,16,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法。 2測(cè)定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，并把數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，以檢驗(yàn)通用的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 3.了解對(duì)流傳熱系數(shù)的影響因素和強(qiáng)化傳熱的 途

8、徑。,17,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,四、測(cè)量參數(shù) 流量 壓強(qiáng) 溫度 管子尺寸,18,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,五、實(shí)驗(yàn)所需儀器設(shè)備 （1）套管換熱器：光滑管：螺旋槽管： （2）風(fēng)機(jī)型號(hào)：D24型微音氣泵； （3）銅電阻：Cu50型； （4）蒸汽發(fā)生器； （5）流量計(jì)； （6）壓差計(jì)。,19,六、實(shí)驗(yàn)流程圖,1 蒸汽發(fā)生器 2壓力表 3安全閥 4套管換熱器 5放氣閥 6壓力表 7轉(zhuǎn)子流量計(jì) 8旁通閥 9風(fēng)機(jī) 10冷凝水放水閥 11冷凝水收集罐,,,,,,1,2,3,4,6,5,7,8,9,10,11,20,六、實(shí)驗(yàn)流程圖,,,,,21,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,七、實(shí)驗(yàn)操作 1. 實(shí)驗(yàn)前

9、準(zhǔn)備工作 (1). 給溫控儀設(shè)定適當(dāng)溫度，加熱； (2).待蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，打開蒸汽閥門，使蒸汽進(jìn)入套管環(huán)隙，并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥，以便冷凝水及時(shí)排除。,22,實(shí)驗(yàn)五 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定,2、實(shí)驗(yàn)操作 1等溫度穩(wěn)定后，打開空氣旁通閥，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)閥門使流量到指定刻度，待穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù) 2改變空氣流量，穩(wěn)定后，讀取數(shù)據(jù)。 注意: 實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)及時(shí)排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中，盡量不要影響實(shí)驗(yàn)操作的穩(wěn)定性。,23,,3、實(shí)驗(yàn)結(jié)束 （1）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后關(guān)閉風(fēng)機(jī)，最后關(guān)閉總電源開關(guān)。 （2）讀大氣壓力計(jì)值，記錄操作條件下大氣壓強(qiáng)值。,24,八、思考題,1實(shí)驗(yàn)過程中，蒸汽溫度改變對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響？如何保持蒸汽溫度恒定？ 2本實(shí)驗(yàn)中，空氣與蒸汽流徑能否改變？這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是什么？ 3實(shí)驗(yàn)過程中，如何判斷傳熱達(dá)到穩(wěn)定？ 4.蒸汽冷凝過程中不凝性氣體存在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有什么影響？應(yīng)采取什么措施解決？,