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1、1,第四章、實驗,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,2,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,一、實驗原理 1、對流傳熱過程分析 對流傳熱(對流給熱)是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中,與流體的流動狀況密切相關(guān)。實質(zhì)上對流傳熱是流體的對流與熱傳導(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與固體表面間發(fā)生的熱量交換。這一過程稱為對流給熱。,,3,一、實驗原理,熱流體到壁面或壁面到冷流體的熱量傳遞過程,,4,一、實驗原理,2、對流傳熱過程的數(shù)學(xué)描述 流體被冷卻時, 流體被加熱時 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,是一個實驗定律,假設(shè)Qt。對流
2、傳熱是一個非常復(fù)雜的物理過程,實際上由于有效膜厚度難以測定,牛頓冷卻定律只是給出了計算傳熱速率簡單的數(shù)學(xué)表達式,并未簡化問題本身,只是把諸多影響過程的因素都歸結(jié)到了當(dāng)中復(fù)雜問題簡單化表示。,,,5,一、實驗原理,影響因素: (1)間壁傳熱由對流傳熱導(dǎo)熱對流傳熱三 個過程組成。 (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)點作相對位移和傳熱混合的統(tǒng)稱。 (4)為簡化處理,對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、實驗原理,
3、3、影響對流傳熱系數(shù)的因素 (1) 引起流動的原因 自然對流: 強制對流: (2) 流體的物性 影響較大的物性有:,,,cp。 (3) 流動型態(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)點充分混合且層流底層變薄,較大;但Re動力消耗大。,7,一、實驗原理,(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;會造成邊界層分離,產(chǎn)生旋渦,增加湍動,使增大。 (1)形狀:比如管、板、管束等; (2)大?。罕热绻軓胶凸荛L等;D/L越小,湍動程度越小 (3)位置:比如管子得排列方式 對于一種類型的傳熱面常用一個對
4、對流傳熱系數(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,有相變化時對流傳熱系數(shù)較大。,8,一、實驗原理,4、獲得給熱系數(shù)的方法 解析法:對所考察的流場建立動量傳遞、熱量傳遞的衡算方程和速率方程,在少數(shù)簡單的情況下可以聯(lián)立求解流場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)的理論計算式。這是對流給熱過程的解析解。這是一個復(fù)雜的過程,一般用于理論討論。 數(shù)學(xué)模型法:對給熱過程作出簡化的物理模型和數(shù)學(xué)描述,用實驗檢驗或修正模型,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,通過實驗決定無因次準(zhǔn)數(shù)之間的關(guān)系
5、。這是理論指導(dǎo)下的實驗研究方法,在對流給熱中廣為使用。 實驗法:對少數(shù)復(fù)雜的對流給熱過程適用。,,,,9,一、實驗原理,5、對流傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的建立 由于對流傳熱本身是一個非常復(fù)雜的物理問題,現(xiàn)在用牛頓冷卻定律把復(fù)雜問題簡單表示,把復(fù)雜問題轉(zhuǎn)到計算對流傳熱系數(shù)上面。所以,對流傳熱系數(shù)大小的確定成為了一個復(fù)雜問題,其影響因素非常多。目前還不能對對流傳熱系數(shù)從理論上來推導(dǎo)它的計算式,只能通過實驗得到其經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。,10,一、實驗原理,因次分析法 f(u,l,,,cp,,g,t) 基本因次,共4個,長度L,時間T,質(zhì)量M,溫度t 變量總數(shù):共8個 因次分析之后,所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中共有4個無因次
6、數(shù)群 (由定理 8-4 = 4 ) 因次分析結(jié)果如下:,,11,,,12,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,5、對流傳熱系數(shù)的實驗測定 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)傳熱達到穩(wěn)定之后空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)i與總傳熱系數(shù)K 有以下關(guān)系: 若一側(cè)的對流傳熱系數(shù)遠小于另一側(cè)的對流傳熱系數(shù)時,如 ,則 。說明很大的對流傳熱系數(shù)對K值得影響很小,K 值接近小的對流傳熱系數(shù)值。換句話說,總熱阻由熱阻大的那一側(cè)的對流傳熱系數(shù)所決定。,,,,,13,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,(1)對流傳熱系數(shù)的計算 根據(jù)傳熱速率方程和熱量衡算式有如下關(guān)系,,,,,,,通過上式計算
7、出實測值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,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,(2)Re與Nu的計算 (3)流量的測量和密度的計算,,,,,,,,15,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,二、實驗內(nèi)容 測定不同空氣流量下空氣和水蒸汽在套管換熱 器中的進、出口溫度,求得空氣在管內(nèi)的對 流傳熱系數(shù)。,16,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,三、實驗?zāi)康?1掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法。 2測定空氣在圓形直管內(nèi)(或螺旋槽管內(nèi))的強制對流傳熱系數(shù),并把數(shù)據(jù)整理成準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式,以檢驗通用的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 3.了解對流傳熱系數(shù)的影響因素和強化傳熱的 途
8、徑。,17,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,四、測量參數(shù) 流量 壓強 溫度 管子尺寸,18,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,五、實驗所需儀器設(shè)備 (1)套管換熱器:光滑管:螺旋槽管: (2)風(fēng)機型號:D24型微音氣泵; (3)銅電阻:Cu50型; (4)蒸汽發(fā)生器; (5)流量計; (6)壓差計。,19,六、實驗流程圖,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 8旁通閥 9風(fēng)機 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、實驗流程圖,,,,,21,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,七、實驗操作 1. 實驗前
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,打開蒸汽閥門,使蒸汽進入套管環(huán)隙,并打開放氣閥排除不凝性氣體。微開排液閥,以便冷凝水及時排除。,22,實驗五 對流傳熱系數(shù)的測定,2、實驗操作 1等溫度穩(wěn)定后,打開空氣旁通閥,開啟風(fēng)機,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: 實驗過程中應(yīng)及時排除不凝性氣體和冷凝水。但在排放過程中,盡量不要影響實驗操作的穩(wěn)定性。,23,,3、實驗結(jié)束 (1)實驗結(jié)束后,先關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)閥后關(guān)閉風(fēng)機,最后關(guān)閉總電源開關(guān)。 (2)讀大氣壓力計值,記錄操作條件下大氣壓強值。,24,八、思考題,1實驗過程中,蒸汽溫度改變對實驗結(jié)果有什么影響?如何保持蒸汽溫度恒定? 2本實驗中,空氣與蒸汽流徑能否改變?這樣安排的優(yōu)點是什么? 3實驗過程中,如何判斷傳熱達到穩(wěn)定? 4.蒸汽冷凝過程中不凝性氣體存在對實驗結(jié)果會有什么影響?應(yīng)采取什么措施解決?,