实验7 空气蒸汽对流给热系数测定

实验7. 空气－蒸汽对流给热系数的测定
一、实验目的
1.熟悉传热过程及间壁式换热器的结构，掌握热电阻的测温方法；
2.观察蒸汽在水平冷凝管外壁上的冷凝现象，测定对流给热系数h ；
3.测定努塞尔数Nu 与雷诺数e R 之间的关系，并确定它们的关联式；
4.了解强化传热的途径，分析热交换过程的影响因素。

二、基本原理
工业生产中冷流体和热流体常通过固体壁面进行热量交换，此种换热方式称为间壁式传热。

间壁式传热过程是由热流体对固体壁面的对流传热、固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热过程组成，间壁式传热过程如图2—10所示。

当传热过程达到稳定时，它们有如下关系： 图2—10 间壁式传热过程示意图
()()
()()112122121122m p m p W W m M m
q c t t q c T T h A t t h A T T KA t Φ=-=-=-=-=∆ （2—45） 式中：Φ—传热速率，W ；
q m1、q m2 —冷、热流体的质量流量，1
kg s -⋅； c p1、c p2 —冷、热流体的比热容，1
1kJ kg K --⋅⋅；
T 1 、T 2—热流体的进出口温度，K ； t 1、t 2 —冷流体的进出口的度，K ；
A 1、A 2—冷、热流体侧的对流传热面积，m 2；
12,h h —冷、热流体与固体壁面的对流给热系数，21W m K --⋅⋅； ()W m t t -、()W m T T -—冷、热流体与固体壁面的对数平均温度差，K ；
K —总传热系数，2
1
W m K --⋅⋅； A —传热面积，m 2；
m t ∆—对数平均温度差，K ；
热流体与固体壁面的对数平均温差可由下式计算
()()()
2
211
2211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=
- （2－
46）
式中：12,W W T T —热流体进出口处热流体侧壁面的温度，K 。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由下式求得
()()()
2
21
12211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----=
- （2－47）
式中：12,W W t t —冷流体进出口处冷流体侧壁面的温度，K ； 冷热流体间的对数平均温度差可由下式计算
()()12211221
ln m T t T t t T t T t ---∆=
-- （2—48）
在套管式换热器中，由于水蒸气通过套管的环隙，冷空气或水通过内管间，测定对流给热系数时，由式（2—45）可得内管内壁面与冷空气或水的对流给热系数
()()112111p W m
m c t t h A t t -=
- （2—49）
实验中，要测定内管的壁温t w1和t w2，冷空气或水的进出口温度t 1和t 2；实验用套管的长度l ，内径d 1，换热面积11A d l π=，冷流体的质量流量及比热容，即可求得对流给热系数h 1。

欲要直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度难度很大，且所测得的数据准确性差，实验误差也较大。

因此，常通过测出冷热流体的进出口温度来间接推算出流体与固体壁面的对流给热系数，相对容易一些。

由式（2—45）变形得总传热系数
()1121m p m
q c t t K A t -=
∆ （2—50）
实验中要测定1m q 、2121T T t t 、、、，并查取()212
1
t t t +=
平均下冷流体对应的比热容1p c ，计算出换热面积A ，可由式（2—50）计算出总传热系数K 。

1．对流给热系数的求算
以管内壁面积为基准的总传热系数与对流给热系数间的关系为
111121222
11
m bd d d R R K h d d h d λ=++++ （2—51） 式中：12m d 、d 、d —换热管的内径、外径和对数平均直径，m ；
12,R R —换热管内侧、外侧的污垢热阻，21m K W -⋅⋅；
b —换热管的壁厚，m ；
λ—换热管的导热系数，11W m K --⋅⋅。

该实验装置的换热管为紫铜管，管内冷流体与管壁的对流给热系数在几十到几百
21W m K --⋅⋅之间；管外蒸汽的冷凝给热系数在10421W m K --⋅⋅以上，换热管的壁厚为
2.5mm ，导热系数为38
3.81
1
W m K --⋅⋅，，因此，在传热过程中，冷凝传热热阻（
1
22
d h d ）、换热管内外两侧垢层的热阻（12,R R ），以及换热管壁的热阻（
1
m
bd d λ）非常小，均可忽略。

故冷流体的对流给热系数接近于总传热系数，式（2—51）可简化为：
1h K ≈ （2—52）
2．特征数关联式的确定
当热空气在圆形直管中作强制湍流流动时，对流传热系数的准数关联式可表示为
e r m n Nu A R P =⋅⋅ （2—53）
式中： 努赛尔数hd
Nu λ
=，无因次；雷诺数e du R ρ
μ
=
，无因次；普兰特r P c P μ
λ
=
，无因
次。

空气的努塞尔数Nu 受给热系数大小的影响，雷诺数e R 又受空气在管内流速的影响，系数A 与指数m 和n 则需要由实验确定。

气体在很高温度和一定压力下，普兰特数r P 基本上不随温度而变，可近似认为它是一个常数，通常取0.4n =，因此，对式（2—53）取对数后可变形为
0.4
l g r )l g e l g N u P m R A =+（
（2—54）
根据实验所测数据，查物性数据并计算，可求出不同流量下的N u 和R e ，然后用线性回
归方法确定关联式m
A Nu Re =中常数A 、m 的值。

3．冷流体质量流量的求算
若用转子流量计测定空气的体积流量，用下式计算：
V
V q q '= （2—55）
式中：,V V
q q '—标定用流体和实际被测流体的体积流量，3
1
m s -⋅； ,,f ρρρ'—标定用流体、转子和实际被测流体的密度，3kg m -⋅。

实际被测流体的密度ρ'取冷流体进出口平均温度下的密度，标定流体用水取10003
kg m -⋅，标定流体用空气则取1.2053
kg m -⋅。

于是有
1m V
q q ρ''= （2—56） 若用孔板流量计测定空气的体积流量，则用下式计算
1m V q q ρ= （2—57）
式中：V q —冷流体进口处流量计读数，3
1
m s -⋅；
ρ—冷流体进口处温度下被测流体的密度，3kg m -⋅。

4．冷流体物性与温度关系式
空气密度与温度的关系式 523
10 4.510 1.2916t t ρ--=-⨯+
空气比热容与温度的关系式 60℃以下 11
1005P c J kg K --=⋅⋅ 70℃以上 11
1009P c J kg K --=⋅⋅
空气导热系数与温度的关系式 825
2108100.0244
t t λ--=-⨯+⨯
+ 空气粘度与温度的关系式 62
3
5
(210510 1.7169)10t t μ---=-⨯+⨯+⨯
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图2—11所示。

将来自蒸汽发生器的水蒸气通入不锈钢套管式换热器的环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行换热后，蒸汽冷凝液经疏水器排入地沟；冷空气经转子流量计进入套管换热器内管(紫铜管)，换热后排出装置。

2．实验设备与仪表
①紫铜管规格：φ21 mm×2.5mm，长为1000mm；
②换热筒规格：φ100 mm×5mm，长为1000mm，外包有保温材料；
③铂热电阻及智能温度显示仪；
④全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表等。

四、实验步骤
1.打开控制面板上的总电源开关和仪表电源开关，使仪表通电预热，观察温度显示仪显示是否正常；
2.向蒸汽发生器中灌装清水至水箱，开发生器电源开关，使水处于加热状态。

当到达符合规定条件的蒸汽压力后，系统会自动切换至保温状态；
3.打开控制面板上的风机电源开关，同时打开转子流量计下的调节阀，使套管换热器里有一定量的空气与换热器壁面进行换热；
4.通蒸汽前，排掉蒸汽发生器到装置间管道中的冷凝液，避免蒸汽夹带冷凝液损坏压力表(排冷凝液时要关闭蒸汽进口阀，打开该段管路的排冷凝液阀门，依靠蒸汽压力把管道中的冷凝液带走，当听到蒸汽响时，关闭冷凝液排出阀，方可进行下一步操作)；
5.调节蒸汽进口针形阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，时间不得少于10min，以防止换热管因突然受热、受压而爆裂；
6.打开排空气阀，排出套筒内的空气，使整个换热筒内充满蒸汽，实验过程中排空气阀可保持一定开度；
7.准备工作完成后，使系统处于“热态”，调节蒸汽进口阀(可通过调节蒸汽发生器出口球阀及闸阀开度控制)，使蒸汽进口压力维持在0. 02MPa 左右；
8.通过调节冷空气的进口阀调节冷空气进口流量。

改变冷流体的流量，在每一流量下，均须待热交换过程稳定后，方可记录数据(注意必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整)。

在每个流量下至少应使热交换过程保持5～10min 方视为稳定；改变空气流量，记录不同流量下的实验数值；
9.改变冷流体流量，记录6～8组实验数据，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，待冷凝液流尽后，关闭冷凝液出口阀，最后关闭总电源。

五、实验报告
1．将冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

2．根据冷流体给热系数的准数关联式：/r e n m
Nu P AR =，根据实验数据作图，求拟
合曲线方程，确定式中常数A 和m 。

3．以0.
4l g
/r N u P （）为纵坐标，lg e R 为横坐标，将实验数据的结果标绘在双对数纸上，
并与教材中的经验式0.4
/r
0.023e m Nu P R =进行比较。

六、思考题
⑴ 管内空气的流速对传热系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将会升高还是降低？为什么？
⑵ 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，其对对流给热系数h 的关联有无影响？ ⑶如何评价强化传热的效果？通常采用指标进行评价？。