实验4传热(空气—蒸汽)

实验四：传热（空气—蒸汽）实验
实验目的
1．了解间壁式换热器的结构与操作原理；
2．学习测定套管换热器总传热系数的方法；
3．学习测定空气侧的对流传热系数；
4．了解空气流速的变化对总传热系数的影响。

基本原理：
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：
(4-1)
对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故
（4-2）
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。

本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。

这样，上式即变为单变量方程，再两边取对数，即得到直线方程：
（4-3）
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。

在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即：
（4-4）
用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性。

而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。

应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n。

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。

其准数定义式分别为：
实验中改变冷却水的流量以改变Re准数的值。

根据定性温度（冷空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值。

进而算得Nu准数值。

牛顿冷却定律：
（4-5）式中：
α—传热膜系数，[W/m2·℃]；
Ｑ—传热量，［Ｗ］；
Ａ—总传热面积，[m2]；
△tm—管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，
[℃]。

传热量Q可由下式求得：
（4-6）式中：
W—质量流量，[kg/h]；
Cp—流体定压比热，[J/kg·℃]；
t1、t2—流体进、出口温度，[℃]；
ρ—定性温度下流体密度，[kg/m3]；
V—流体体积流量，[m3/s]。

注意事项：
（1）、学校的设备大都是需要用电为差计测量电流然后计算温度的，此套设备比较先进，采用了数字显示仪表直接显示温度。

（2）、关于排放不凝气：如果不打开放气阀，理论上套管内的压力应该不断增大，最后爆炸，实际上由于套管的密封程度不是很好，会漏气，所以压力不会升高很多，基本可以忽略。

另外不凝气的影响在实际是实验中并不是很大，在仿真实验中为了说明做了夸大。

（3）蒸汽发生器：关于蒸汽发生器的控制和安全问题做了简化。

（4）传热实验有两个流程，另一个管内的介质为水，原理一样，只是流程稍有不同。

思考题：
1.观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因
答：保温管的传热速率为76.116W，裸管的传热速率为91.277W，汽-水套管的传热速率为2121.2W，因此传热速率：保温管<裸管<汽水套管。

保温管的传热速率慢，是因为其壁较厚，而且材料的导热系数小；裸管其次，是因为自然对流的条件下给热系数很小；而汽水套管的传热最快，是因其为强制对流，给热系数较大。

2.测定传热系数K时，按现实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管内，用哪种方法更准确？为什么？答：使用管内冷凝液进行热量衡算更准确，因为它只与套管进行热量
交换，而管外冷却水还与管外空气进行对流换热，得到的总传热系数偏大。

如果改变流程，冷却水走管内，则使用管内冷却水进行热量衡算更准确。

3. 汽包上装有不凝气排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。

答：不凝气排放口安装在汽包上方，而冷凝液排放口在汽包下方。

不凝气排放口是为了排出水蒸气中的不凝气，防止其积累或者进入换热管中，影响热量衡算的准确性。

冷凝液排放口也有相似作用，但位置不同。

4.若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后Δtm值是否相同？
答：不同。

原实验装置是逆流，平均温差大，而调换后是并流，平均温差较小。

5.在间壁两侧流体的对流给热系数α相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K值，应从哪侧入手？
答：壁温较接近α大的一侧流体的温度。

而当α相差较大时，K更接近α较小的一侧，因此，欲提高K值，应从α较小的一侧入手，增加该侧的对流给热系数。