空气-蒸汽对流给热系数测定.docx

空气－蒸汽对流给热系数测定
紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm
外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm

1、原始数据记录如下表：
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
水蒸气压强P(MPa)
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
冷流体流量m3/h
22
20
18
15
12
9
6
3
冷流体进口温度t1℃
47.8
46.0
45.6
45.1
44.4
43.6
41.6
40.4
冷流体出口温度t2℃
80.6
79.9
79.8
79.7
80.0
80.4
80.9
80.4
蒸汽进口温度T1℃
103.1
102.8
102.8
103.0
103.3
103.2
103.7
103.5
蒸汽出口温度T2℃
103.9
103.5
103.4
103.7
104.1
103.6
104.4
104.0

2、根据 将冷热流体的进出口温度换算成冷热流体间的对数平均温差,数据总结如下表.
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
冷流体流量m3/h
22
20
18
15
12
9
6
3
冷流体进口温度t1℃
47.8
46.0
45.6
45.1
44.4
43.6
41.6
40.4
冷流体出口温度t2℃
80.6
79.9
79.8
79.7
80.0
80.4
80.9
80.4
蒸汽进口温度T1℃
103.1
102.8
102.8
103.0
103.3
103.2
103.7
103.5
蒸汽出口温度T2℃
103.9
103.5
103.4
103.7
104.1
103.6
104.4
104.0
Δtm
36.7767
37.5822
37.7648
38.2746
38.6872
38.4463
39.4791
39.9889

3、在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。
（1）空气的密度与温度的关系式：
（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下＝ J / (kg ∙℃),
70℃以上＝ J / (kg ∙℃)。
（3）空气的导热系数与温度的关系式：
（4）空气的黏度与温度的关系式：
按以上公式，并以标准单位换算，得到如下数据结果表：
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气质量流率m(kg∕s) ×103
7.0337
6.4129
5.775
4.817
3.858
2.897
1.938
0.971
空气进口密度ρ(Kg/m3)
1.0993
1.1058
1.1072
1.1090
1.1115
1.1144
1.1217
1.126
空气比热Cp(J/kg℃)
1005
1005
1005
1005
1005
1005
1005
1005
空气导热系数λ（W/m℃）×102
2.9453567
2.9357
2.9337
2.9314
2.9299
2.9283
2.9225
2.9159
空气粘度μ(PaS) ×105
2.03
2.023
2.02
2.02
2.02
2.02
2.02
2.01
对流传热系数
α（W∕m℃）
125.4877
115.7145
104.6247
104.6247
71.0119
55.4713
38.5857
19.4242
α2理论w/(m2·℃)
125.7769
116.9923
107.6296
93.1249
78.0317
62.1109
45.1182
25.9808
误差
0.23%
1.09%
2.79%
6.47%
9.00%
10.69%
14.48%
25.24%

4、对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：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；

按以上公式，并以标准单位换算，得如下数据结果表。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
雷诺数Re
26353.80
24168.37
21792.52
18202.72
14602.18
10985.33
7384.54
3714.26
普兰特数Pr
0.6925
0.6928
0.6929
0.6929
0.6929
0.6930
0.6931
0.6933
努塞尔数Nu
68.1684
63.0667
57.0601
47.5415
38.7796
30.3089
21.1248
10.6584
Nu理论
68.3254
63.7631
58.6989
50.82867
42.61318
33.93679
24.70115
14.25606
ln(Nu理论/Pr0.4)
4.3712
4.3019
4.2192
4.0752
3.8989
3.6712
3.3535
2.8037
ln(Nu/Pr0.4)
4.3689
4.2909
4.1909
4.0083
3.8046
3.5581
3.1971
2.5129
lnRe
10.1794
10.0928
9.9893
9.8093
9.5889
9.3043
8.9071
8.2199

5、由式 ，实验测定、、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K如下表。
序号
t2-t1
(℃)
换热面积A
(m2)
总给热系数K(W/m2℃)
1
32.8
0.05024
125.4877
2
33.9
0.05024
115.7145
3
34.2
0.05024
104.6247
4
34.6
0.05024
87.1024
5
35.6
0.05024
71.0119
6
36.4
0.05024
55.4713
7
38.4
0.05024
38.5857
8
40.0
0.05024
19.4242

按上面计算结果,作Re-Nu∕Pr^0.4曲线图如下：

ln(Nu/Pr0.4)=lnA+mlnRe，所以，由上图可知lnA=-5.196，则A=0.005539，m=0.939.
分析：教材中Nu/Pr0.4=0.023Re0.8，即理论值为：m=0.8;A=0.023。误差比较大。这与实验数据的温差及Re数没有全在要求的范围内有关系。如果温差不符合范围的采用齐德—泰勒公式以及其他修正，误差可以减小。
六、 思考题
1|管中空气的流速对传热系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器的温度 将会升 高还是降低？为什么？
答：根据实验数据显示：流速增大，传热系数增大；当空气流速增大的时候，空气离开换热器的温度是降低的。因为尽管流速增大，传热系数增大，但是同时由于流速增大导致了空气换热的时间就减少了，而明显可以看出，随着流速的增大，换热时间变化的快些。
2、 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，其对流给热系数h的关联式有无影响？
答：采用不同压强的蒸汽进行实验，对h关联式基本无影响。因为h∝(ρ2gλ3r/μd△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r和△均增加，其它参数不变，故(ρ2gλ3r/μd△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对h关联式无影响。
3.如何评价强化传热的效果？常采用什么作为评价的指标？
答：,换热器换热过程中的能量损失包含两个方面:一是推动流体流动达到一定速度时所消耗的动力;二是温差传热的不可逆损失。当扩大传热面及采用其它强化措施后, 可以减少温差传热的不可逆损失,但此时流动阻力必然增加,而且阻力系数随着换热系数的增加而显著提高。以作为评价传热方法的准则, 这个准则数越大,强化性能越好。从相同输送功率下热量，传递大小的观点出发,提出了准则。该准则较为合理。