实验五 对流给热系数测定

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1、5对流给热系数测定5.1实验目的（1）测定水蒸汽在圆直水平管外冷凝给热系数α0及冷流体(空气或水)在圆直水平管内的强制对流给热系数αi。（2）观察水蒸汽在圆直水平管外壁上的冷凝状况（膜状冷凝和滴状冷凝）。5.2实验原理5.2.1.串联传热过程冷流体（空气和水）与热流体水蒸汽通过套管换热器的内管管壁发生热量交换的过程可分为三步：套管环隙内的水蒸汽通过冷凝给热将热量传给圆直水平管的外壁面(A0)；热量从圆直水平管的外壁面以热传导的方式传至内壁面(Ai)；内壁面通过对流给热的方式将热量传给冷流体(Vc)

2、。在实验中，水蒸汽走套管换热器的环隙通道，冷流体走套管换热器的内管管内，当冷、热流体间的传热达到稳定状态后，根据传热的三个过程、牛顿冷却定律及冷流体得到的热量，可以计算出冷热流体的给热系数（以上是实验原理）。（以下是计算方法）传热计算公式如下：Q=α0A0(T–Tw)m=αiAi(tw–t)m=VcρcCpc(t2-t1)(1)由（1）式可得：(2)(3)式（2）中，(T–Tw)为水蒸汽温度与内管外壁面温度之差，式（3）中，(tw–t)为内管内壁面温度与冷流体温度之差。由于热流体温度T、内管外壁温

3、Tw、冷流体温度t及内管内壁温tw均沿内管管长不断发生变化，因此，温差(T–Tw)和(tw–t)也随管长发生变化，在用牛顿冷却定律算传热速率Q时，温差应分别取进口（1）与出口（2）处两端温差的对数平均值(T–Tw)m和(tw–t)m，方法如下：（4）（5）当套管换热器的内管壁较薄且管壁导热性能优良（即λ值较大）时，管壁热阻可以忽略不计，可近似认为管壁内、外表面温度相等，即Tw1=tw1,Tw2=tw2。因此，只要测出冷流体的流量Vc、进出口温度t1和t2、水蒸汽进出口温度T1和T2、内管壁温Tw1

4、和Tw2，根据定性温度查出冷流体的物性ρc和Cpc，再计算出内管的内、外表面积Ai和A0，根据公式(2)和(3)就可计算出水蒸汽的冷凝给热系数α0及冷流体的对流给热系数αi。5.2.2.给热系数的经验公式Nusselt利用数值积分法求得纯净蒸汽在水平圆管外表面膜状冷凝平均给热系数的半经验公式：（6）式（6）中，蒸汽冷凝潜热γ为饱和蒸汽温度ts下的数据，壁温tw取进、出口壁温的平均值(tw1+tw2)/2，冷凝液物性ρ、λ、μ取液膜温度(ts+tw)/2下的数值。因此，只要测出套管换热器内管的外径d

5、0,就可算出蒸汽冷凝给热系数α0。对低粘度的液体在圆形直管内的呈湍流流动且被加热时，其对流给热系数可采用Dittus-Boelter关联式：（7）式（7）中的冷流体的物性λ、μ、ρ、Cp为冷流体在管内进、出口温度的算术平均值（t1+t2）/2所对应的数据，流速u为冷流体体积Vc流量除以管内径di计算的截面积。5.3实验流程与装置本实验装置由蒸汽发生器、LWQ—25型涡轮流量变送器、变频器或PS电动调节阀、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。其实验装置流程和实验控制柜面板如图5-1、5-2所

6、示。图5—1水蒸气～水（或空气）对流给热系数测定实验流程图1、水泵或旋涡气泵2、蒸气发生器3、4、旁路阀5、电动调节阀6、蒸汽总阀7、蒸气调节阀8、9、冷凝水排放阀10、水或空气流量调节阀11、惰性气体排放阀水蒸气—水体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自高位槽的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经电动调节阀和LWY—15型涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后进入下水道。水流量可用阀门调节或电动调节阀自动调节。2）设备与仪表规格（1）紫铜管规格：直径φ16×1.5

7、mm，长度L=1010mm；（2）外套玻璃管规格：直径φ112×6mm，长度L=1010mm；（3）旋涡气泵：XGB—12型，风量0～90m3/h，风压12kPa；（4）压力表规格：0～0.1Mpa。（5）电动调节阀：PS（6）涡轮流量计：LWY—15黄总电源开关绿红FUSEFUSEFUSE电动调节阀电源开关巡检仪电源开关仪表电源开关温度、压力巡检仪01—进口管壁温度102—进口管壁温度203—进口管壁温度304—出口管壁温度105—出口管壁温度206—出口管壁温度307—蒸汽I温度08—蒸汽II

8、温度09—水进口温度10—水出口温度11—套管内蒸汽压力流量手/自动控制仪智能流量积算仪（m3/h）图5—2水蒸气～水体系对流给热系数测定实验控制柜面板图水蒸汽自蒸汽发生器途经阀、阀由蒸汽分布管进入套管换热器的环隙通道，冷凝水由阀、阀排入水沟。冷流体水依次经过阀或电动调节阀、涡轮流量计、水或空气流量调节阀进入套管换热器的内管，被加热后排入下水道或放空。5.4操作步骤5.4.1水~水蒸汽系统1.开启电源。依次打开控制面板上的总电源、仪表电源。2.启动旋涡气泵,调节手动调节阀使风量最大