1、空氣蒸汽給熱系數測定裝置（QQ200B）實驗指導書空氣蒸汽給熱系數測定裝置實驗指導書空氣蒸汽對流給熱系數測定一、實驗目的1、 了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數測定的實驗方法。2、 掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現象。3、 學會給熱系數測定的實驗數據處理方法，了解影響給熱系數的因素和強化傳熱的途徑。二、基本原理在工業生產過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(41)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。 達到傳熱穩定時，有 （41）式中：Q 傳熱量，J / s

2、；m1 熱流體的質量流率，kg / s；cp1 熱流體的比熱，J / (kg )；T1 熱流體的進口溫度，；T2 熱流體的出口溫度，；m2 冷流體的質量流率，kg / s；cp2 冷流體的比熱，J / (kg )；t1 冷流體的進口溫度，；t2 冷流體的出口溫度，；a1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數，W / (m2 )；A1 熱流體側的對流傳熱面積，m2； 熱流體與固體壁面的對數平均溫差，；a2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數，W / (m2 )；A2 冷流體側的對流傳熱面積，m2； 固體壁面與冷流體的對數平均溫差，；K 以傳熱面積A為基準的總給熱系數，W / (m2 )； 冷熱流體的對數平

3、均溫差，；熱流體與固體壁面的對數平均溫差可由式（42）計算， （42）式中：TW1 熱流體進口處熱流體側的壁面溫度，；TW2 熱流體出口處熱流體側的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對數平均溫差可由式（43）計算， （43）式中：tW1 冷流體進口處冷流體側的壁面溫度，；tW2 冷流體出口處冷流體側的壁面溫度，。熱、冷流體間的對數平均溫差可由式（44）計算， （44）當在套管式間壁換熱器中，環隙通以水蒸氣，內管管內通以冷空氣或水進行對流傳熱系數測定實驗時，則由式（41）得內管內壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數， （45）實驗中測定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進出口溫度t1、t2；實驗用紫

4、銅管的長度l、內徑d2，；和冷流體的質量流量，即可計算a2。然而，直接測量固體壁面的溫度，尤其管內壁的溫度，實驗技術難度大，而且所測得的數據準確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式（41）得， （46）實驗測定、并查取下冷流體對應的、換熱面積A，即可由上式計算得總給熱系數K。下面通過兩種方法來求對流給熱系數。1 近似法求算對流給熱系數以管內壁面積為基準的總給熱系數與對流給熱系數間的關系為， （47）式中：d1 換熱管外徑，m；d2 換熱管內徑，m；dm 換熱管的對數平均直徑，m；b

5、換熱管的壁厚，m；l 換熱管材料的導熱系數，W / (m )； 換熱管外側的污垢熱阻，； 換熱管內側的污垢熱阻，。用本裝置進行實驗時，管內冷流體與管壁間的對流給熱系數約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數可達左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻可忽略。若換熱管內側的污垢熱阻也忽略不計，則由式（47）得， （48） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。2 傳熱準數式求算對流給熱系數對于流體在圓形直管內作

6、強制湍流對流傳熱時，若符合如下范圍內：Re=1.0×1041.2×105,Pr0.7120，管長與管內徑之比l/d60,則傳熱準數經驗式為， （49）式中：Nu努塞爾數，無因次；Re雷諾數，無因次；Pr普蘭特數，無因次；當流體被加熱時n0.4，流體被冷卻時n0.3；a 流體與固體壁面的對流傳熱系數，W / (m2 )；d 換熱管內徑，m；l 流體的導熱系數，W / (m )；u 流體在管內流動的平均速度，m / s；r 流體的密度，kg / m3；m 流體的粘度，Pa s；cp 流體的比熱，J / (kg )。對于水或空氣在管內強制對流被加熱時，可將式（49）改寫為， （4

7、10）令， （411） （412） （413） （414）則式（47）可寫為， （415）當測定管內不同流量下的對流給熱系數時，由式（414）計算所得的C值為一常數。管內徑d2一定時，m也為常數。因此，實驗時測定不同流量所對應的，由式（44）、（46）、（412）、（413）求取一系列X、Y值，再在XY圖上作圖或將所得的X、Y值回歸成一直線，該直線的斜率即為m。任一冷流體流量下的給熱系數a2可用下式求得， （416）3 冷流體質量流量的測定（1）若用轉子流量計測定冷空氣的流量，還須用下式換算得到實際的流量， （417）式中： V ' 實際被測流體的體積流量，m3 / s；' 實

8、際被測流體的密度，kg / m3；均可取下對應水或空氣的密度，見冷流體物性與溫度的關系式；V 標定用流體的體積流量，m3 / s； 標定用流體的密度，kg / m3；對水 = 1000 kg / m3；對空氣 = 1.205 kg / m3；f 轉子材料密度，kg / m3。于是 (418)（2）若用孔板流量計測冷流體的流量，則， (419)式中，V 為冷流體進口處流量計讀數，為冷流體進口溫度下對應的密度。4 冷流體物性與溫度的關系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關系式：（2）空氣的比熱與溫度的關系式：60以下 J / (kg ), 70以上

9、J / (kg )。（3）空氣的導熱系數與溫度的關系式： （4）空氣的黏度與溫度的關系式：三、實驗裝置與流程1實驗裝置1風機； 2冷流體管路； 3冷流體進口調節閥； 4轉子流量計； 5冷流體進口溫度；6不凝性氣體排空閥； 7蒸汽溫度； 8視鏡； 9冷流體出口溫度； 10壓力表； 11水汽排空閥；12蒸汽進口閥；13冷凝水排空閥；14蒸汽進口管路；15冷流體出口管路；圖4-1 空氣-水蒸氣換熱流程圖來自蒸汽發生器的水蒸汽進入不銹鋼套管換熱器環隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內進行熱交換，冷凝水經閥門排入地溝。冷空氣經孔板流量計或轉子流量計進入套管換熱器內管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2設備與

10、儀表規格（1）紫銅管規格：直徑21×2.5mm，長度L=1000mm（2）外套不銹鋼管規格：直徑100×5mm，長度L=1000mm（4）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示（5）全自動蒸汽發生器及蒸汽壓力表四、實驗步驟與注意事項1實驗步驟（1） 打開控制面板上的總電源開關，打開儀表電源開關，使儀表通電預熱，觀察儀表顯示是否正常。（2） 在蒸汽發生器中灌裝清水，開啟發生器電源，水泵會自動將水送入鍋爐，灌滿后會轉入加熱狀態。到達符合條件的蒸汽壓力后，系統會自動處于保溫狀態。（3） 打開控制面板上的風機電源開關，讓風機工作，同時打開冷流體進口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。（4）

11、打開冷凝水出口閥，排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。（5） 在通水蒸汽前，也應將蒸汽發生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關閉蒸汽進口閥門，打開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽響時關閉冷凝水排除閥，方可進行下一步實驗。（6） 開始通入蒸汽時，要仔細調節蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統中，使系統由“冷態”轉變為“熱態”，不得少于10分鐘，防止不銹

12、鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。（7） 上述準備工作結束，系統也處于“熱態”后，調節蒸汽進口閥，使蒸汽進口壓力維持在 0. 01MPa，可通過調節蒸汽發生器出口閥及蒸汽進口閥開度來實現。（8） 通過調節冷空氣進口閥來改變冷空氣流量，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩定后方可記錄實驗數值，一般每個流量下至少應使熱交換過程保持5分鐘方為視為穩定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數值。（9） 記錄68組實驗數據，可結束實驗。先關閉蒸汽發生器，關閉蒸汽進口閥，關閉儀表電源，待系統逐漸冷卻后關閉風機電源，待冷凝水流盡，關閉冷凝水出口閥，關閉總電源。（10） 待蒸汽發生器為常壓后，將鍋爐中的水排盡。 2

13、注意事項（1） 先打開水汽排空閥，注意只開一定的開度，開的太大會使換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力增大而使不銹鋼管炸裂。（2） 一定要在套管換熱器內管輸以一定量的空氣后，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。（3） 剛開始通入蒸汽時，要仔細調節蒸汽進口閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態”轉變為“熱態”，不得少于10分鐘，以防止不銹鋼管因突然受熱、受壓而爆裂。 （4） 操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa（表壓）以下，否則可能造成不銹鋼管爆裂。（5） 確定各參數時，必須是在穩定傳熱狀態下，隨時注意蒸汽量的調節和壓力表讀數的調整。五、實驗報告1、計算冷流體給熱系數的實驗值2、冷流體給熱系數的準數式：，由實驗數據作圖擬合曲線方程，確定式中常數A及m。3、以為縱坐標