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三、 实验装置与流程
图 4-1 水蒸气~水对流给热系数测定实验装置流程
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四、 实验步骤与注意事项
（1）检查仪表，蒸汽发生器及测温点是否正常； （2）打开总电源开关、仪表电源开关； （3）关闭电动调节阀两端的阀门，开启旁路阀，使管内通以一定量的水， 排除管内空气； （4）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水； （5）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀 8，打开进气系统的蒸汽调节阀 7， 使蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀 9， 使环隙中冷凝水不断地排至地沟； （6）仔细调节进系统蒸汽调节阀 7 的开度， 使蒸汽压力稳定保持在 0.02MPa 以下，以保证在恒压调节下操作，再根据测试要求，由大到小逐渐调节手动调节 阀 10 的开度，合理确定 3 个实验点，待稳定后，分别从控制面板上读取有关参 数， （7）实验结束，首先关闭蒸汽总阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后， 再关闭水手动旁路调节阀，然后关闭蒸汽发生器、仪表电源开关及切断总电源。
紫铜管规格：直径Φ16mm×1.5mm，长度 L=1010mm Ai=πdiL=3.14×（0.016-0.0015×2）×1.01=0.04123 ㎡ Ao=πdoL=3.14×0.016×1.01=0.05074 ㎡
o
V C p ( t 2 t1 ) Ao (T Tw ) m V C p ( t 2 t1 ) Ai ( tw t ) m
0.5 998.24 4.185 10 3 35.7 - 20.5 3600 7780W/（m 2·K） 0.05074 22.38 0.5 998.24 4.185 10 3 35.7 - 20.5 3600 4144W/（m 2·K） 0.04123 51.71
i 0.023
0 .8 0 .4 Re Pr di
2
（4-7）
αi——流体在直管内强制对流时的给热系数，W/（m ·℃）； λ——流体的热导率，W/（m·℃）； di——内管内径，m； Re——流体在管内的雷诺数，无量纲； Pr——流体的普兰特常数，无量纲。 式中，定性温度均为流体的平均温度，即 tf=（t1+t2）/2。
VC（ ） 0 A（ （ p t 2 - t1 0 T - Tw） m iA i t w - t） m
（4-1）
式中
V——被加热流体体积流量，m3/s； ρ——被加热流体密度，kg/m3； Cp——被加热流体平均比热容，J/（kg·℃）； αo，αi——水蒸气对内管外壁的冷凝给热系数和流体对内管内壁 的对流发给热系数，W/（m2·℃）； t1，t2——被加热流体进、出口温度，℃； Ao，Ai——内管的外壁、内壁的传热面积，m2； （T-Tw）m——水蒸气与外壁的对流平均温度差，℃；
表 4-2
实验 流量 V 次数 /（m3/h） 1 2 3 0.5 1 1.7 Nu Re
对流给热系数测定实验结果
Pr Nu· Pr-0.4 3002.383 4737.354 6248.263 αi αo Ko
/[W/(m2·K)] /[W/(m2·K)] /[W/(m2·K)] 4144.53 6539.51 8625.19 7780.02 11657.08 14392.46 2342.10 3620.10 4699.27
五、 实验数据及数据处理
表 4-1 对流给热系数测定实验数据记录
实验次 流量 V t1 数 /（m3/h） /℃ 1 2 3 0.50 1.00 1.70 20.5 20.4 20.4 t2 /℃ 35.7 32.4 29.8 Tw11 /℃ 76.8 77.6 78.9 Tw12 /℃ 82.0 82.6 77.1 Tw13 /℃ 85.6 86.8 82.5 Tw21 /℃ 79.4 73.8 74.4 Tw22 /℃ 79.0 75.8 76.4 Tw23 /℃ 79.0 75.8 76.4 T1 /℃ 102.7 102.5 103.1 T2 /℃ 102.7 102.5 103.1
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实验四、
实验日期： 2016.11.19
对流给热系数测定
一、 实验目的
1、观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象； 2、测定空气或水在圆形直壁管内外冷凝系数； 3、测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数； 4、掌握热电阻测温方法。
二、 基本原理
在套管 换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以水，水蒸气冷凝放热以 加热水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
i
K 可由下式得：
K o A o t m VC（ ） p t 2 - t1 （T t ） （ - T1 - t 2） （102.7 - 20.5） （ - 102.5 - 35.7） t m 2 1 74.34℃ T t 102.7 - 20.5 In 2 1 In T1 - t 2 102.5 - 35.7 0.5 998.24 4.185 10 3 （35.7 - 20.5） VC（ p t 2 - t 1） 3600 Ko 2342.1W/（m 2 K） A o t m 0.05074 74.34
计算示例： 定性温度 tm=（t1+t2)/2=28.1℃ 28.1℃时查附录可得水的物性参数： Cp=4.185×103J/（kg·K） ρ=998.24kg/m3 Tw1=（Tw11+Tw12+Tw13)/3=81.47℃ tw1≈Tw1=81.47℃ Tw2=（Tw21+Tw22+Tw23)/3=79.13℃ Tw2≈Tw2=79.13℃ T1-Tw1=102.7-81.47=21.23℃ T2-Tw2=102.7-79.13=23.57℃ tw1-t1=81.47-20.5=60.97℃ tw2-t2=79.13-35.7=43.43℃
（4-3）
Tw1，Tw2，tw1，tw2——外壁和内壁上进出口温度，℃。 由式（4-1t 2 t1 ) Ao (T Tw ) m
（4-4）
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i
V C p ( t 2 t1 ) Ao (t w t ) m
（4-5） 在水平管外，蒸汽冷凝给热系数，可由下列半经验公式求得：
2 g3 r 14 o 0.725 （ ） d o t
（4-6） 2 式中 αo——蒸汽在水平管外的冷凝给热系数，W/（m ·℃）； λ——水的热导率，W/（m·℃）； 2 g——重力加速度，9.81m/s ； 3 ρ——水的密度，kg/m ； r——饱和蒸汽的冷凝潜热，J/Kg； 2 μ——水的粘度，N·s/m ； do——内管外径，m； Δt——蒸汽的饱和温度 ts 和壁温 tw 之差，℃； 式中，定性温度除冷凝潜热为蒸汽饱和温度外，其余均取液膜温度，即 tm= （ts+tw）/2，其中：tw=（Tw1+Tw2）/2。 流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得： 湍流时： 式中
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（T1 - Tw1） （ - T2 - Tw2） 21.23 - 23.57 （T - Tw） 22.38℃ m T1 - Tw1 21.23 In ln 23.57 T2 - Tw2 （t w1 - t1） （ - t w2 - t 2） 60.97 - 43.43 （t w - t） 51.71℃ m t w1 - t1 60.97 In ln 43.43 t w2 - t 2
6247.542 13609.89 9857.775 27219.77 13001.766 46273.61
6.2461 6.2461 6.2461
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图 4-2 雷诺数指数
六、 实验结果讨论
（1）实验结果 ①理论上，冷流体给热系数应随流量的增大而增大，蒸汽冷凝给热系数和 对流给热系数应随流量的增大而减小。而实验结果中，蒸汽冷凝给热系数和冷流 体给热系数及对流给热系数均增大，可能是由于冷凝速度均较慢，管外水膜形成 变化较小导致给热系数均主要受流量影响。 ②按冷流体给热系数的模型式得 A=2.704，m=0.6018 （2）思考题 ①实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？ 答：冷流体和蒸汽是并流时，传热温度差小于逆流时传热温度差，在相同 进出口温度下，逆流传热效果大于并流传热效果。 ②蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响，应采取什么措 施？ 答：不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。并且不凝性气体 会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压 力升高，从而制冷量会降低。 ③实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响，如何及时排走冷凝 水？ 答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。 在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。 ④实验中，所测得的壁温是靠近蒸气侧还是冷流体侧温度？为什么？ 答：靠近蒸气温度；因为蒸气冷凝传热膜系数远大于空气膜系数。 ⑤如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 答：基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t 均增加，其它参数不变，故上式值变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联 式无影响。
（T1 - Tw1） （ - T2 - Tw2） （T - Tw） m T -T ln 1 w1 T2 - Tw2
（4-2）
T1，T2——蒸汽进出口温度，℃； （tw-t）m——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
（t w1 - t1） （ - t w2 - t 2） （t w - t） m t -t ln w1 1 t w2 - t 2