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不同体系对流传热膜系数测定的实验研究
张 芳
(辽东学院,辽宁丹东 118000)
摘要:选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、乙醇水溶液蒸汽—空气传热系统,分别对普通管换热器和强化管换热器进行了强制对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。普通管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;强化管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;其计算值与实验结果符合良好。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。
关键词:对流传热;Nu准数;Re准数;换热器
中图分类号:TP212.11 文献标志码:A 文章编号:1673-4939(2007)01-0013-04
传热是整个工业生产中必不可少的重要组成部分,各种化工生产中的流体,由于工艺需要,往往需将其加热或冷却在规定的温度范围内,要达到这种需要,通常进行的单元操作是传热。尤其蒸汽冷凝传热过程在化工、发电、动力、节能及航天热控领域具有十分广泛的应用背景,该换热过程的强化对于节约能源、原材料和工程费用等具有重要意义。传热常用的设备型式是间壁式的,其中重要的参数是传热系数,涉及到间壁两流体与壁面的传热膜系数,即对流传热系数[1,2]。对流传热是指流体在一定的几何形状、尺寸的设备中发生的热流体到壁面或壁面到冷流体的热量传递。而套管换热器是在设备外层包上一个空间,制造容易且成本低,成为最常用的热交换设备之一[3]。对流传热是流体流动过程中发生的热量传递现象,它是依靠流体质点的移动进行热量传递的,故与流体的流动状况及流体的性质等有关。目前,研究对流传热大多是在水蒸汽一空气传热体系下,对含有有机蒸汽一空气传热过程的研究却很少报道。本文建立了水蒸汽—空气的普通管及强化管的传热系统和乙醇水蒸汽—空气的普通管及强化管的传热系统,分别测定在不同的操作条件下对流传热的膜系数及蒸汽冷凝膜系数,确定对流传热的准数关联式,对化工、炼油行业中蒸汽冷凝,尤其是有机蒸汽冷凝的换热系统,寻求最佳操作状况,选择合适的冷凝介质具有非常重要的意义[4]。
1 实验原理
1.1 空气一侧流体对流传热膜系数αi的测定
在此实验中,只要测出空气流量及空气进出口温度、管壁温度、装置的尺寸,查取流体的密度和定压比热,计算出温度差及传热面积,就可以求出空气一侧流体传热膜系数αi。
1.2 空气在圆形直管中强制对流传热时,传热膜系数准数关联式待定系数的确定
由实验测得的数值t1、t2、V、Tw,计算出温度差Δtm、传热面积Ai及查表得相关数据λ、μ、ρi、Cp代入上式中,求得Nu、Re。
在直角坐标系以logRe为横坐标,以logNu/Prn为纵坐标绘出直线,求出直线的斜率,代入任一坐标值,得到空气在圆形直管强制对流传热膜系数的准数关联式。
1.3 蒸汽一侧流体对流传热膜系数αo的测定
由牛顿冷却定律可得到:αo=VρiCp(t2-t1)/Ao(T-Tw)
T———蒸汽釜内的温度,℃
Ao———传热外表面积, 把所得数据代入上式中,通过计算得出蒸汽冷凝传热膜系数数值。
2 实验方法
2.1 实验系统
1.普通管换热器2.强化管换热器3.蒸汽发生器4.旋涡气泵5.旁路调节阀6.孔板流量计7.风机进口温度8.9.空气支路控制阀10.11.蒸汽支路控制阀12.13.蒸汽不凝汽放空口14.蒸汽上升主管路15.加水口16.放水口17.液位计18.蒸汽冷凝液回流口19.20.热电偶
系统为两个套管换热器,管1为普通管,管2为强化管,管2内部充以螺旋丝,由电加热釜3产生蒸汽,蒸汽冷凝为液体由冷凝液回流口18排出。旋涡泵4逆流在管1或管2内输送冷流体空气,风量由孔板流量计6测得,冷流体进出口的温度、加热釜内的温度由热电阻温度计测量,并通过数字显示仪表,由切换开关转换显示出来,管1或管2的管壁温度由热电偶温度计检测,并由毫伏表显示读数。
2.2 实验方法
向加热釜3内注满约2/3高度的水,由玻璃管液位计17读出,打开管1的蒸汽控制阀10,给加热釜3通电,约1h釜内温度升高产生蒸汽,打开空气支路控制阀8,启动风机,通过调节旁路阀5,待调节风量稳定后记录如下数据:空气的进出口温度t1、t2、加热釜内温度T、管壁温度Tw、风压ΔP。测8组数据,关闭风机。
打开管2,蒸汽控制阀11,关闭蒸汽控制阀10,启动风机重复上述操作,记录相关的数据t1、t2、T、Tw、ΔP。
向加热釜内注满约2/3高度处的乙醇水溶液,乙醇和水的体积比为1∶1,重复管1和管2的操作过程记录相关数据t1、t2、T、Tw、ΔP。(见表1、2)
表1、表2中,T:乙醇蒸汽釜内温度。t1:冷空气进口温度。t2:冷空气出口温度。ΔP:冷空气的压差。TW:管壁的温度。
3 结果讨论
水蒸汽—空气在普通管内的对流传热系统,对此系统下测得数据按实验原理进行处理并得到不同Re下的Nu数值。由于:
logNu/Prn=logA+mlogRe
用最小二乘法电算法的线性回归得到在不同操作系统下的对流传热的准数关联式。由图2、3、4、5得知:不论在何种系统中Re的对数与Nu的对数呈线形关系。
图2为水蒸汽一空气普通管传热系统的logNu/Pr0.4一logRe坐标图;Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;
图3为水蒸汽一空气强化管传热系统的logNu/Pr0.4一logRe坐标图;Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;
图4为乙醇水蒸汽一空气普通管传热系统的logNu/Pr0.4一logRe坐标图;Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;
图5为乙醇水蒸汽一空气强化管传热系统的logNu/Pr0.4一logRe坐标图;Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;%-T#
图2和图4都为普通管换热器,其尺寸、形状、位置均一样,但是加热介质不同,关联式却相同。图3、图5同是强化管传热系统,加热介质不同,也得到相同的关联式。即同样设备装置,不同的加热介质其对流传热膜系数是相同的。图2和图3同为水蒸汽—空气传热系统,加热介质一样,但换热器结构却不一样,得到了不同的关联式,图4和图5为乙醇水蒸汽—空气传热系统也阐述了同样道理。
乙醇水蒸汽的沸点在实验条件下为81.2℃而水蒸气的沸点为100℃,这样乙醇水蒸汽换热器内壁的温度较水蒸汽换热器的内壁温度为低。相同操作条件下,冷流体的出口温度不一样。即Re相同下,乙醇水蒸汽—空气传热系统中空气的传热准数关联式和水蒸汽—空气传热系统中空气的传热准数关联式相同。强化管内填充了螺旋丝,改变流体的流动条件,增加了流动阻力,大大增加管内流体的湍动程度,从而与普通管的传热膜系数有了较大的差别,得到了不同的关联式。
4 结论
4.1 通过实验充分证明了流体的对流传热膜系数的影响因素有流体的种类,流体的性质,流体的运动状况,流体对流情况,传热壁的形状、大小、位置及传热时有无相变化等。由上述分析可见其影响膜系数因素之多,很难用一个普通适用的α的计算式,目前只能用因次分析法,组成一列无因次特征数方程式,然后按照实际情况进行大量实验,求出特定条件下的α的计算式。通过本实验装置也可以得到不同载热体的冷凝传热膜系数,但在实验中由于不凝汽体的存在大大降低了冷凝传热膜系数,所以要及时把不凝汽体排出。这为换热器的工程设计和选择最佳的操作条件提供了依据。
4.2 通过本实验装置得到普通管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;强化管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;其计算值与实验结果符合良好。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。
参考文献:
[1]顾维藻,神家锐,马重芳.强化传热[M].北京:科学出版社,1990:58-67.
[2]王补宣.工程传热传质学[M].北京:科学出版社1998:99-128.
[3]诸爱士,徐晓男,吴盛林.测定对流传热系数的实验装置设计及测定条件选择[J].实验室研究与探索,2003,22(3):83-86.
[4]王今良,蒋绍坚.滴状冷凝传热系数的实验研究及分析[J].实验室研究与探索,2005,24(2):13-16.(责任编辑:陈庚顺)
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