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《热工基础》实验指导书-中南大学.pdf

《热工基础》实验指导书-中南大学

wangkuibo16
2013-05-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《《热工基础》实验指导书-中南大学pdf》,可适用于工程科技领域

中南大学能源科学与工程学院热能与动力工程中心实验室《热工基础》实验指导书热能与动力工程系编目录实验十二换热器综合实验……………………………………………()实验十三具有对流换热条件的伸展传热特性实验…………………()实验十四强迫对流管簇管外放热系数实验…………………………()实验十五翅片管束管外放热和阻力热实验…………………………()实验十六中温辐射时物体黑度的测试………………………………()实验十七压力计结构及调校…………………………………………()实验十八显示仪表的校验……………………………………………()实验十九工业热电偶的检定及其静态特性测试实验……………()实验二十节流式流量计性能的测定………………………………()实验十二换热器综合试验一、实验目的掌握流体温度、流量以及压力等热工参数的测量方法掌握换热器性能的测试方法比较不同结构换热器的换热能力掌握开发强化传热的新型换热器。二、实验内容测定套管式、螺旋板式和列管式换热器在顺流、逆流两种不同流动方式时的对数平均温差、传热系数以及冷热水的热平衡误差测定并绘制流量-传热系数曲线研究换热器结构、流动方式以及流体流速对换热器性能的影响利用测得的综合传热系数根据最大传热单元数与换热效率之间的关系求出流体不同进口温度下的出口温度并与实验结果进行比较。图实验装置表盘示意图热水流量调节阀热水启闭阀门组热水流量计热水进口压力表数显温度计琴键转换开关电压表电流表冷水进口压力表开关组冷水流量计冷水启闭阀门组逆顺流转换阀门组冷水流量调节阀三、设备及原理.实验设备及运行实验面板如图结构与原理示意图如图。实验台测试对象为三种间壁式换热器:套管式、螺旋板式和列管式分别如图中所示。冷水由自来水管道进入冷水箱通过冷水泵提供给三个并联的换热器。冷水可以通过切换阀门组决定由哪一个口进入换热器从而形成换热器的顺流和逆流两种不同的流动。切换阀门组由a,b,c,d四个阀门组成在操作时必须使a,c或b,d联动开启。若a,c阀门开启则冷水经阀门c由右边进入换热器从左边流出经阀门a回到冷水箱。若b,d阀门开启则冷水经阀门d由左边进入从右边流出经阀门b回到冷水箱。热水按图中粗实线的路线流动回水箱中的水经热水泵进入电加热水箱流经换热器后回到回水箱。.测定数据及处理方法冷热水进出口安装有热电偶根据所测温度可进行对数平均温差的计算。传热系数可通过传热方程求得。其中的换热器传热量Φ通过热平衡式求得:图换热器综合实验台原理图冷水泵冷水箱冷水浮子流量计冷水顺流、逆流换向阀门组列管式换热器热水浮子流量计回水箱电热水箱热水泵螺旋板式换热器套管式换热器)(ttcqm′′−′=Φ)(ttcqm′−′′=Φ)(ΦΦ=Φ其中Φ、Φ分别为热水失去、冷水获得的热量tt′′′、分别为热流体进、出口温度tt′′′、为冷流体进、出口温度qm,c为热流体的质量流量和比热qm,c为冷流体的质量流量和比热热平衡误差:Φ−Φ=∆Φ计算绝对误差Φ∆Φ可得相对误差。质量流量通过转子流量计所测定的体积流量转化求得:vmqqρ=四、实验台主要参数换热器换热面积F(m):套管式换热器螺旋板式换热器列管式换热器电加热器总功率:KW。冷、热水泵:允许工作温度(℃)额定流量(mh)扬程(m)电机电压(V)电机功率(W)转子流量计:型号:LZB流量:升小时允许实验操作温度范围:℃。五、实验台的操作实验前准备:()熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能()打开所要实验的换热器阀门关闭其它阀门()按顺流(或逆流)方式开启相应的冷水换向阀门()向冷热水箱充水禁止水泵无水运行(热水泵启动加热才能供电)。实验操作:()接通电源启动热水泵(为了提高热水温升速度可先不启动冷水泵)并调整好合适的流量()将加热器开关分别打开(热水泵开关与加热开关已进行连锁热水泵启动加热才能供电)()利用数显温度计和温度测点选择琴键开关按钮观测和检查换热器冷热流体的进出口温度。()在冷热流体的温度基本稳定时认为系统达到稳定状况此时可记录相应测温点的温度数值同时记录转子流量计冷热流体的流量读数()针对不同工况进行测定和记录()实验结束后首先关闭电加热器开关分钟后切断全部电源。六、实验要求实验前预习换热器的相关内容了解换热器综合传热系数的计算掌握顺流、逆流时传热效率与最大传热单元数之间的关系式预习实验内容设计实验数据记录表格.测定~个不同流量下的工况掌握并运用origin绘图软件绘制流量传热系数特性曲线分析仪器仪表的测量误差并提出相应的修正方法在现有实验装置的基础上考虑如何设计性能更强的实验装置如:()若要测量局部传热系数需要对实验装置进行哪些改进?其计算公式是什么?()测量沿程阻力与局部阻力()将测得的热工参数实现自动巡回检测并记录。也可根据自己实验装置的观察以及所学的知识设计出其他的试验功能。按照实验报告的要求提交实验报告。七、实验预习思考按传热特征来分类换热器的类型有哪些?在推导对数平均温差的表达式时做了哪些近似假设?最大传热单元数的概念及其物理意义分别写出换热器在顺流、逆流时的换热效率与最大传热单元数的关系式提高换热器综合传热系数的途径有哪些?热电偶在测量流体温度时有哪些误差?如何修正?八、注意事项热流体在热水箱中加热温度不得超过℃禁止水泵无水运行(热水泵启动加热才能供电)实验台使用前应加接地线以保安全。实验十三具有对流换热条件的伸展体传热特性试验一、实验目的与要求目的:通过实验和对实验数据的分析深入了解伸展体传热的特性并掌握求解具有对流换热条件的伸展体传热特性的方法。要求:、测出一定条件下导体内不同截面的过余温度值、用测得的不同X位置过余温度θ数据求实验条件下的m值及α值、根据实验条件求得的m值用分析公式计算过余温度分布过余温度最低值处的位置及其值并于实测结果比较。二、实验原理具有对流换热的等截面伸展体当长度与横截面之比很大时(常物性)其导热微分方程式为:=−θθmdxdfUmλα=式中:θ过余温度=ttf(℃)t伸展体温度(℃)tf伸展体周围介质的温度(℃)α空气对壁面的换热系数(Wm•℃)U伸展体周长本试验中U=πd(m)f伸展体截面积本试验中)(iddf−=π(m)导热微分方程式=−θθmdxd的通解为:mxmxecec−=θ()或:)()(mxshAmxchA=θ(),cc,AA可由边界条件确定。二端为第一类边界条件时X=θθ=X=Lθθ=代入())()(θϑ=⇒=AshAchA)()()()(mLshmLchAmLshAmLchAθθθ−=⇒=得:)}()({)()()()()()()()()()()(mxshxLmshmLshmxshmxshmLchmLshmxchmLshmxShmLShmLChmxchθθθθθθθθθ−=−=−=()则:)}()({)(xLmchmxchmLshmdxd−−=θθθ())()(mLchmLshmdxdxθθθ−==())()(θθθ−==mLchmLshmdxdLx()过余温度θ最低点的位置Xmin由=dxdθ求得式()中:)(≠mLshm=dxdθ即)()(=−−xLmchmxchθθ得)()()()()()()(mxchmxshmLshmxchmLchmxchxLmch•−•=−=θθ由此得到)()()(mLshmLchmxthθθ−=得:Xmin=−)()(mLshmLcharcthmθθ()X=处导热量)()(mLchmLshmfdxdfxθθλθλ−−=−=Φ=()X=L处导热量)()(θθλθλ−−=−=Φ=mLchmLshmfdxdfLx()伸展体总散热量)()()(})()({)(−=−−=Φ−Φ=ΦmLchmLshmfmLchmLchmLshmfθθλθθλ()由中点及二端的过余温度即:X=θθ=LX=Lθθ=X=Lθθ=可求得对应于伸展体工作条件下的m值利用()式)()()(mLshmLchmLshmLθθθ=()因:)()()()(LmchLmshLmLmshmLsh••=••=则()式成为:)(mLchLθθθ==LarcchLmθθθ()三、实验仪器风道、风机、试验元件、主付加热器、测温热电偶等。详见装置系统图如下。VUJAIRIN图实验装置的系统简图、风机、风道、等截面伸展体、主加热器、测温热电偶、付加热器、热电偶拉杆及标尺、热电偶冷端、电位差计、电压表、风机转换开关调压变压器四、实验内容与步骤试件是一紫铜管放置在一风道中由风机和风道造成空气均匀横向流过管子表面的对流换热条件管子表面各处的换热系数基本上相同管子两端有加热器以维持两端处于所要求的温度状况这样就构成两端处于某温度下中间具有对流换热条件的等截面伸展体。为了测量铜管沿长度方向的温度分布在管内安装有可移动的热电偶测温头其冷端就放置在空气中这样通过UJ电位差计测出的热电势就放映了管子各截面的过余温度其相应的位置由带动热电偶测温头的滑动块在标尺上读出。管子两端的加热器通过调压器来控制其功率以达到控制两端温度的目的。为了改变空气对管壁的换热条件风机的工作电压亦相应的可做调整以改变空气流过管子表面的速度。试件的基本参数:管子的外径d=mm管子的内径di=mm管子长度L=mm管子的导热系数λ=wm•℃⑴、检查并熟悉实验装置的各部分要求掌握UJ电位差计的使用方法。⑵、先开风机。然后调整主付加热器的变压器使其在某功率下工作(注意:加热器电压不得超过V否则会将设备烧坏)。⑶、待加热器温度稳定后在逐点测量沿X方向不同位置处的电势值测温头每移动一个位置都要待温度稳定后再读数。然后将数据填入表。⑷、实验完毕后先将主付加热器的变压器调回“”位然后再关风机。表实验所测数据测量点坐标位置x(mm)热电势(mV)过余温度θ(℃)注:测温头所采用的为铜康铜热电偶当热端温度在℃以下时其热电势输出近似为mV℃而这对本实验已足够准确。五、数据处理与分析由式()可知所得的过余温度分布与某一m值对应。由于试验件的u、f、λ是定值因此过余温度分布也就是与试验条件中的换热系数α对应。如何由试验数据求得所对应的m值?可采用任选三点abc符合Xa<Xb<Xc()acabXXXX−=−即b为ac的中点。则可用baaLθθθθθθ===L=XcXa代入下式求得m值=LarcchLmθθθ将选取不同的abc三点及算出的m、α值列入表。表试点值L(m)θ(℃)Lθ(℃)θ(℃)m(m)α(wm℃)、、、、、、认为沿管长换热系数相等因此可取m、α的平均值用公式()计算坐标X=到X=各点的过余温度值列入表。由式()可计算过余温度最低点的位置Xmin并将其代入式()即可求过余温度最低值minθ。同时按式()、()、()可分别计算管内两端的传热量及总传热量。表x(mm)θ(℃)将实验值所测与理论计算的各点的过余温度绘入下图。X(mm)O(°C)六、注意事项、调整加热器功率时须注意两端温度不要过高以免烧坏测温部件。加热电压一般取V<伏为宜。、实验结束后先将调压变压器输出调到零待试件降温至常温后再关掉风机以免烧坏实验装置。七、思考题将实验值与理论值进行比较讨论一下误差产生的原因。实验十四强迫对流管束管外放热系数测定实验一、实验目的.了解热工实验的基本方法和特点.学会翅片管束管外放热系数测定的实验研究方法.巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识.培养学生独立进行科研实验的能力。二、实验内容.熟练实验原理和实验装置学习正确使用测温度、测压差、测流速、测热量等仪表。.正确安排实验测取管外放热的有关实验数据。.用威尔逊方法整理实验数据求得管外放热系数的无因次关联式。.对实验设备实验原理实验方案和实验结果进行分析和讨论。三、实验原理.翅片管是换热器中常用的一种传热元件由于扩展了管外传热面积故可使光管的传热热阻大大下降特别适用于气体侧换热的场合。.空气(气体)横向流过翅片管束时的对流放热系数除了与空气流速及物性有关以外还与翅片管束的一系列几何因素有关其无因次函数关系可表示如下:Nu=f(Re、Pr、、、、、、olotoooDPDPDBDDHδN)()式中:Nu=λαoD•为Nusselt数ηνmomoGDUD•=•=Re为Reynolds数Pr=αν=뵕c为Prandtl数H、δ、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距Pt、Pl为翅片管的横向管间距和纵向管间距N为流动方向的管排数Do为光管外径Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速(ms)和质量流速。(kgms)且Gm=Um•ρλ、ρ、c、μ、ν、α为气体的物性值。此外放热系数还与管束的排列方式有关有两种排列方式顺排和叉排由于在叉排管束中流体的紊流度较大故其管外放热系数会高于顺流的情况。对于特定的翅片管束其几何因素都是固定不变的这时式()可简化为:Nu=f(Re、Pr)()对于空气Pr数可看作常数故Nu=f(Re)()式()可表示成指数方程的形式Nu=CRen()式中C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。.对于翅片管管外放热系数可以有不同的定义公式可以以光管外表面为基准定义放热系数也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便此处采用光管外表面积作为基准即:)(woaoTTLDnQ−•••=πα()式中:Q为总放热量(W)n为放热管子的根数πDL为一支管的光管换热面积(m),Ta为空气平均温度(℃)Tw为光管外壁温度(℃)此处α的单位为(wm•℃)。.如何测求翅片管束平均管外放热系数α是实验的关键。如果直接由式()来测求α势必要测量管壁平均温度Tw这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法即:威尔逊方法测求管外放热系数这一方法的要点是先测求出传热系数然后从传热热阻中减去已知的各项热阻即可间接地求出管外放热热阻和放热系数。即wiRK−−=αα()式中:K为翅片管的传热系数可由实验求出)(απTTLDnQKvo−•••=()其中:Tv代表管内流体的平均温度。iα是管内流体对管内壁的放热系数可由已知的传热规律计算出来Rw由管壁的导热公式计算之。应当指出当管内放热系数αα>>i时管内热阻iα将远远地小于管外热阻α这时iα的某些计算误差将不会明显地影响管外放热系数α的大小。.为了保证iα有足够大的数值一般实验管内需采用蒸汽冷凝放热的换热方式。本实验系统中采用简易热管作为传热元件将实验的翅片管做成简易热管的冷凝段即简易热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝放出汽化潜热透过管壁传出翅片管外这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时管内放热系数iα可用Nusselt层流膜层凝结原理公式进行计算即:)()(µρλµαgi−Γ=()式中iDrnQπ=Γ为单位冷凝宽度上的凝液量(kgs,m),其中r为汽化潜热(Jkg)Di为管子内径式()中第个括号中的物理量为凝液物性的阻合。园筒壁的导热热阻为iowwDDRlnπλ=()应当注意式()中的各项热阻都是以光管外表面积基准的。四、实验设备实验的翅片管束安装在一台低速风洞中实验装置和测试仪表如图所示。试验由有机玻璃风洞加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为mm×mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。试验管件由两部分组成单纯翅片管和带翅片的试验简易热管但外形尺寸是一样的采用顺排排列翅片管束的几何特点如表所示。表翅片管内径翅片管外径翅片高度翅片厚度翅片间距横向管间距纵向管间距管排数DimmDommHmmδmmBmmPtmmPlmmN根简易试验热管组成一个横排可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第排的位置上因为实验数据表明自第排以后各排的放热系数基本保持不变了。所以这样测求的放热指数代表第排及以后各排管的平均放热系数。简易试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。每一支热管的内部插入一支E型热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tvo电加热器热的箱体上也安装一支热电偶用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势也可由UJa型电位差计进行测量。图实验风洞系统简图风机支架风机风量调节手轮过渡管测压管测速段过渡管管簇后测压管实验管段管簇前测压管吸入管支架加热元件控制盘空气流的进出口温度由数显表配热电偶测量也可用℃的玻璃温度计进行测量入口处安装一支出口处可安装两支以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流的速度和流量由安装在测速收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。五、实验步骤.熟悉实验原理实验设备.调试检查测温、测速、测热等各仪表使其处于良好工作状态.将四排加热管上的接有热电偶的上盖拔出使其能够冒气即可。接通电加热器电源将电功率控制在~KW之间加热至四排加热管均有水蒸气冒出后盖上接有热电偶的上盖。开动引风机。注意:()盖上接有热电偶的上盖时不要让水蒸汽烫着手!()引风机需在空载或很小的开度下启动.调整引风机的阀门来控制实验工况的空气流速。一般空气风速应从小到大逐渐增加实验中根据毕托管压差读值可改变~个风速值这样就有~个实验工况.在每一个实验工况下待确认设备处于稳定状态后进行所有物理量的测量和记录将测量的数值记录到予先准备好的数据记录表格中。.进行实验数据的计算和整理将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时可以用手算也可以用予先安排好的计算机程序计算。.对实验结果进行分析和讨论。应注意当所有工况的测量结束以后应先切断电加热器电源待分钟后再关停引风机。六、数据整理数据的整理可按下述步骤进行:.风速和风量测量截面积的风速ρhgU∆=测()其中:压差h∆mm水柱或kgfm空气密度ρkgm风量:Ma=U测×F测×ρ测其中:测量截面积F测=×m测量截面处的密度由出口空气温度Ta确定。.空气侧吸热量:Ql=Ma×Cpa×(TaTa)().电加热器功率Q=I×V.加热器箱体散热。因箱体温度很低散热量小可由自然对流计算Q=αc×Fb×(TωTo)此处αc为自然对流散热系数可近似取αc=wm•℃进行计算Fb为箱体散热面积(实测)Tω箱体温度To为环境温度。.计算热平衡误差)(QQQQ−−=∆().计算翅片管束最窄流通截面处的流速和质量流速窄测涮FFUUm×=msρ×=mmUGkgm·s.计算Re数Re=µmoGD.计算传热系数℃⋅−ו••=)(mwTTLDnQKavlπ().计算管内凝结液膜放热系数由式()进行计算对于以水为工质的热管液膜物性值都是管内温度Tv的函数因此式()可简化为:))((−−=ilvvinDQTTa().计算管壁热阻由式()计算.由式()计算管外放热系数.计算λiaDNu=.在双对数坐标纸上标绘Re−Nu关系曲线并求出其系数和指数。也可由计算机程序求Re−Nu的回归方程。一组实测的实验数据及其整理结果如附录I所示。七、讨论(一)测求的管外放热系数a包括了几部分热阻?(二)所求实验公式的应用条件和范围是什么?应用威尔逊方法需保证什么条件?(三)每支实验热管的管内温度vT不尽相同这对放热系数α的精确性有何影响?(四)分析实验误差原因和改进措施。(五)通过实验掌握了哪些实验技能?巩固了哪些基本概念?八、附记(一)本实验所需教学时数大约学时。在进行充分预习实验指导书的条件下实验进行约学时数据整理学时。(二)实验应用的基础知识较多宜在课程的后期安排进行。(三)因为本实验台的实验元件都是可以更换的可以满足各种不同的实验要求因而也适用于研究生的实验研究。也可为工业传热元件进行性能标定。附录I数据记录测试记录序号管束规格电流A电压V功率VA管内温度流速压头Δhmm水柱入口气温T℃出口气温T℃室内温度To℃炉外温度mVTWmVTVmVTVmVTVmVTV平均TVTo顺排六排管″″″″″注:最窄流通截面积F窄=m测试人员:测量截面积F测=m附录II数据整理序号空气流速Ums质量流速Gkgm•S质量流量MkgS最窄截面质量流速Gkgm•S雷诺数Re空气吸热Q电加热Q散热损失Q热平衡误差DQQ传热系数KWm•℃管内放热系数αiWm•℃管外放热系数αWm•℃Nu数λαDoNu=备注关联公式:Nu=Re铜鏮铜热电偶温度豪伏对照表mVmVmVmVmVmVmVmVmVmV温度,,,镍铬铜镍(鏮铜)热电偶(E型)温度微伏对照表μVμVμVμVμVμVμVμVμVμV温度实验十五翅片管束管外阻力测定实验一、实验目的.了解流体力学实验的基本方法和特点.学会翅片管束管外阻力测定的实验研究方法.巩固和运用课堂讲授的基本概念和基本知识.培养学生独立进行科研实验的能力。二、实验内容.熟练实验原理和实验装置学习正确使用测压差、测流速等仪表。.正确安排实验测取管外阻力的有关实验数据。.对实验设备实验原理实验方案和实验结果进行分析和讨论。三、实验原理四、实验设备同前一实验图实验风洞系统简图风机支架风机风量调节手轮过渡管测压管测速段过渡管管簇后测压管实验管段管簇前测压管吸入管支架加热元件控制盘空气流的进出口温度由数显表配热电偶测量也可用℃的玻璃温度计进行测量入口处安装一支出口处可安装两支以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计测量管束前后的静压测孔都是

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