①冷空气-蒸汽的传热速率方程为:
式中 Q——单位时间内的传热量,W;
A——冷空气、蒸汽间的传热面积,m2;
Δtm——冷空气与蒸汽的对数平均温差,℃;
K——总传热系数,W/(m2·℃);
d——换热器内管的内直径,m;
L——换热器长度,m;
qv——冷空气流量,m3;
ρ,Cp——分别为冷空气的密度(kg/m3)和比热[J/(kg·℃)];
T——换热器壳程蒸汽的温度,℃;
t1,t2——分别为冷空气进出换热器的温度,℃。
当在套管式间壁换热器中,环隙通以水蒸气,内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时,则由式(5.29)得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数:
实验中测定不锈钢管的壁温tw1,tw2;冷空气或水的进出口温度t1,t2;实验用紫铜管的长度l、内径d2,A2=πd2l和冷流体的质量流量,即可计算α2。
然而,直接测量固体壁面的温度,尤其管内壁的温度,实验技术难度大,而所测得的数据准确性差,将带来较大的实验误差。因此,通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。(www.xing528.com)
实验通过测量冷空气流量Q,冷空气进出换热器的温度t1,t2,蒸汽在换热器内的温度T,即可测定K。
②蒸汽与冷空气的传热过程由蒸汽对外壁面的对流传热,间壁的固体传热导和内壁面对空气的对流传热3种传热组成,其总热阻为:
用本装置进行实验时,管内冷流体与管壁间的对流给热系数为几十到几百[W/(m2·K)];而管外为蒸汽冷凝,冷凝给热系数α1可达104W/(m2·K),因此冷凝传热热阻d2/(α1d1)可忽略,同时蒸汽冷凝较为清洁,因此换热管外侧的污垢热阻Rs1(d2/d1)也可忽略。实验中的传热元件材料采用304不锈钢,因此换热管壁的导热热阻bd2/(λdm)可忽略。若换热管内侧的污垢热阻Rs2也忽略不计,则由式(5.34)得:
由此可见,被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻比率越小,此法所得的准确性就越高。
③流体在圆形直管中强制对流时对管壁的给热系数关联为:
式中 Nu——努赛尔数,Nu=αd/k1;
Re——雷诺数,Re=duρ/μ;
Pr——普朗特数,Pr=CPu/k;
ρ——冷空气的密度,kg/m3;
u——冷空气在管内的流速,m/s;
k——冷空气的导热系数,W/(m2·℃)。
对冷空气而言,在较大温度范围内Pr基本保持不变,取Pr=0.7,因流体被加热,n=0.4即Pr可视为常数,在式(5.37)两边取对数,即得到直线方程:
在对数坐标下作Re和Nu的关系是一条直线。拟合出此直线方程,即为Re和Nu的准数方程,找出直线斜率,即方程的指数m,在直线上任取一点的函数值代入方程中,即可得到常熟C′。
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