傳熱膜系數測定實驗報告北京化工大學化工原理實驗

1、傳熱膜系數測定摘要：選用牛頓冷卻定律作為對流傳熱實驗的測試原理,通過建立不同體系的傳熱系統(tǒng),即水蒸汽空氣傳熱系統(tǒng)、分別對普通管換熱器和強化管換熱器進行了強制對流傳熱實驗研究。確定了在相應條件下冷流體對流傳熱膜系數的關聯(lián)式。此實驗方法可以測出蒸汽冷凝膜系數和管內對流傳熱系數。本實驗采用由風機、孔板流量計、蒸汽發(fā)生器等組成的自動化程度較高的裝置，讓空氣走內管，蒸汽走環(huán)隙，用計算機在線采集與控制系統(tǒng)測量了孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫，計算了傳熱膜系數，并通過作圖確定了傳熱膜系數準數關系式中的系數A和指數m（n取0.4），得到了半經驗關聯(lián)式。實驗還通過在內管中加入混合器的辦法強化了傳熱，并重新測定了

2、、A和m。一、 實驗目的1、掌握傳熱膜系數及傳熱系數K的測定方法；2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數準數關系式中的系數A和指數m、n的方法；3、通過實驗提高對準數關系式的理解，并分析影響的因素，了解工程上強化傳熱的措施。二、基本原理對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數 ，當流體無相變時對流傳熱準數關聯(lián)式的一般形式為： （1） 對于強制湍流而言，Gr準數可以忽略，故 （2）本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準數關聯(lián)式中的指數m、n和系數A。用圖解法對多變量方程進行關聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式，即取n0.4（流體被加熱）。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取對數，即得?/p>

3、直線方程： （3）在雙對數坐標中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數m。在直線上任取一點的函數值代入方程中，則可得到系數A，即： （4）用圖解法，根據實驗點確定直線位置有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關聯(lián)結果。應用微機，對多變量方程進行一次回歸，就能同時得到A、m、n。對于方程的關聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數據組。其準數定義式分別為： , , 實驗中改變空氣的流量以改變Re準數的值。根據定性溫度（空氣進、出口溫度的算術平均值）計算對應的Pr準數值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數值進而算得Nu準數值。牛頓冷卻定律： （5） 式中： 傳熱膜系數，W/(m

4、8;·)； Q傳熱量，W； A總傳熱面積m2。 tm管壁溫度與管內流體溫度的對數平均溫差，傳熱量 可由下式求得： （6）式中： W質量流量，kg/h； Cp流體定壓比熱，J/(kg·)； t1、t2流體進、出口溫度； 定性溫度下流體密度，kg/m3； V流體體積流量，m3/h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計測得，其流量Vs與孔板流量計壓降p的關系為 （7）式中 p孔板流量計壓降，kPa；Vs空氣流量，m3/h。 3、 裝置說明1、設備說明本實驗空氣走內管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內管為黃銅管，內徑為0.020m，有效長度為1.25m。空氣進、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt1

5、00）和熱電偶測得。測量空氣進出口溫度的鉑電阻應置于進出管的中心。測得管壁溫度用一支鉑電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端。孔板流量計的壓差由壓差傳感器測得。實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kw。風機采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kpa，最大流量100m3/h。2、采集系統(tǒng)說明（1）壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為020kpa。（2）顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數均可由人工智能儀表直接讀取，并實現數據的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程如圖1所示，冷空

6、氣由風機輸送，經孔板流量計計量后，進入換熱器內管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱，空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{節(jié)閥調節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進入套管環(huán)隙，與內管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器，用于消除端效應。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應。四、操作流程1、實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設備的對應關系，以便正確開啟按鈕。2、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/22/3。3、打開總電源開關（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實驗開始時，關閉蒸汽發(fā)生器補水閥，啟動風機，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，打開放氣閥。5、將空氣流量控制在某

7、一值。待儀表數值穩(wěn)定后，記錄數據，改變空氣流量（810次），重復實驗，記錄數據。6、實驗結束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風機，清理現場。注意： a、實驗前，務必使蒸汽發(fā)生器液位合適，液位過高，則水會溢入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。 b、調節(jié)空氣流量時，要做到心中有數，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀數不應從0開始，最低不小于0.1kpa。實驗中要合理取點，以保證數據點均勻。 c、切記每改變一個流量后，應等到讀數穩(wěn)定后再測取數據。五、實驗數據處理本實驗內管內徑為0.020m，有效長度為1.25m。原始數據：序號空氣進口溫度空氣出口溫度進口壁溫T1（）出口壁溫T2（）孔板壓降p（）130.2059

8、.60100.1099.803.81231.1060.50100.1099.903.43331.9061.80100.30100.303.03432.3062.60100.50100.402.69532.4063.40100.40100.402.22632.5064.00100.40100.501.89732.4064.60100.40100.501.47832.0065.40100.40100.601.05931.6066.30100.40100.700.671031.0066.80100.40100.900.20表1.傳熱膜系數實驗原始數據序號定性溫度t（）密度（kg/m3）黏度（Pa&#

9、183;s）比定壓熱容Cp（J·kg-1·K-1）導熱系數（W·m·K-1）體積流量qv（m3·h-1）質量流量qm（kg·h-1）144.90 1.1583 19.3889 10050.0279 53.95 62.49 245.80 1.1624 19.3842 10050.0279 50.98 59.25 346.85 1.1594 19.4336 10050.0280 47.67 55.27 447.45 1.1579 19.4619 10050.0280 44.71 51.77 547.90 1.1575 19.4830 10

10、050.0281 40.30 46.65 648.25 1.1571 19.4995 10050.0281 36.95 42.75 748.50 1.1575 19.5113 10050.0281 32.26 37.34 848.70 1.1590 19.5207 10050.0281 26.90 31.18 948.95 1.1605 19.5325 10050.0282 21.10 24.49 1049.90 1.1628 19.5772 10050.0282 10.99 12.77 表2.傳熱膜系數試驗參數以第8組數據為例，計算如下：空氣定性溫度t=（t1+t2）/2=（35+65.4）

11、/2=48.70密度=8.845×10-6×t12-4.326×10-3×t1+1.2884=8.845×10-6×322-4.326×10-3×32+1.2884=1.1590 kg/m3黏度=（0.047078×t+17.228）×10-6=（0.047078×48.70+17.228）×10-6=1.95207×10-5=19.5207Pa·s比定壓熱容Cp=1005 J·kg-1·K-1導熱系數=7.6818×10-5

12、×t+0.024395=7.6818×10-5×48.70+0.024395=0.0281 W·m·K-1體積流量qv=26.2p0.54=26.2×1.050.54=26.90 m3·h-1質量流量qm=qv×=26.90×1.159031.18 =31.18 kg·h-1序號對數平均溫差tm（）傳熱量Q/W傳熱膜系數（w·m-2·-1）雷諾準數Re普朗特準數Pr努賽爾準數NuNuPr0.4153.03 478.0 114.8 57024 0.6979 82.3 95.0

13、252.95 486.3 117.0 54084 0.6979 83.8 96.8 352.03 461.4 113.0 50322 0.6977 80.7 93.2 451.58 437.9 108.2 47060 0.6975 77.1 89.1 550.94 403.7 101.0 42365 0.6974 71.9 83.1 650.52 376.0 94.8 38793 0.6974 67.5 77.9 750.19 335.7 85.2 33861 0.6973 60.6 70.0 849.85 290.7 74.3 28258 0.6973 52.8 61.0 949.44 23

14、7.3 61.1 22186 0.6972 43.4 50.2 1048.05 134.8 35.7 11545 0.6970 25.3 29.3 表3.準數處理表以第8組數據為例計算：對數平均溫差tm=t1-t2lnT1-t1T1-t2=65.40-32.00ln100.4-32.00100.4-65.40=49.85傳熱量Q=qmCp（t2-t1）/3600=31.18×1005×（65.40-32.00）/3600=290.7W傳熱膜系數=Q/(A·tm) A=dl=3.14×0.02×1.25=0.0785 =290.7/（0.0785

15、×49.85）=74.3w·m-2·-1雷諾準數Re=4×qmd=4×31.183600×3.14×0.02×19.5207×10-6=28260普朗特準數Pr=Cp=1005×19.5207×10-60.0281=0.6982努賽爾準數Nu=d=74.3×0.020.0281=52.9 NuPr0.4=52.90.69820.4=61.1 圖2. NuPr0.4Re關系曲線六、結果討論： （1）從圖中可以看出，不管傳熱是否被強化，Nu/Pr0.4Re關系曲線的線性都非常好，

16、說明當流體無相變時，用量綱分析法推導出的對流傳熱準數關系式Nu=ARemPrn（在強制對流即忽略Gr影響時）的準確性是很好的。（2）從圖中可以看出，在相同的雷諾數下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器時的大，因為Pr和熱導率在實驗條件下變化很小，由Nu=d/知，加混合器強化傳熱后，傳熱膜系數變大。說明增大加熱流體的湍動程度可以強化傳熱。（3）實驗中加入混合器后，空氣的出口溫度明顯變高，但孔板壓降則迅速降低，說明實驗中，傳熱效果的提高是以增大流動阻力為代價的。由及可知，直線斜率即為雷諾數Re的指數，而截距即為lgA,m=0.7733,A=0.0217,經對數處理得=0.0217dRe0.

17、7733Pr0.4，與公認的關聯(lián)式有一點偏差。七、誤差分析系統(tǒng)誤差，人為操作所造成的誤差，在數據處理過程中有效值得取舍帶來的誤差等等。八、思考題1、本實驗中管壁溫度應接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：壁溫接近于蒸氣的溫度?？赏瞥龃舜螌嶒炛锌偟膫鳠嵯禂捣匠虨槠渲蠯是總的傳熱系數，1是空氣的傳熱系數，2是水蒸氣的傳熱系數，是銅管的厚度，是銅的導熱系數，R1、R2為污垢熱阻。因R1、R2和金屬壁的熱阻較小，可忽略不計，則Twtw，于是可推導出顯然，壁溫Tw接近于給熱系數較大一側的流體溫度，對于此實驗，可知壁溫接近于水蒸氣的溫度。2、管內空氣流速對傳熱膜系數有何影響？當空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？答：傳熱膜系數將變大，但空氣離開熱交換器時的溫度將降低。由傳熱膜傳熱系數的方程易知：傳熱膜系數與速度u的0.8次方成正比，因而流速增大時，變大。由傳熱平衡方程 ，知流速增大，即增大后，減小，及空氣離開熱交換器時的溫度降低。3、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對的關聯(lián)有無影響？答：沒有影響。因為本實驗采用的是量綱分析法，蒸氣的壓