北京化工大學(xué)傳熱實(shí)驗(yàn)報(bào)告

PAGEPAGE3北京化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)班級(jí)：化實(shí)1001學(xué)號(hào)：（小學(xué)號(hào)）姓名：同組人：實(shí)驗(yàn)日期：2012.12.6傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)摘要本實(shí)驗(yàn)以套管換熱器為研究對(duì)象，以冷空氣及熱蒸汽為介質(zhì)，冷空氣走黃銅管內(nèi)，即管程，熱蒸汽走環(huán)隙，即殼程，研究熱蒸汽與冷空氣之間的傳熱過(guò)程。通過(guò)測(cè)得的一系列溫度及孔板壓降數(shù)值，分別求得正常條件和加入靜態(tài)混合器后的強(qiáng)化條件下的對(duì)流傳熱膜系數(shù)α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的圖像，分析出傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。關(guān)鍵詞：對(duì)流傳熱NuPrReαA目的及任務(wù)1、掌握傳熱膜系數(shù)α及傳熱系數(shù)K的測(cè)定方法；2、通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；3、通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高對(duì)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響α的因素，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施?；驹睃S銅管內(nèi)走冷空氣，管外走100℃的熱蒸汽，壁內(nèi)側(cè)熱阻1/α遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壁阻、垢阻及外側(cè)熱阻，因此研究傳熱的關(guān)鍵問(wèn)題是測(cè)算α，當(dāng)流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為：對(duì)于強(qiáng)制湍流有：用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，要對(duì)不同變量Re和Pr分別回歸。本實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化上式，即取n=0.4（流體被加熱）。在兩邊取對(duì)數(shù)，得到直線方程為在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點(diǎn)函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即其中實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度計(jì)算對(duì)應(yīng)的Pr值。同時(shí)，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進(jìn)而求得Nu值。牛頓冷卻定律為其中α——傳熱膜系數(shù)，W/(m2?℃)；Q——傳熱量，W；A——總傳熱面積，m2；Δtm——管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。傳熱量可由下式求得其中W——質(zhì)量流量，kg/h；Cp——冷空氣的比定壓熱容，J/（kg?℃）；t1,t2——冷空氣的進(jìn)，出口溫度，℃；ρ——定性溫度下流體密度，kg/m3；Vs——冷空氣體積流量，m3/h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計(jì)測(cè)得，其流量V與孔板流量計(jì)壓降Δp的關(guān)系為式中，Δp——孔板流量計(jì)壓降，kPa；V——空氣流量，m3/h。四、裝置和流程套管式換熱實(shí)驗(yàn)裝置和流程1-風(fēng)機(jī)，2-孔板流量計(jì)，3-空氣流量調(diào)節(jié)閥，4-空氣入口測(cè)溫點(diǎn)，5-空氣出口測(cè)溫點(diǎn)，6-水蒸氣入口壁溫，7-水蒸氣出口壁溫，8-不凝性氣體放空閥，9-冷凝水回流管，10-蒸汽發(fā)生器，11-補(bǔ)水漏斗，12-補(bǔ)水閥，13-排水閥1、設(shè)備說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)空氣走內(nèi)管，蒸汽走管隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，其內(nèi)徑為0.020m，有效長(zhǎng)度為1.25m。空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100）和熱電偶測(cè)得。測(cè)量空氣進(jìn)、出口的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)、出管得中心。測(cè)量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?？装辶髁坑?jì)的壓差由壓差傳感器測(cè)得。本實(shí)驗(yàn)使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計(jì)，加熱功率為1.5kW。風(fēng)機(jī)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(shuō)明(1) 壓力傳感器本實(shí)驗(yàn)裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測(cè)量范圍為0～20kPa。(2) 顯示儀表在實(shí)驗(yàn)中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表讀取，并實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測(cè)量點(diǎn)分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個(gè)壁溫。3、流程說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如下所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量以后，進(jìn)入換熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱?？諝獗患訜岷?，排入大氣。空氣的流量由空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進(jìn)入套管環(huán)隙，與內(nèi)管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器。放氣閥門(mén)用于排放不凝性氣體，在銅管之前設(shè)有一定長(zhǎng)度的穩(wěn)定段，用于消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。操作要點(diǎn)1、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3～2/3。2、按下總電源開(kāi)關(guān)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，接通蒸汽發(fā)生器的發(fā)熱電源，保持放氣閥打開(kāi)，調(diào)整好熱電偶位置。3、用計(jì)算機(jī)控制風(fēng)機(jī)頻率為50Hz，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；再每降低3Hz取一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，12～13次。4、將靜態(tài)混合器插入管中，并將其固定，再次調(diào)整好熱電偶溫度計(jì)，將風(fēng)機(jī)頻率調(diào)回50Hz，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；每降低3Hz取一實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，12～13次。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風(fēng)機(jī)，清理現(xiàn)場(chǎng)，給蒸汽發(fā)生器灌水。數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)如下表：孔板流量計(jì)參數(shù)c1=26.2,c2=0.54,換熱器管長(zhǎng)與管徑：l=1.25（m），d=0.02（m）表1.原始數(shù)據(jù)記錄表頻率入口溫度出口溫度壁溫1壁溫2壓降5024.155.1100.799.93.494727.858.110199.93.114429.959.9101.21002.714131.161.1101100.12.363832.162.4101.1100.12.033532.563100.8100.21.723232.463.5101100.31.43293264.3101100.31.172631.464.8101.2100.40.942330.865.2101100.50.742030.162.7101100.40.551729.565.7101.1100.50.4142966.4101.2100.40.27數(shù)據(jù)計(jì)算示例：由于本試驗(yàn)溫度變化較大，所以需要分別求出各溫度下氣體的特性參數(shù)，內(nèi)插過(guò)程如下：以第一組為例：定性溫度t=(t1+t2）/2=(24.1+55.1)/2=39.6℃定壓比熱容Cp=1005(J/kg.K)熱導(dǎo)率λ=0.0267+0.0009*9.6/10=0.027564(W/m.K)密度ρ=1.165-(0.165-0.128)*9.6/10=1.12948(kg/m3)黏度μ=18.6+(19.1-18.6)*9.6/10=19.08(μpa.s)以下為計(jì)算過(guò)程：仍以第一組為例對(duì)數(shù)平均溫度△tm=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1）]=[(100.7-55.1)-(99.9-24.1)]/ln[(100.7-55.1)/(99.9-24.1)]=59.42653換熱面積A=πdl=3.14*1.25*0.02A=0.079m2冷空氣體積流量Vs=26.2△p0.54=26.2*3.490.54=51.45493（m3/s)流速u(mài)=Vs/(3600*πd2/4)=51.45493/(3600*3.14/4*0.0262）=45.51923（m/s)傳熱膜系數(shù)α=ρVsCp(t2-t1)/(3600*A*△tm)=1.12948*51.45493*(55.1-24.1)/(3600*0.079*59.42653)=107.113各個(gè)準(zhǔn)數(shù)計(jì)算：Nu=αl/λ=107.113*1.25/0.027564=77.734024Pr=Cpμ/λ=1005*19.08*106/0.027564=0.695668Re=ρdu/μ=1.12948*1.25*45.51923/(19.08*10-6)=53892.09Nu/Pr0.4=77.734024/0.6956680.4=89.87735按照以上方法將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理如下表所示：表2.空氣特性參數(shù)內(nèi)插結(jié)果結(jié)果一覽表熱導(dǎo)率λ(W/m.K)定性溫度△tm（℃）密度ρ(kg/m3)定壓比熱容Cp(J/kg.K)黏度μ(10-6Pa.s)0.02756439.61.129481.00519.080.027806542.951.1176751.00519.24750.02794344.91.110851.00519.3450.02802746.11.106651.00519.4050.028107547.251.1026251.00519.46250.028142547.751.1008751.00519.48750.028156547.951.1001751.00519.49750.028170548.151.0994751.00519.50750.02816748.11.099651.00519.5050.02816481.11.00519.50.02804846.41.10561.00519.420.02813247.61.10141.00519.480.02813947.71.101051.00519.485表3.對(duì)流傳熱膜系數(shù)處理結(jié)果一覽表流量qv(m3/s)流速u(mài)(m/s)對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力△tm傳熱膜系數(shù)αNuRePrNu/Pr0.451.4549335745.5192264459.42652505107.133031777.7340238553892.092120.69566826389.877352948.3494904442.7720191556.24229599102.878232673.995815849674.20860.69565524285.5558159844.8853595539.7075013754.4361395597.1025272869.5004310845602.56180.69576369880.3531288541.6556363136.8503505953.1283486491.9846729465.6400420642030.858530.69582991475.8870398638.4015851633.9716783151.9809436387.2191652662.0611333438492.507950.69589371.7468296235.1145132531.0637944551.3060673981.2067713257.7111282335096.707850.69592031666.7168846431.7821118428.1158101951.2047344175.0466420153.3067973731729.515550.69593122461.6248765728.518170225.2283883650.8747714570.3466687449.9435002828438.274810.6959421257.7364035425.3390502222.4160033850.9743185964.5173199345.810572625275.322340.69593939752.9586799322.26826719.6994577250.8816159858.5211863441.5633425722225.029220.69593394948.0488787618.9713022716.7828222552.6903440545.8583272432.6998910719109.256720.69584640637.8042782115.9740002414.1312811851.1517729143.9990306131.2804141915979.664360.69591212936.161857712.9192625411.4289300650.9266647536.9154020326.2378919112916.421290.69591758830.3323329圖1.Nu/Pr0.4~Re在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的關(guān)系圖七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及誤差分析1． 軟件線性擬合的直線見(jiàn)上圖，由origin趨勢(shì)線擬合可得，lgNu/pr0.4=0.77566lgRe-1.70558，R=0.99592,Nu/pr0.4=0.0197Re0.775662．化工原理課本上介紹的公式為Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之有一定誤差的主要原因：（1）蒸汽所在的玻璃管內(nèi)有冷凝液積存于黃銅管上，從而降低了傳熱系數(shù)。（2）在進(jìn)行傳熱熱量計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)計(jì)算，近似以α代替總傳熱系數(shù)K，即令Q=αAΔtm。（3）改變壓降后，度數(shù)時(shí)間間隔太短，從而傳熱體系未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，造成讀數(shù)與實(shí)際情況不相符。3.影響α的因素及強(qiáng)化傳熱措施由課本公式可知可知α與以下性質(zhì)有關(guān)：流體流動(dòng)的速度；流體的對(duì)流狀況；流體的種類；流體的性質(zhì)；傳熱面的形狀、位置和大小。強(qiáng)化傳熱的措施主要有：強(qiáng)化傳熱就是通過(guò)人工干預(yù)，比如攪拌來(lái)提高熱量傳遞速度。1.增大傳熱面積，比如使用肋片散熱

2.增大擾流，比如增加表面粗糙度

思考題1、本實(shí)驗(yàn)中管壁溫度應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：管壁溫度應(yīng)接近于蒸汽溫度。因?yàn)樗魵鈱?duì)流給熱系數(shù)α（5500～500）遠(yuǎn)大于空氣的對(duì)流給熱系數(shù)α（10～100），所以水蒸汽與管壁的傳熱速率空氣與管壁間的傳熱速率大得多，因此管壁溫度更接近于蒸汽溫度。2、管內(nèi)空氣流動(dòng)速度對(duì)傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)