傳熱膜系數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)三 傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期：2015年12月30日 班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 同組人：報(bào)告摘要本實(shí)驗(yàn)選用牛頓冷卻定律作為對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)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(duì)普通管換熱器和強(qiáng)化管換熱器進(jìn)行了強(qiáng)制對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)研究。確定了在相應(yīng)條件下冷流體對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。此實(shí)驗(yàn)方法可以測(cè)出蒸汽冷凝膜系數(shù)和管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)。采用由風(fēng)機(jī)、孔板流量計(jì)、蒸汽發(fā)生器等組成的自動(dòng)化程度較高的裝置，讓空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙，用計(jì)算機(jī)在線采集與控制系統(tǒng)測(cè)量了孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個(gè)壁溫，計(jì)算了傳熱膜系數(shù)，并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A

2、和指數(shù)m（n取0.4），得到了半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。實(shí)驗(yàn)還通過在內(nèi)管中加入混合器的辦法強(qiáng)化了傳熱，并重新測(cè)定了、A和m。二、 目的及任務(wù)1.掌握傳熱膜系數(shù)及傳熱系數(shù)K的測(cè)定方法；2.通過實(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的方法；3.了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施。三、基本原理對(duì)流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，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)制湍流而言。Gr數(shù)可忽略，即本實(shí)驗(yàn)中，可用圖解法和最小二乘法計(jì)算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，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)。這樣，上式即變?yōu)閱巫?/p>

3、量方程，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)值帶入方程中，則可得系數(shù)A，即用圖解法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)確定直線位置有一定人為性。而用最小二乘法回歸，可得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助手段，對(duì)多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能的道道A、m、n。對(duì)于方程的關(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其特征數(shù)定義式分別為，實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度(空氣進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值)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Q=Atm式中傳熱膜系數(shù)，W/(m2.)； Q穿熱量，W

4、； A總傳熱面積，m2； tm 管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，。穿熱量可由下式求得式中W質(zhì)量流量，kg/h； cp流體的比定壓熱容，J/(kg.)； t1,t2流體進(jìn)、出口溫度，； 定性溫度下流體密度，kg/m3； Vs流體體積流量，m3/h；空氣的體積流量由孔板流量計(jì)測(cè)得，其流量Vs與孔板流量計(jì)壓差p的關(guān)系式為Vs=26.2p0.54式中p孔板流量計(jì)壓降，kPa；Vs空氣流量，m3/h。四 實(shí)驗(yàn)流程示意圖1.設(shè)備說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙。內(nèi)管為黃銅管，其管徑為(252)mm，有效長(zhǎng)度為1.25m?？諝膺M(jìn)出口溫度和壁溫分別由鉑電阻和熱電偶測(cè)得。測(cè)量空氣進(jìn)出口溫度的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)

5、出管的中心。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的兩端?？装辶髁坑?jì)的壓差由壓差傳感器測(cè)得。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，最大鴨梨17.50kPa，最大流量100 m3/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型鴨梨?zhèn)鞲衅?，其測(cè)量范圍為020kPa。（2）顯示儀表本實(shí)驗(yàn)中所有溫度和壓差均由人工智能儀表讀取，測(cè)量點(diǎn)分別為：孔板壓降，進(jìn)出口溫度，壁溫。3.流程說(shuō)明8流程圖如下：345612111101312971、風(fēng)機(jī) 2、孔板流量計(jì) 3、空氣流量調(diào)節(jié)閥補(bǔ)水口 4、空氣入口測(cè)溫點(diǎn) 5、

6、空氣出口測(cè)溫點(diǎn)6、水蒸氣入口壁溫 7、套管換熱器 8、放氣閥 9、冷凝液回流管10、蒸汽發(fā)生器 11、補(bǔ)水漏斗 12、補(bǔ)水閥 13、排水閥、五、 實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)1.實(shí)驗(yàn)開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)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(guān)。4.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，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一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量(10組數(shù)據(jù))，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。6.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)。 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 原始數(shù)據(jù)記錄如下

7、傳熱膜系數(shù)測(cè)定原始數(shù)據(jù)表(直管傳熱)d=0.02m,l=1.25m頻率fT進(jìn)口/T出口/壁溫t1/壁溫t2/p孔/kpap管/kpa5035.664.1101.1100.14.254636.465101100.13.634235.765.1101100.23.043834.364.8101100.22.513432.964.4101.3100.32.033029.764.3101.1100.41.571.912527.964.2101.1100.41.091.342026.864.6101100.40.710.861525.865.2100.9100.40.40.54傳熱膜系數(shù)測(cè)定原始數(shù)據(jù)表（

8、加混合器）頻率fT進(jìn)口/T出口/壁溫t1/壁溫t2/p孔/kpap管/kpa5037.479.2101100.11.664538.980.4101.1100.11.354038.780.9101.1100.21.083537.581.2101.1100.30.833035.981.5101.1100.30.622534.181.8101100.30.432032.482.3101.1100.40.261.821530.583101.1100.50.151.042數(shù)據(jù)處理傳熱膜系數(shù)測(cè)定計(jì)算數(shù)據(jù)表（物性計(jì)算）Cp=1005J/(Kg.K) d=0.02m,l=1.25m熱導(dǎo)率定性溫度密度黏度流量（

9、W/m.K)tm/（kg/m3）（Pa.s）qv（m3/h）0.028201949.851.14691.9593E-0557.230997250.028264850.701.14411.9635E-0552.559456880.028242650.401.146550.0000196247.758758260.028179749.551.151451.9578E-0543.065064390.028113148.651.156351.9533E-0538.401585160.02799147.001.167550.0000194533.426207410.027920746.051.17385

10、1.9403E-0527.448056580.027894845.701.17771.9385E-0521.776134970.0278845.501.18121.9375E-0515.97400024傳熱膜系數(shù)測(cè)定計(jì)算數(shù)據(jù)表（準(zhǔn)數(shù)計(jì)算）流速對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力傳熱膜系數(shù)NuRePrNu/Pr0.4u（m/s）Tm50.62897849.287322134.977295.7220605959274.084870.698196309110.5149546.49633548.359603126.4713289.49.339110.698153711103.3226942.24943248.6476211

11、7.6862383.3395178449379.293160.69816872496.22032738.09719149.408586108.8582977.26.699660.6982113989.19907733.97167850.41608698.66742470.1932013240223.371520.69825677481.03805129.57024751.75915192.77809566.29.020140.69834053876.52972124.2817252.54664579.15525456.70.850220.69838909865.45524619.2640975

12、2.68817765.4316746.9.094910.69840705154.15658914.13128152.65418850.21047536.0.316720.69841732441.580102傳熱系數(shù)相關(guān)計(jì)算（以第一組數(shù)據(jù)為例）：空氣定性溫度：t=流量計(jì)算: qv=m3/h空氣密度計(jì)算：=1.1469kg/m3空氣粘度計(jì)算： =Pa.s空氣導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算：= W/m.K對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算: tm=傳熱系數(shù):流速 um/s努塞爾數(shù)普朗特?cái)?shù)雷諾數(shù)強(qiáng)化后相關(guān)數(shù)據(jù)處理強(qiáng)化后傳熱膜系數(shù)測(cè)定計(jì)算數(shù)據(jù)表（物性計(jì)算）d=0.02m,l=1.25m熱導(dǎo)率定性溫度密度黏度流量（W/m.K)tm/（kg/

13、m3）（Pa.s）qv（m3/h）0.02882758.31.14060.447654680.02892759.651.135352.00825E-0530.809278380.02893859.81.136050.0000200927.311787160.02890559.351.140252.00675E-0523.692094770.02885758.71.145850.239174910.02880157.951.152151.99975E-0516.610176880.02875757.351.15811.99675E-0512.658635630.02871356.751.1647

14、51.99375E-059.405688059強(qiáng)化后傳熱膜系數(shù)測(cè)定計(jì)算數(shù)據(jù)表（準(zhǔn)數(shù)計(jì)算） d=0.02m, l=1.25m流速對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力傳熱膜系數(shù)NuRePrNu/Pr0.4u（m/s）Tm30.47386338.369458152.22205105.610010734732.438750.697781089121.9627.255236.964996139.6569796.5578812930817.07120.697716415111.510624.16117136.728984126.7783287.62.333770.697709256101.1890920.95903636.99

15、3158113.4899778.5264557823818.155010.69773074890.68612617.90443637.310955100.7959269.8593895520479.958520.69776187980.67554214.6940737.65282286.21801959.87.88940.69779792969.13915611.19836837.93566268.57719847.6944305312989.939090.69782686955.0767868.320672438.06917553.72829137.425017729721.8840430.

16、69785589943.217109七實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與誤差討論經(jīng)函數(shù)擬合后得到的關(guān)系式：強(qiáng)化傳熱前：Nu=0.0208Re0.781Pr0.4加混合管后：Nu=0.0243Re0.8157Pr0.4公認(rèn)關(guān)聯(lián)式為：Nu=0.023Re0.8Pr0.4，比較容易得出傳熱強(qiáng)化前后得到的m，A值與標(biāo)準(zhǔn)值都有一定的偏差，其中以強(qiáng)化后實(shí)驗(yàn)得到的A值誤差最大。（1）從圖中可以看出，不管傳熱是否被強(qiáng)化，Nu/Pr0.4Re關(guān)系曲線的線性都非常好，說(shuō)明當(dāng)流體無(wú)相變時(shí)，用量綱分析法推導(dǎo)出的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式A（在強(qiáng)制對(duì)流即忽略Gr影響時(shí)）的準(zhǔn)確性是很好的。 （2）從處理后的數(shù)據(jù)和上述關(guān)系圖中都可以得到在相同的雷諾數(shù)下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器時(shí)的大，因?yàn)镻r和熱導(dǎo)率在實(shí)驗(yàn)條件下變化很小，由知，加混合器強(qiáng)化傳熱后，傳熱膜系數(shù)變大。說(shuō)明增大加熱流體的湍動(dòng)程度可以強(qiáng)化傳熱。 （3）實(shí)驗(yàn)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(shuō)明實(shí)驗(yàn)中，傳熱效果的提高是以增大流動(dòng)阻力為代價(jià)的。 在實(shí)驗(yàn)過程中，由傳熱系統(tǒng)使用長(zhǎng)久而造成的系統(tǒng)誤差，孔板壓降示數(shù)極難穩(wěn)定，讀取數(shù)據(jù)時(shí)的跳躍值取其均值導(dǎo)致人為誤差，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)，擬合函數(shù)的選用等均會(huì)帶來(lái)誤差。 八思考題：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：接近蒸汽溫度。因?yàn)檎羝淠o熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣給熱系數(shù)