傳熱膜系數(shù)測定實驗報告 北京化工大學

1、北 京 化 工 大 學化 工 原 理 實 驗 報 告 實驗名稱： 傳熱膜系數(shù)測定班 級： 化工11姓 名： 學 號： 2011011 序 號： 同 組 人： 設備型號： 第 套實驗日期： 2013-12-16一、實驗摘要 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(shù)，并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準數(shù)關系式中的系數(shù)A和指數(shù)m（n取0.4），得到了半經(jīng)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、A和m。關鍵詞：傳熱膜系數(shù)K、雷諾數(shù)Re、努賽爾準

2、數(shù)Nu、普朗特數(shù)Pr 二、實驗目的1、測量空氣在圓直管內的強制湍流給熱系數(shù)1，確定1的關聯(lián)式；2、測量空氣在圓直管內的強化傳熱給熱系數(shù)1，確定1的關聯(lián)式；3、測定兩個條件下銅管內空氣的能量損失。 三、實驗原理熱量的傳遞方式有傳導、對流、輻射三種，流體流經(jīng)固體表面的傳熱傳導、對流過程，稱為對流給熱。對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù) ，當流體無相變時對流傳熱準數(shù)關聯(lián)式的一般形式為：。對于強制湍流而言，Gr準數(shù)可以忽略，既。本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準數(shù)關聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)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

3、加熱）。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠蹋趦蛇吶?shù)，即得到直線方程：。在雙對數(shù)坐標中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即：。用圖解法，根據(jù)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(shù)據(jù)組。其準數(shù)定義式分別為：，。實驗中改變空氣的流量以改變Re準數(shù)的值。根據(jù)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(shù)值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值進而算得Nu準數(shù)值。牛頓冷卻定律：。式中：

4、 傳熱膜系數(shù)，W/(m²·)； Q傳熱量，W； A總傳熱面積m2²。 tm管壁溫度與管內流體溫度的對數(shù)平均溫差，傳熱量 可由下式求得： 。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/m3³；V流體體積流量，m3³/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。式中 p孔板流量計壓降，kpa；Vs空氣流量，m3/h。四、實驗流程和設備本實驗空氣走內管，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1.10m?？?/p>

5、氣進、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100）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。實驗裝置流程如下圖所示，冷空氣由風機輸送，經(jīng)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。空氣的流量由空氣流量調節(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。 傳熱實驗帶控制點工藝流程1-風機 2-空氣流量調節(jié)閥 3-孔板流量計（d0=20

6、mm）4-補水閥 5-水蒸汽發(fā)生器 6-進口溫度計 7-1#壁面溫度計 8-套管換熱器 9-2#壁面溫度計 10-不凝氣防控閥 11-出口溫度計TIC01加熱器壁溫， PI02管路壓降，KPaTI03空氣進口溫度， TI04蒸汽進口壁溫， PI05孔板壓降，KPa TI06蒸汽出口壁溫，PIC07殼程蒸汽壓力，KPa TI08空氣出口溫度，實驗介質：水蒸汽、空氣。研究對象：套管換熱器 內管：黃銅材質，27X3.5mm，有效長度1.1m； 外管：硬質鋼化玻璃，57X3.5mm，可視段長度0.7m； 靜態(tài)混合器：正、反螺旋結構交替排行，共六節(jié)，可自由放入內管。儀器儀表：風機，XGB-11，最大靜風

7、壓17kPa，最大流量100m3·h-1； 蒸汽發(fā)生器，1.5kW，可根據(jù)蒸汽用量的大小自動調整加熱； 孔板流量計，d0=20.0mm，精度等級4； 溫度計Pt100、熱電偶，0200，精度等級0.2、0.5； 孔板壓差傳感器，WNKB8型，020kPa，精度等級0.2； 顯示儀表：AI-708等，精度等級0.1； 變頻儀：西門子MM420型?？刂葡到y(tǒng)：控制電柜+電腦+數(shù)據(jù)采集軟件，380VAC+220VAC.五、實驗操作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、開補水閥向蒸汽發(fā)生器內加水之4/5液位計高度，再關閉該閥門；3、按下控制柜對應設備的加熱

8、、風機按鈕，檢查空氣出口溫度計頂端位于中心位置；4、開電腦運行傳熱實驗軟件并熟悉使用，檢查空氣流量閥開最大，記錄孔板壓降零點；5、等待兩個壁溫都達到100.3左右，修改頻率10.25Hz，按屏幕綠色按鈕啟動風機；6、待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量，重復實驗，記錄數(shù)據(jù)；7、做強化傳熱實驗，先通過電腦停風機，再向上拔出口溫度計，然后旋轉放入混合器并用細線固定，然后將溫度計頂端放回中心位置，按照上述方法實驗；8、實驗結束通過電腦關風機，手動關加熱器，先向上拔出口溫度計，再旋轉取出混合器放好，最后將空氣出口溫度計放回原位，清理現(xiàn)場。 注意：1、實驗前，務必使蒸汽發(fā)生器液位合適，液位過高，則水

9、會溢入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。2、調節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀數(shù)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(shù)據(jù)點均勻。3、切記每改變一個流量后，應等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。 六、實驗數(shù)據(jù)表格及計算舉例表1 空氣強制湍流給熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù) 序號進口溫度t1/出口溫度t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa給熱系數(shù)1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4標準值117.6 58.2 100.7 100.6 0.20 0.38 38.4 28.0 0.695 14404 32.4 4

10、8.8 218.1 58.5 100.6 100.4 0.30 0.52 47.2 34.4 0.695 17608 39.8 57.3 318.6 58.5 100.6 100.4 0.40 0.67 54.0 39.3 0.695 20302 45.4 64.2 419.3 58.5 100.5 100.4 0.50 0.81 59.6 43.3 0.695 22652 50.1 70.1 520.1 58.7 100.5 100.5 0.60 0.95 64.6 46.9 0.695 24750 54.2 75.3 620.7 58.7 100.5 100.4 0.70 1.09 69.

11、0 50.0 0.695 26686 57.8 79.9 722.1 59.0 100.5 100.4 0.80 1.22 72.4 52.3 0.695 28401 60.5 84.0 823.2 59.1 100.5 100.4 0.90 1.35 75.2 54.3 0.695 30024 62.8 87.8 924.1 59.3 100.5 100.4 1.00 1.49 78.3 56.4 0.695 31558 65.3 91.4 1025.3 59.5 100.5 100.5 1.20 1.75 84.0 60.4 0.695 34442 69.9 98.0 1126.4 59.

12、8 100.5 100.5 1.40 2.00 89.5 64.2 0.694 37070 74.3 104.0 1228.2 60.2 100.5 100.4 1.60 2.27 93.1 66.7 0.694 39406 77.1 109.2 1331.7 61.5 100.6 100.4 2.00 2.76 100.5 71.5 0.694 43550 82.7 118.3 1433.4 62.1 100.7 100.4 2.50 3.42 110.1 78.0 0.694 48422 90.3 128.8 1536.2 63.2 100.7 100.3 3.00 4.05 117.3

13、82.7 0.694 52557 95.8 137.5 1640.0 64.8 100.5 100.2 3.70 4.92 125.9 88.1 0.693 57641 102.0 148.0 表2 空氣強化傳熱給熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù) 序號進口溫度t1/出口溫度t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa給熱系數(shù)1'/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4標準值133.2 70.3 100.6 100.5 0.20 1.24 45.8 32.1 0.693 13897 37.2 47.4 232.5 70.4 100.5 100.4 0

14、.30 1.69 56.8 39.9 0.693 16916 46.2 55.5 331.5 70.1 100.5 100.5 0.40 2.20 65.7 46.2 0.693 19516 53.5 62.2 431.3 69.8 100.5 100.5 0.50 2.65 72.7 51.1 0.693 21787 59.2 68.0 531.3 69.6 100.6 100.4 0.60 3.14 78.9 55.5 0.693 23834 64.3 73.0 631.4 69.6 100.5 100.4 0.70 3.59 85.0 59.8 0.693 25706 69.3 77.6

15、 731.6 69.4 100.5 100.4 0.80 4.06 89.7 63.1 0.693 27448 73.1 81.8 832.0 69.5 100.6 100.4 0.90 4.53 94.7 66.6 0.693 29057 77.1 85.6 933.1 70.7 100.5 100.2 1.00 4.98 102.9 72.1 0.693 30471 83.5 88.9 1034.0 70.7 100.5 100.2 1.20 5.90 110.6 77.4 0.693 33268 89.7 95.4 1136.4 71.1 100.5 100.0 1.40 6.74 11

16、5.9 80.8 0.693 35655 93.6 100.8 1238.1 71.5 100.5 99.9 1.60 7.66 121.6 84.6 0.693 37903 98.0 105.8 1342.0 72.9 100.3 99.7 1.94 9.07 131.2 90.6 0.693 41198 105.0 113.1 計算舉例：（以表1 第一組為例）測量點表壓:測量點密度:測量點流量:工作點溫度 ：工作點表壓：工作點密度：工作點粘度：工作點熱導率：工作點比熱容：工作點流量：工作點氣速：熱流量：對數(shù)平均溫差:給熱系數(shù)： 努塞爾準數(shù)：普朗特準數(shù)： 雷諾數(shù)：七、實驗結果作圖及分析結果分

17、析：（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，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(shù)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(shù)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(shù)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。（4）由可知，直線斜率即為A, 空氣強制湍流時 空氣強化傳熱時與公認的關聯(lián)式有一點偏差。 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。實驗中總的傳熱系數(shù)方程為，其中K為總的傳熱系數(shù)，1為空氣的傳熱系數(shù)，2為水蒸氣的傳熱系數(shù)，為銅管的厚度，為銅的導熱系數(shù)，R1、R2為污垢熱阻。因為R1、R2和金屬壁的熱阻較小，可忽略不計，則Twtw，于是可推導出，可見壁溫Tw接近給熱系數(shù)較大一側的流體溫度，對于此實驗則為接近于水蒸氣的溫度。2、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗