傳熱膜系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)報(bào)告北京化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)

1、傳熱膜系數(shù)測定摘要：選用牛頓冷卻定律作為對流傳熱實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化管換熱器進(jìn)行了強(qiáng)制對流傳熱實(shí)驗(yàn)研究。確定了在相應(yīng)條件下冷流體對流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。此實(shí)驗(yàn)方法可以測出蒸汽冷凝膜系數(shù)和管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)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，并重新測定了

2、、A和m。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)及傳熱系數(shù)K的測定方法；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、n的方法；3、通過實(shí)驗(yàn)提高對準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響的因素，了解工程上強(qiáng)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(shù) ，當(dāng)流體無相變時(shí)對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為： （1） 對于強(qiáng)制湍流而言，Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略，故 （2）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)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(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實(shí)驗(yàn)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?shù)，即得到

3、直線方程： （3）在雙對數(shù)坐標(biāo)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(diǎn)的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即： （4）用圖解法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)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(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用微機(jī)，對多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時(shí)得到A、m、n。對于方程的關(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為： , , 實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量以改變Re準(zhǔn)數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）計(jì)算對應(yīng)的Pr準(zhǔn)數(shù)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)而算得Nu準(zhǔn)數(shù)值。牛頓冷卻定律： （5） 式中： 傳熱膜系數(shù)，W/(m

4、8;·)； Q傳熱量，W； A總傳熱面積m2。 tm管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，傳熱量 可由下式求得： （6）式中： W質(zhì)量流量，kg/h； Cp流體定壓比熱，J/(kg·)； t1、t2流體進(jìn)、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(jì)測得，其流量Vs與孔板流量計(jì)壓降p的關(guān)系為 （7）式中 p孔板流量計(jì)壓降，kPa；Vs空氣流量，m3/h。 3、 裝置說明1、設(shè)備說明本實(shí)驗(yàn)空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m?？諝膺M(jìn)、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(jìn)出口溫度的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)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?？装辶髁坑?jì)的壓差由壓差傳感器測得。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表直接讀取，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點(diǎn)分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個(gè)壁溫。3、流程說明本實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，冷空

6、氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后，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，空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(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，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)。四、操作流程1、實(shí)驗(yàn)開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(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)（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。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

7、一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量（810次），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。注意： a、實(shí)驗(yàn)前，務(wù)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(diào)節(jié)空氣流量時(shí)，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(yīng)從0開始，最低不小于0.1kpa。實(shí)驗(yàn)中要合理取點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻。 c、切記每改變一個(gè)流量后，應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理本實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。原始數(shù)據(jù)：序號空氣進(jìn)口溫度空氣出口溫度進(jìn)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(shù)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)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(dǎo)熱系數(shù)（W·m·K-1）體積流量qv（m3·h-1）質(zhì)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(shù)試驗(yàn)參數(shù)以第8組數(shù)據(jù)為例，計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)=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(zhì)量流量qm=qv×=26.90×1.159031.18 =31.18 kg·h-1序號對數(shù)平均溫差tm（）傳熱量Q/W傳熱膜系數(shù)（w·m-2·-1）雷諾準(zhǔn)數(shù)Re普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr努賽爾準(zhǔn)數(shù)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(zhǔn)數(shù)處理表以第8組數(shù)據(jù)為例計(jì)算：對數(shù)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(shù)=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(zhǔn)數(shù)Re=4×qmd=4×31.183600×3.14×0.02×19.5207×10-6=28260普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr=Cp=1005×19.5207×10-60.0281=0.6982努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu=d=74.3×0.020.0281=52.9 NuPr0.4=52.90.69820.4=61.1 圖2. NuPr0.4Re關(guān)系曲線六、結(jié)果討論： （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，

16、說明當(dāng)流體無相變時(shí)，用量綱分析法推導(dǎo)出的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式Nu=ARemPrn（在強(qiáng)制對流即忽略Gr影響時(shí)）的準(zhǔn)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(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Nu=d/知，加混合器強(qiáng)化傳熱后，傳熱膜系數(shù)變大。說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。由及可知，直線斜率即為雷諾數(shù)Re的指數(shù)，而截距即為lgA,m=0.7733,A=0.0217,經(jīng)對數(shù)處理得=0.0217dRe0.

17、7733Pr0.4，與公認(rèn)的關(guān)聯(lián)式有一點(diǎn)偏差。七、誤差分析系統(tǒng)誤差，人為操作所造成的誤差，在數(shù)據(jù)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(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：壁溫接近于蒸氣的溫度。可推出此次實(shí)驗(yàn)中總的傳熱系數(shù)方程為其中K是總的傳熱系數(shù)，1是空氣的傳熱系數(shù)，2是水蒸氣的傳熱系數(shù)，是銅管的厚度，是銅的導(dǎo)熱系數(shù)，R1、R2為污垢熱阻。因R1、R2和金屬壁的熱阻較小，可忽略不計(jì)，則Twtw，于是可推導(dǎo)出顯然，壁溫Tw接近于給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度，對于此實(shí)驗(yàn)，可知壁溫接近于水蒸氣的溫度。2、管內(nèi)空氣流速對傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣流速增大時(shí)，空氣離開熱交換器時(shí)的溫度將升高還是降低？為什么？答：傳熱膜系數(shù)將變大，但空氣離開熱交換器時(shí)的溫度將降低。由傳熱膜傳熱系數(shù)的方程易知：傳熱膜系數(shù)與速度u的0.8次方成正比，因而流速增大時(shí)，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(shí)的溫度降低。3、如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對的關(guān)聯(lián)有無影響？答：沒有影響。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用的是量綱分析法，蒸氣的壓