傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告加思考題

1、化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告?zhèn)鳠崮は禂?shù)測(cè)定目錄一.摘要1二.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?三實(shí)驗(yàn)基本原理及內(nèi)容1四實(shí)驗(yàn)裝置說明及流程圖3五實(shí)驗(yàn)步驟4六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)4七實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理5八結(jié)果與討論8九誤差分析9十思考題9實(shí)驗(yàn)三 傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一.摘要 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)、對(duì)普通管換熱器進(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)。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(cè)量了孔板壓降、進(jìn)出口

2、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。關(guān)鍵詞：對(duì)流傳熱 對(duì)流傳熱膜系數(shù) 蒸汽冷凝膜系數(shù) 管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù)二.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.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、n的方法；3.通過實(shí)驗(yàn)提高對(duì)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。三實(shí)驗(yàn)基本原理及內(nèi)容對(duì)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(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為： （1） 對(duì)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)

3、聯(lián)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?duì)數(shù)，即得到直線方程： （3）在雙對(duì)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(duì)多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時(shí)得到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

4、度（空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）計(jì)算對(duì)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/(m²·)； 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(duì)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(cè)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

5、流量，m3/h。四實(shí)驗(yàn)裝置說明及流程圖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1.20m?？諝膺M(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)出口溫度的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)出管的中心。測(cè)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(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(cè)量范圍為020k

6、pa。（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(cè)量點(diǎn)分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個(gè)壁溫。3.流程說明本實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，冷空氣由風(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)。 圖1 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)

7、溫點(diǎn)； 6、水蒸氣入口壁溫； 7、水蒸氣出口壁溫； 8、不凝氣體放空閥； 9、冷凝水回流管； 10、蒸氣發(fā)生器； 11、補(bǔ)水漏斗； 12、補(bǔ)水閥； 13、排水閥五實(shí)驗(yàn)步驟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)（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

8、現(xiàn)場(chǎng)。六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、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(huì)溢入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。2、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。3、切記每改變一個(gè)流量后，應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測(cè)取數(shù)據(jù)。七實(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1.20m。1.原始數(shù)據(jù)： 蒸汽壓 1.01kPa 蒸汽溫度100.5 表1原始數(shù)據(jù)孔板壓降管路壓降進(jìn)口出口壁溫1（）壁溫2（）-0.020.2022.125.399.9100.20.160.5222.865.599.8100.10.290.

9、6922.865.299.7100.00.450.9022.864.699.6100.00.631.1422.864.099.7100.00.851.4023.063.399.7100.01.091.7023.162.199.7100.01.362.0223.362.299.7100.01.662.3923.761.699.7100.01.982.7524.261.399.7100.02.313.1624.861.199.7100.02.673.6825.961.299.7100.03.044.0327.761.799.799.93.454.5128.761.899.799.93.824.94

10、31.262.999.7100.02.數(shù)據(jù)處理：本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理由如下幾個(gè)步驟完成：步驟1：文獻(xiàn)1給出了各個(gè)相應(yīng)溫度下的干空氣的物性參數(shù)，選取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如附錄1所示；步驟2：利用求取各個(gè)流量下流體的平均溫度，并利用線性插值，求得各個(gè)平均溫度下的相應(yīng)物性參數(shù)，線性插值具體過程如附錄2所示：步驟3：利用平均壁溫和流體進(jìn)出口溫度求得各流量下的，其過程見附表2所示；步驟4：利用式（7），式（8）求得對(duì)應(yīng)的流量和流速；步驟5：利用式（6），式（5）求得各流量對(duì)應(yīng)下的傳熱膜系數(shù)步驟6：利用、Re、Pr數(shù)據(jù)組的定義式，求得各流量下的、Re、Pr值步驟7：利用origin對(duì)對(duì)作圖，并利用其中的擬合命令求解得

11、到對(duì)應(yīng)的與； 步驟8：利用實(shí)驗(yàn)條件下的炮和蒸汽壓查出ts，利用公式 K=Q/(ATm）計(jì)算出總傳熱系數(shù)K上述步驟1-6中涉及到的中間數(shù)據(jù)和最終結(jié)果如下所示：流量流速m/s密度比熱容熱導(dǎo)率粘度傳熱量W-3.17-2.801.1901.00526.2118.3-3.3079.748.621.1131.00527.8919.3129.22513.4311.881.1141.00527.8819.3177.08917.0215.061.1151.00527.8619.3221.45020.4118.061.1141.00527.8219.3261.51024.0021.241.1171.00527.8

12、119.3301.60027.4524.301.1181.00527.7719.3339.26830.9327.371.1181.00527.7819.2375.52234.4530.491.1181.00527.7719.2407.50637.8933.531.1181.00527.7819.2438.73741.1836.441.1161.00527.8019.2469.56044.5339.411.1131.00527.8319.3488.41247.7642.271.1121.00527.9019.4504.09451.1445.261.1101.00527.9819.4524.536

13、54.0347.811.1031.00528.1019.5527.392 表2-1.直管處理中間數(shù)據(jù) W/(m2/） KW/(m2/）PrRe76.29-0.575-0.6650.701-0.414-3641.53-0.4853.0132.34832.2580.69723.2909942.0326.9153.2144.16344.0730.69831.80013714.3236.7253.6154.81454.7240.69739.47017400.9345.6054.0164.25064.1600.69846.62020848.5453.8354.3873.59573.5050.69752.

14、99024585.5861.2255.9780.43580.3450.69857.91028152.7566.8754.9890.63490.5440.69865.26031874.6575.3555.2097.96197.8710.69870.53035508.1581.4455.19105.488105.3980.69775.95039048.4887.7555.07113.145113.0550.69881.46042361.5094.0654.56118.788118.6980.69885.52045454.2398.7553.51125.007124.9170.69790.00048

15、457.98103.9853.04131.230131.1400.69794.34051792.37108.9951.33136.340136.2500.69898.16054086.59113.34表2-2.直管處理中間數(shù)據(jù)步驟7中所得的圖如下圖2所示：圖2.與Re關(guān)系圖八結(jié)果與討論1.強(qiáng)制湍流條件下空氣側(cè)的給熱系數(shù)，由表2-2中第二列給出。2.關(guān)聯(lián)式中系數(shù)A和指數(shù)m.n，因?yàn)榭諝獗患訜醤=0.4由圖2給出方程： y=0.8313x-1.8735 所以A= 0.0134 m=0.83133.總傳熱系數(shù)K，由表2-2第三列給出?？梢钥闯鼋o熱系數(shù)跟總傳熱系數(shù)很接近。參考文獻(xiàn)：1陳敏恒.化工原理(

16、上冊(cè)).化學(xué)工業(yè)出版社.第三版.北京:2011.6:2682楊祖榮.化工原理實(shí)驗(yàn).化學(xué)工業(yè)出版社.北京:2011.8:60-63附錄1.干空氣物性參數(shù)溫度密度比熱容熱導(dǎo)率粘度401.1281.00527.4519.1501.0931.00528.2419.6601.0601.00528.9320.1附錄2.一維插值過程： 已知相鄰的兩組數(shù)據(jù),求之間的所對(duì)應(yīng)的值，其具體式子如下：求解過程：式中平均對(duì)數(shù)溫度 分別為冷、熱流體溫度 壁溫 九誤差分析影響給熱系數(shù)的主要因素： 1 液體的狀態(tài)：氣體、液體、蒸氣及傳熱過程是否有相變化等； 2 液體的物理性質(zhì)：如密度、比熱容、粘度及導(dǎo)熱系數(shù)； 3 液體的流動(dòng)

17、形態(tài)：層流或湍流； 4 液體對(duì)流的對(duì)流狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流等； 5 傳熱表面積的形狀、位置及大小。 在該實(shí)驗(yàn)過程中，空氣流量讀數(shù)時(shí)存在誤差；進(jìn)行溫度讀數(shù)時(shí)，溫度不穩(wěn)定，使得讀數(shù)時(shí)存在誤差；實(shí)驗(yàn)是在固定水流量的條件下進(jìn)行的，但在實(shí)驗(yàn)過程中，水流量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生影響。十思考題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

18、溫Tw接近于給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度，對(duì)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(duì)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)的溫度是將升高呢還是降低？為什么？ 答：管內(nèi)空氣流速增大時(shí)，空氣湍動(dòng)增加，雷諾數(shù)增大，有利于傳熱膜系數(shù)增大。當(dāng)空氣流速增大時(shí)，雖然傳熱膜系數(shù)會(huì)增大，但空氣流量增大的影響較大，在入口溫度相同時(shí)，空氣離開熱交換器溫度會(huì)降低。 3.如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)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，蒸氣的壓強(qiáng)變化會(huì)同時(shí)反應(yīng)在雷諾數(shù)Re、流量qv、傳熱膜系數(shù)、努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu等數(shù)據(jù)上，可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)。4.試估算空氣一側(cè)的熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)。答：忽略污垢熱阻時(shí)，熱阻計(jì)算主要為 ，空氣對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)量級(jí)為102而蒸汽冷凝傳熱系數(shù)的數(shù)