傳熱膜系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)

1、 傳熱膜系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)摘要本實(shí)驗(yàn)以套管換熱器為研究對象，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程。通過測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)化條件下的對流傳熱膜系數(shù)a及 Nu ， 做 出 l（g N u/ P0 .r） l g的 圖 像 ， 分 析 出 傳 熱 膜 系 數(shù) 準(zhǔn) 數(shù) 關(guān) 聯(lián) 式4Nu = ARemPr0.4 中的 A 和 m 值。關(guān)鍵詞：對流傳熱 Nu Pr Re aA二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?23、掌握傳熱膜系數(shù) 及傳熱系數(shù) K 的測定方法；、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

2、 和指數(shù) m、n 的方法；、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。三實(shí)驗(yàn)原理黃銅管內(nèi)走冷空氣，管外走100的熱蒸汽，壁內(nèi)側(cè)熱阻1/a 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)鍵問題是測算a ，當(dāng)流體無相變時(shí)對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為：Nu = ARemmPrn Gr p(1-1)對于強(qiáng)制湍流有：Nu = ARePrn(1-2)用圖解法對多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，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 n = 0.4（流體被加熱）。在兩邊取對數(shù)，得到直線方程為Nulg Pr = lg A+ mlgRe (1-3)0.4在雙對數(shù)坐

3、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NuPr0.4 ReA =(1-4)m C mdurmadl其中 Re=,Pr =p, Nu =l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 = a A Dtm(1-5)其中a 傳熱膜系數(shù)，W / (m2)；Q 傳熱量，W ；A 總傳熱面積， mtm 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2；D= ( - )Q W C t t / 3600V C t t

4、/ 3600= r ( - )(1-6)p21p21其中W 質(zhì)量流量， kg / h ；C 冷空氣的比定壓熱容， J （/ kg ）；pt ,t 冷空氣的進(jìn)，出口溫度，；12r 定性溫度下流體密度，V 冷空氣體積流量， mkg / m3；3/ h。S空氣的體積流量由孔板流量計(jì)測得，其流量 V 與孔板流量計(jì)壓降 p 的關(guān)系為V = 26.2Dp0.54 (1-7)Dp 孔板流量計(jì)壓降， kPa ；式中，V 空氣流量， m3 / h。四實(shí)驗(yàn)裝置和主要儀器設(shè)備 169-風(fēng)機(jī)，2-孔板流量計(jì)，3-空氣流量調(diào)節(jié)閥，4-空氣入口測溫點(diǎn)，5-空氣出口測溫點(diǎn)，-水蒸氣入口壁溫，7-水蒸氣出口壁溫，8-不凝性氣

5、體放空閥，-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）和熱電偶測得。測量空氣進(jìn)、出口的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)、出管得中心。測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100m、采集系統(tǒng)說明1) 壓力傳感器本實(shí)驗(yàn)裝置采用ASCOM

6、5320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讀取，并實(shí)驗(yàn)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。、流程說明本實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如上所示，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3/h。2(3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?？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。放氣閥門用于排放不凝性氣體，在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(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)。五實(shí)驗(yàn)操

7、作記錄和注意事項(xiàng)12、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/3。、按下總電源開關(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，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)，1213次。45、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0Hz，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)，1213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，給蒸汽發(fā)生器灌水

8、。六流程圖調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，從50Hz開始調(diào)節(jié)，直到孔板流將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到lg電腦上打開操作軟件，等壁溫升至100C時(shí)按下綠色按鈕，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。（Nu/Pr0.4）量計(jì)的壓差為啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器的綠色按鈕。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。0.2kPa,每次調(diào)節(jié)頻率后等壁溫溫度穩(wěn)定后再記錄數(shù)據(jù)，一共得到10組數(shù)據(jù)。七實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格和計(jì)算示例表格 1 傳熱膜系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)空氣入口溫度空氣出口溫度壁溫對數(shù)平均溫度定性溫度t1/t2/T /Wt /mt/23333333229.801.602.702.802.701.800.800.309.708.7

9、058.7060.5061.7062.4062.8063.3063.8064.4065.3067.7099.90100.00100.0099.9054.3852.6351.4450.8750.7750.8350.9350.7650.5349.4644.2546.0547.2047.6047.7547.5547.3047.3547.5048.20100.00100.00100.00100.00100.10100.20計(jì)算示例：（以第一組數(shù)據(jù)為例） t2 -t158.70 - 29.80Dt = 54.38m- 99.90 - 29.80 99.90 -58.70 TWTWt1lnln-t2 =

10、1( + ) = (tt129.80+ 58.70) = 44.25t1222表格 2 物性常數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)表熱導(dǎo)率W/(m)黏度密度定壓比熱容PaSkg/m3CpJ/(kg0000000000.02779.02793.02802.02805.02806.02805.02803.02803.02804.028101.931E-051.940E-051.945E-051.947E-051.948E-051.947E-051.945E-051.946E-051.946E-051.950E-051.1671.1611.1561.1561.1561.1601.1641.1651.1681.17210051

11、00510051005100510051005100510051005計(jì)算示例：（以第一組數(shù)據(jù)為例）r= 8.84510-6 t12- 4.32610-3t1 +1.2884= 8.845 10-1.167kg / m= 7.681810-5 t + 0.024395629.802-4.32610-329.80 +1.2884=l3= 7.6818 10- +544.25 0.024395=m=0.02779W / (m )= (0.047078t 17.228 10+ ) -6(0+) 0-6.047078 44.25 17.228 1=1.93110-5Pa S表格 3 傳熱量與傳熱膜系數(shù)

12、計(jì)算表壓降體積流量傳熱量傳熱面積A/m傳熱膜系數(shù)p/kPaVsm3/hQ/W2W/(m2)543322110.06.38.74.15.60.10.43.03.6962.8858.1753.4148.6843.8939.1131.7826.6221.44592.24544.65500.06465.06426.51398.89340.68295.35248.850.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.07540144.46137.24128.92121.24111.41104.0788.7277.1865.32 0.221

13、1.57147.530.0754039.56計(jì)算示例：（以第一組數(shù)據(jù)為例）V = 26.2Dp0.54 = 26.25.060.54 = 62.88m / h3SQ = rV c t t / 3600( - )Sp21=1592.24WA = pdl = 3.140.021.2 = 0.07540m.167 62.88 1005 58.70 29.80 / 3600(-)=2QADtm 0.0754054.38592.24a=144.46W / (m2 )表格 4 無因次數(shù)群計(jì)算表NuPrReNu/Pr0.4103.9462580.6982670.6978590.6976010.6975110

14、.6974780.6975220.6975780.6975670.6975330.69737767221.561549.056158.551120.146086.441206.233613.928198.322748.812290.5120.0052829113.474799106.273309499.842789491.7118260485.7127438773.1137910163.5972760153.8040500332.5249477298.2667222.0167586.4444569.4030964.2110583.3047725.0646496.5844508.15812498

15、776542計(jì)算示例：（以第一組數(shù)據(jù)為例）dru 4V rm462.881.167= 67221.5pdm 3.140.021.93110-5Re =S=cpml-5005 1.931 10= 0.6982670.02779= 1Pr =Nu = ad 144.460.02=103.946258l0.02779八實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖及分析 0.430y = 0.0241x0.7678R = 0.9988Re10,000.00得到系數(shù) A = 0.0241 m =0.7678九誤差分析Nu = 0.023Re0.8Pr0.4 ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之有一定誤差的主化工原理課本上介紹的公式為要原因：（1）蒸汽所在的

16、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)，為了簡化實(shí)驗(yàn)計(jì)算，近似以 a 代替總傳熱系數(shù) K ，即令（Q =a ADt 。m（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。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：管壁溫度應(yīng)接近于蒸汽溫度。因?yàn)樗魵鈱α鹘o熱系數(shù)a（5500500）遠(yuǎn)大于空氣的對流給熱系數(shù)a（10100），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)速度對傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣速度增大時(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：（1）管內(nèi)空氣流動(dòng)速度將會(huì)對傳熱膜系數(shù)造成改變。（2）當(dāng)空氣速度增加時(shí)，空氣離開熱交換器時(shí)的溫度(出口溫度t )將降低。23）因?yàn)榭諝饬髁吭黾訒?huì)有更多的空氣參與熱交換，而水蒸氣的冷凝量是一定的，那么 相同的熱量就被更多的冷空氣分享，雖然空氣速度增大時(shí)其湍流程度增加，增強(qiáng)傳熱效果，但是因?yàn)榭諝鈱α艚o熱系數(shù)相對而言很小，所以影響不大，故空氣離開熱交換器時(shí)，溫度降降低。3、如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對式的關(guān)聯(lián)有無影響？答：肯定有影響。不同壓強(qiáng)的飽和蒸汽溫度不同，,由于本實(shí)驗(yàn)總傳熱系數(shù)K用膜傳熱系數(shù)a做近似，當(dāng)蒸汽壓強(qiáng)變化，T ,T ,t ,t 都會(huì)發(fā)生相