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

1、北 京 化 工 大 學(xué)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告?zhèn)鳠崮は禂?shù)測定實(shí)驗(yàn)班級(jí)：裝備 姓名： 學(xué)號(hào)：同組人： 一、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)生器等裝置，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

2、強(qiáng)化了傳熱，并重新測定了、A和m。二、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。三、實(shí)驗(yàn)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： 對于強(qiáng)制湍流而言，Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略，故 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)

3、，即得到直線方程：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：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： 式中： 傳熱膜系數(shù)，W/(m²·

4、)； Q傳熱量，W； A總傳熱面積m2²。 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： 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/m3³；V流體體積流量，m3³/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)系為式中 p孔板流量計(jì)壓降，kpa；Vs空氣流量，m3/h。四、實(shí)驗(yàn)裝置本實(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（Pt100）和熱電

5、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)裝置流程如下圖所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送

6、，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、空氣入口測溫點(diǎn)； 5、空氣出口測溫點(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)操作1、實(shí)驗(yàn)開始前，先弄清配電箱上各按

7、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(huì)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

8、。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)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理本實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。（一）直管傳熱原始數(shù)據(jù)序號(hào)空氣入口溫度空氣出口溫度壁溫壁溫孔板壓降t1/t2/T1/T2/P/kpa134.7 64.9 100.2100.32.64238.7 67.4 100.6100.42.25340.1 68.7 100.3100.51.89439.9 68.7 100.1100.51.54538.6 68.6 100.6100.51.24637.1 68.3 100.6100.60.97735.3 68.1 100.61

9、00.60.73833.5 68.0 100.3100.40.51931.8 68.1 100.4100.50.341030.3 68.4 100.8100.60.21首先求得空氣平均溫度，然后查空氣平均溫度下空氣的物性數(shù)據(jù)表可得下表：序號(hào)空氣平均溫度t/密度粘度熱導(dǎo)率比定壓熱容/kgm-3/×10-5Pas/W(mK)-1Cp/J(kgK)-1149.80 1.0947 1.9590.0282461005253.05 1.0836 1.975250.02847351005354.40 1.0790 1.9820.0285681005454.30 1.0794 1.98150.028

10、5611005553.60 1.0818 1.9780.0285121005652.70 1.0848 1.97350.0284491005751.70 1.0882 1.96850.0283791005850.75 1.0915 1.963750.02831251005949.95 1.0942 1.959750.028256510051049.35 1.0962 1.956750.02821451005經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得下表：序號(hào)對數(shù)平均溫度tm/空氣流量傳熱量NuPrReNu/Pr0.4Vs/(m3/h)Q/W148.92 44.256 408.437 106.315 75.278 0.69

11、70 43733 86.970 245.95 40.596 352.457 97.677 68.609 0.6972 39385 79.258 344.50 36.948 318.316 91.080 63.764 0.6973 35573 73.658 444.50 33.080 287.073 82.141 57.519 0.6972 31866 66.445 545.30 29.427 266.603 74.944 52.570 0.6972 28461 60.728 646.16 25.773 243.520 67.179 47.227 0.6972 25054 54.558 747.

12、01 22.105 220.267 59.662 42.047 0.6971 21611 48.575 847.54 18.213 191.459 51.275 36.221 0.6971 17902 41.845 948.26 14.632 162.239 42.806 30.298 0.6970 14447 35.004 1048.87 11.280 131.517 34.263 24.288 0.6970 11175 28.060 以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如下：空氣平均溫度 對數(shù)平均溫度空氣流量 傳熱量 傳熱膜系數(shù) w/(m2·)努塞爾準(zhǔn)數(shù) 普朗特準(zhǔn)數(shù) 雷諾數(shù) （二）加混合器原始

13、數(shù)據(jù)：序號(hào)空氣入口溫度空氣出口溫度壁溫壁溫孔板壓降t1/t2/T1/T2/P/kpa136.474.8100.6100.31.67239.476.8100.4100.41.31339.677.9101.2100.40.99438.678.3100.6100.60.71536.778.5100.3100.50.47634.878.9100.6100.60.28733.279.4101.1100.60.14用相同的方法可查得物性：序號(hào)空氣平均溫度t/熱導(dǎo)率密度粘度比定壓熱容/W(mK)-1/kgm-3/×10-5PasCp/J(kgK)-1155.60.027691.12119.2010

14、05258.10.027521.13019.071005358.750.027481.13219.041005458.450.027481.13219.041005557.60.027501.13019.061005656.850.027541.12919.091005756.30.027571.12719.111005經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得下表：序號(hào)對數(shù)平均溫度tm/空氣流量流速傳熱量NuPrReNu/Pr0.4Vs/(m3/h) m/sQ/W141.91434.56030.573415.366 126.178 91.123 0.697 35695 105.30 239.38430.31326.81

15、6357.561 115.596 84.018 0.696 31758 97.10 338.82326.05823.052315.302 103.408 75.267 0.696 27387 86.99 438.82521.77619.264273.119 89.568 65.194 0.696 22887 75.34 539.18717.42715.417229.889 74.694 54.317 0.696 18279 62.77 639.75513.17511.656183.050 58.627 42.571 0.696 13775 49.20 740.1199.0628.016131.

16、747 41.812 30.333 0.697 9455 35.05 以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算如下：空氣平均溫度 對數(shù)平均溫度空氣流量 傳熱量 傳熱膜系數(shù) w/(m2·)努塞爾準(zhǔn)數(shù) 普朗特準(zhǔn)數(shù) 雷諾數(shù) 由以上數(shù)據(jù)可作出Nu/Pr0.4 與Re關(guān)系圖，如下：實(shí)驗(yàn)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，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