傳熱膜系數(shù)測定實驗分析

1、北京化工大學(xué)化工原理實驗報告實驗名稱：傳熱膜系數(shù)測定實驗班級：學(xué)號：姓名：同組人：.實驗日期：2015-12-14摘要本實驗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)混合器后的強化條件下的對流傳熱膜系數(shù)a及Nu,做出lg(Nu/Pr0.4)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。關(guān)鍵詞：對流傳熱NuPrReaA、目的及任務(wù)1、掌握傳熱膜系數(shù)a及傳熱系數(shù)K的測定方法。2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中

2、的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法。3、通過實驗提高對準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響a的因素，了解工程上強化傳熱的措施。二、基本原理對流傳熱的核心問題是求算傳熱系數(shù)內(nèi)當(dāng)流體無相變時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為NuARemPrnGrP對于強制湍流而言，Gr數(shù)可忽略，即NuARemPrn本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的指數(shù)m和系數(shù)Ao用圖解法對多變量方程進行關(guān)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n=0.4。在兩邊取對數(shù)，得到直線方程為,Nu,八lg07IgAmlgRePr.在雙對數(shù)坐標(biāo)中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點函數(shù)值代入方程中，則

3、可得到系數(shù)A,即ANuPr0Rem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(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計算機輔助手段，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(guān)聯(lián)，首先要有Nu,Re,Pr的數(shù)據(jù)組。其特征數(shù)定義式分別為duCpdRe,Pr,Nu實驗中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度計算對應(yīng)的Pr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，進而求得Nu的值。牛頓冷卻定律為QAtm式中-傳熱膜系數(shù)，W/（m2：C）;Q傳熱量，W;A總傳熱面積，m2;Am管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，C。傳熱量可由下式求得QWcp(t2t1

4、)/3600Vscp(t2t1)/3600式中，W質(zhì)量流量，kg/h；cp流體的比定壓熱容，J/(kg)；t1,t2流體進，出口溫度，；-定性溫度下流體密度，kg/m3;Vs流體體積流量，m3/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A(chǔ)p的關(guān)系為0.54Vs26.2p0.54式中，Ap板流量計壓降，kPa；Vs空氣流量，m3/h。三、裝置和流程、設(shè)備說明本實驗空氣走內(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、出口溫度和管壁溫度分別由鋁電阻(Pt10O)和熱電偶測得。測量空氣進、出口的鉑電阻應(yīng)置于進、出管得中心。測量管壁溫度

5、用一支鉑電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端?？装辶髁坑嫷膲翰钣蓧翰顐鞲衅鳒y得。本實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kW0風(fēng)機采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kPa,最大流量1OOm3/h。、采集系統(tǒng)說明(1)壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為020kPa。(2)顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表讀取，并實驗數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程圖如下所示，冷空氣由風(fēng)機輸送，經(jīng)孔板流量計計量以后，進入換熱器內(nèi)管(銅管)，并與套管環(huán)隙中的水蒸氣

6、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)。四、操作要點5678圖1.套管式換熱實驗裝置和流程1-風(fēng)機，2-孔板流量計，3-空氣流量調(diào)節(jié)閥，4-空氣入口測溫點，5-空氣出口測溫點,6-水蒸氣入口壁溫，7-水蒸氣出口壁溫，8-不凝性氣體放空閥，9-冷凝水回流管，10-蒸汽發(fā)生器，11-水漏斗，12-補水閥，13-排水閥1、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/

7、3。2、按下總電源開關(guān)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補水閥，啟動風(fēng)機，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、用計算機控制風(fēng)機頻率為50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；再每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實驗，1213次。4、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，將風(fēng)機頻率調(diào)回50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實驗，1213次。5、實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風(fēng)機，清理現(xiàn)場，給蒸汽發(fā)生器灌水。注意事項：.實驗前，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

8、；過低，則可能燒毀加熱器。.調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀書從大流量時開始，最低不小于0.2kpa。實驗中要合理取點，以保證數(shù)據(jù)點均勻。.切記每改變一個流量后，應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后（約3分鐘）再測取數(shù)據(jù)。.結(jié)束時先停加熱電源，再停風(fēng)機。五、數(shù)據(jù)處理：原始數(shù)據(jù)序號空氣入口空氣出口壁溫tw壁溫Tw孔板壓降，/Ct2/C/C/Cp/kPa131.361.1100.999.83.76232.762.710199.83.17333.163.610199.82.73433.264101.199.92.2453364.4100.999.91.89632.764.910199.91.5

9、7732.265.51011001.09831.765.9101.11000.85931.466.4101100.10.641030.867.7101.1100.10.351130.368.7101100.20.21235.763.9100.999.84.22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:序號空氣平均溫度密度P粘度v熱導(dǎo)率入比定壓熱容匕/kg/m3nPasW?(m?K)-1Cp/J?(kg?K)-1146.21.262261.9410.0279551005247.71.261961.94850.0280671005348.351.261831.951750

10、.0281151005448.61.261781.9530.0281341005548.71.261761.95350.0281411005648.81.261741.9540.0281491005748.91.261721.95450.0281561005848.81.261741.9540.0281491005948.91.261721.95450.02815610051049.251.261651.956250.02818210051149.51.26161.95750.02820110051249.451.261611.957250.0281971005經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得下表:序號對數(shù)平均

11、溫度空氣流量傳熱量aNuPrReNu/P0.4Atm/CVs/(m3/h)Q/W150.7753.5677562.5141.131010.697861634116.602249.1648.851516.3133.895.340.6977155978110.108348.4945.0639484.2127.1990.480.6976751547104.493448.3340.4982439.4115.8182.330.697664629395.0829548.4236.948408.7107.5276.410.697654222388.2484648.1633.4262379.1100.2771

12、.250.697643818882.2834748.2427.4481321.985.0160.390.697643135069.7393848.1323.9987289.176.51954.370.697642741862.7899948.2620.5892253.867.00347.590.697642351654.96671047.6414.8627193.251.65536.660.697621695942.33751147.510.9865148.639.8528.260.69761252832.64051247.2657.0125566.2152.64108.30.69766502

13、0125.039以第一組數(shù)據(jù)為例，tmt2t1In。1T2t261.1 31.3ln 100.9 31399.8 61.150.77 C體積流量：Vs26.2 p0.54 = 26.2 3.760.54 53.57m3 / hQ Wcp(t2 3)/3600VsCp(t2 3)/36001.263 53.57 1005 (61.10 31.30)/3600 562.5W傳熱膜系數(shù)：Q A tm562.5雷諾數(shù)：ReA tmdu3.140.02 1.2550.77141.13 W /普朗特準(zhǔn)數(shù)：PrCp4 Vs3600 d4*1.263*53.5_ A 53600*3.14*0.02*1.941

14、*101005 19.41 10 60.02800.697861634管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差:努塞爾準(zhǔn)數(shù)：Nud 141.13 0.020.028010104 NuNu/Pr0.4： -4Pr由以上數(shù)據(jù)可作出101c ccrc0.40.6978Nu/PrA0.4116.602與Re關(guān)系圖，如下:NU/PRA0.4RE關(guān)系圖派實驗結(jié)果討論(1)從圖中可以看出，當(dāng)流體無相變時，流體在圓管內(nèi)作強制湍流流動的傳熱膜系數(shù)是半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr0.4(在強制對流即忽略Pr影響時)的準(zhǔn)確性是很好的。Nu0.0165Re0.80Pr0.4(2).圓形直管內(nèi)強制湍流的公認關(guān)聯(lián)式為Nu0.0

15、23Re0.8Pr04,光滑管實驗所得半經(jīng)驗公式的A偏小，m也偏小，可能原因為出口溫度不穩(wěn)定時讀數(shù)造成誤差偏大，也可能是由于溫度計在管中的位置不正確導(dǎo)致測量的溫度準(zhǔn)確性降低；加強管由于加入填充物，使流體的湍動程度加大，流體阻力增大，進而測得的m與A值與未加填充物時不同，導(dǎo)致所得的半經(jīng)驗公式與光滑管的不同。思考題1、本實驗中管壁溫度應(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。因為水蒸氣對流給熱系數(shù)a(5500500)遠大于空氣對流給熱系數(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。管內(nèi)空氣流動速度對傳熱膜系數(shù)有何影

16、響？當(dāng)空氣速度增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？答：(1)管內(nèi)空氣流動速度將會對傳熱膜系數(shù)造成改變。(2)當(dāng)空氣速度增加時，空氣離開熱交換器時的溫度(出口溫度t2)將降低。(3)因為空氣流量增加會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其湍流程度增加，增強傳熱效果，但是因為空氣對留給熱系數(shù)相對而言很小，所以影響不大，故空氣離開熱交換器時，溫度降降低。3、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對a式的關(guān)聯(lián)有無影響？答：肯定有影響。不同壓強的飽和蒸汽溫度不同，,由于本實驗總傳熱系數(shù)K用膜傳熱系數(shù)a做近似，當(dāng)蒸汽壓強變化，T1T2t1t2都會發(fā)生相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致對數(shù)平均溫差即平均推動力Atm發(fā)生變化。當(dāng)總傳熱量不變時，K必然發(fā)生變化，即a變化，則a的關(guān)聯(lián)式變化。4、試估算空氣一側(cè)的熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)答：空氣一側(cè)：假設(shè)a1=100W/m2K,水蒸汽一側(cè)：假設(shè)a2=10000W/m2K,空氣一側(cè)熱阻為1/100歐，水蒸氣一側(cè)熱阻為1/10000歐，所以：K=1