化工原理實(shí)驗(yàn)報告(傳熱膜系數(shù)測定)

1、北京化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)名稱：傳熱膜系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)班級：化實(shí)1101學(xué)號: 2011011499姓名:張旸同 組人：黃鳳磊、陳文漢、楊波實(shí)驗(yàn)日期：2013.11.29一、報告摘要本實(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。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)1、掌握傳熱膜系數(shù)a及傳熱系數(shù)K的測

2、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a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)a，當(dāng)流體無相變時的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為：Nu = A Re m Pr nGrp對于強(qiáng)制湍流有：Nu = ARem Prn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lg * - lg A + m lg RePr0.4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(diǎn)

3、函數(shù)值代A =入方程中，則可得到系數(shù)A，即 Pr0.4 RemRe =虹,Pr =絆,Nu =半其中 日冗冗實(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(jìn)而求得Nu值。牛頓冷卻定律為Q =以 A*m其中a傳熱膜系數(shù)，W/(m2C)；Q傳熱量，W；A-總傳熱面積，m2；Atm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Q = W C t2 -11 )/3600= pV C t2 -11 )/3600其中W質(zhì)量流量，kg/h；cp冷空氣的比定壓熱容，J/ (kgC)；t1,t2冷空氣的進(jìn)，出口溫度，C；P定

4、性溫度下流體密度，kg/m3；V冷空氣體積流量，m3/h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計測得，其流量V與孔板流量計壓降A(chǔ)p的關(guān)系為V = 26.2Ap 0.54式中，Ap孔板流量計壓降，kPa；V空氣流量，m3/h。四、實(shí)驗(yàn)流程1U1-風(fēng)機(jī)，2-孔板流量計，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-不凝性氣體放空閥，9-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?？諝膺M(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由

5、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?？装辶髁坑嫷膲翰钣蓧翰顐鞲衅鳒y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，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)出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實(shí)驗(yàn)裝置

6、流程圖如下所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計計量以后，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。空氣的流量由空 氣流量調(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)操作1、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/3。2、按下總電源開關(guān)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動風(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、用計算機(jī)控制風(fēng)機(jī)頻率為50Hz

7、，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。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(jī)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(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。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理入mW/(mC)Cp kJ/(kgK)Vs27 94100514.160621762672.27 89.1005.27.86.1.005.21.10482.27 85100525.62877.27 86

8、.10053006213.27 92.1005.3566214i.28 一02.1.005.i-i _L41.17672.28.128 一19.100546558239.1005.5185171PrtmaNuNu/Pr*0.40.69861351.2949940.8160129.2165933.7236690.69872352.0336649.3674435.3957240.8534550.69879652.4974357.6959941.4124247.7958770.69884252.8430267.5296148.5038555.9789390.69880552.7685776.5490

9、354.9520763.4222470.69865952.0093987.0014162.3191371.9308780.69843150.9987796.6175768.971979.6201010.69802648.78968105.521174.8696986.4484930.69754646.16756113.520179.9615292.353209u12.52708815.59334918.67022422.67230226.5942431.54820936.42668241.1873745.8702291.5279351.6112291.679391.7480251.802242

10、1.8569151.9010231.9367571.9654521.44E+041.80E+042.16E+042.63E+043.08E+043.64E+044.17E+044.66E+045.11E+04RelgRe1直管傳熱序號空氣入口溫度t1/C空氣出口溫度t2/C壁溫 tw1/C壁溫 tw2/C孔板壓降 /kPa管路壓降 /kPa定性溫度 (t1+t2)/ 2p(kg/m3)n(ppas)127.965.199.93100.10.320.1246.51.118匚 19.42227.664.2100100.10.480.7145.91.12019.39327.563.5100.1100

11、0.670.9445.51.12119.37427.862.71001000.961.2845.251.12219.36528.662.31001001.291.6745.451.12119.37630.362.210099.81.772.21346.251.118匚 19.41732.462.6100.199.92.312.847.51.11419.47835.763.810099.82.93.4449.751.10719.58939.565.410099.73.544.1552.451.09719.71lg(Nu/Pr*0.4)4.1588654.2553894.334556 4.4195

12、 4.4883134.5605874.6200414.6679964.708286以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下定性溫度 t= (t1+t2) / 2= (27.9+65.1) / 2=46.5C可計算得到此定性溫度下的物性參數(shù)為：Cp=1.005 KJKg-1K-1p=-0.0034*46.5 +1.2757=1.118Kgm-3p=(1.71+0.005*46.5)*10-5 =1.942*10-5Pas入=(2.4513+0.0074*46.5)*10-2 =0.02794Wm-1 K-A=3.14*d*l=3.14*0.02*1.25=0.079m2Atm=(T1-t2)-(T2-t1

13、)/ln(T1-t2)/(T2-t1)=(99.9-27.9)-(100.1-65.1)/ln(99.9-27.9)/( 100.1-65.1)=51.29V=26.2* AP0.54=26.2*0.32A0.54=14.16m3.h-1a = p VCp(t2-t1)/3600A A tm=1.118*14.16*1.005*1000*(65.1-27.9) /3600/0.0785/51.29 =40.82Nu=d a /入=0.02*40.82*1000/27.94=29.22u=V/3600/3.14*4/d2=14.16/3600/3.14*4/0.022=12.53m/sPr= u

14、 Cp/X=1.005*19.42/27.94=0.698Re=dup/ u =0.02*12.53*1.118/19.42*10A6=1.44E4序號空氣入口溫度t1/C空氣出口溫度t2/C壁溫 tw1/C壁溫 tw2/C孔板壓降 /kPa管路壓降 /kPa定性溫度 (t1+t2)/ 2p(kg/m3)u(upas)入 w/(mC)141.976.410099.91.928.7559.151.07520.0328.90243.377.699.999.81.627.5360.451.07020.0929.00343.278.210099.81.36.160.71.06920.1029.0244

15、2.178.5100.199.80.954.560.31.07120.0828.99540.378.999.999.80.663.2759.61.07320.0528.94638.379.199.91000.442.3358.71.07620.0128.87737.179.499.91000.291.6858.251.07819.9928.84835.779.699.91000.21.2557.651.08019.9628.79I Cp kJ/(kg K)VsuRePrtmaNuNu/Pr0.41.00537.2635332.9649033.54E+040.69638338.22506128.

16、526288.93242102.782871.00533.9969130.0751123.20E+040.69616336.75541120.742283.2610196.2403931.00530.1877526.7053672.84E+040.6961236.40715110.360576.052187.9098351.00525.4842622.5444632.40E+040.69618836.636496.4082566.5071276.8736491.00520.9341318.5192281.98E+040.69630736.9307883.4971757.7065966.6968

17、281.00516.8176714.8776241.60E+040.6964637.6533669.7391648.3126555.834461.00513.4275311.8785671.28E+040.69653737.8589457.4962839.8786146.0852851.00510.986459.71908411.05E+040.6966438.2042848.4733433.6738238.912484計算方法與上相同g=LL 虺XV A合并作圖：Nu /Pr0.4Re關(guān)系圖8C7C60504730100DO1500020。250。3。如。35000D/-LineaTHt o

18、f Datal D/100du307u305u2000040D00X Axis Title其中，上線為直管換熱，下線為加入靜態(tài)混合器后七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析lg * - lg A + m lg Re由公式Pr0.4可知，分別對Nu/Pr0.4和Re取對數(shù)，并作圖所作出的直線的斜率即為m；截距即為IgA.。由圖可知：加入前 m=0.7933,lgA=-1.7636，進(jìn)而得出A=0.1714，加入靜態(tài)混合器后m=0.8022, lgA=-1.6302，進(jìn)而得出 A=0.1959。由此可知：加入前為a =0.1714*Re0.79Pr0.4,加入后為a =0.1959*Re0.80Pr0.4八、誤差分析1、正常擬合結(jié)果應(yīng)為a=0.023Re0.8Pr0.4即關(guān)于m的擬合比較精確，但是A的擬合變差較 大。其主要原因是由于取對數(shù)坐標(biāo)，即在lgA的擬合上比較精準(zhǔn)，但是取對數(shù)之后，變得點(diǎn) 差略大。2、關(guān)于m的擬合與0.8略有差別，其主要原因可能是因?yàn)檎羝诘牟ＡЧ軆?nèi)有冷凝液積存于管上，從而降低了傳熱系數(shù)。在進(jìn)行傳熱熱量計算時，為了簡化實(shí)驗(yàn)計算，近似以a代替總傳熱系數(shù)K，即令Q= a A A tm。改變壓降后，度數(shù)時間間隔太短，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。3、有對比可知，加入靜態(tài)混合器后更加接近