化工原理实验报告传热.docx
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化工原理实验报告传热
北京化工大学
化工原理实验报告
传热膜系数测定实验
院（部）：
化学工程学院
专业：
化学工程与工艺
班级：
化工1005
姓名：
江海洋2010011136
同组人员：
王彬刘玥波方郡
实验名称：
传热膜系数测定实验
实验日期：
2012.11.28
传热膜系数测定实验
一、摘要
本实验以套管换热器为研究对象，以冷空气及热蒸汽为介质，冷空气走黄铜管内，即管程，热蒸汽走环隙，即壳程，研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程。
通过测得的一系列温度及孔板压降数值，分别求得正常条件和加入静态混合器后的强化条件下的对流传热膜系数α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的图像，分析出传热膜系数准数关联式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。
关键词：
对流传热NuPrReαA
二、实验目的
1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法；
2、通过实验掌握确定传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m、n的方法；
3、通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。
三、实验原理
黄铜管内走冷空气，管外走100℃的热蒸汽，壁内侧热阻1/α远远大于壁阻、垢阻及外侧热阻，因此研究传热的关键问题是测算α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：
对于强制湍流有：
用图解法对多变量方程进行关联，要对不同变量Re和Pr分别回归。
本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。
在两边取对数，得到直线方程为
在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m。
在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A，即
其中
实验中改变空气的流量，以改变Re值。
根据定性温度计算对应的Pr值。
同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu值。
牛顿冷却定律为
其中α——传热膜系数，W/（m2•℃）；
Q——传热量，W；
A——总传热面积，m2；
Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。
传热量可由下式求得
其中W——质量流量，kg/h；
cp——冷空气的比定压热容，J/（kg•℃）；
t1,t2——冷空气的进，出口温度，℃；
ρ——定性温度下流体密度，kg/m3；
V——冷空气体积流量，m3/h。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V与孔板流量计压降Δp的关系为
式中，Δp——孔板流量计压降，kPa；
V——空气流量，m3/h。
四、实验流程图
套管式换热实验装置和流程
1-风机，2-孔板流量计，3-空气流量调节阀，4-空气入口测温点，5-空气出口测温点，
6-水蒸气入口壁温，7-水蒸气出口壁温，8-不凝性气体放空阀，
9-冷凝水回流管，10-蒸汽发生器，11-补水漏斗，12-补水阀，13-排水阀
1、设备说明
本实验空气走内管，蒸汽走管隙（玻璃管）。
内管为黄铜管，其内径为0.020m，有效长度为1.25m。
空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得。
测量空气进、出口的铂电阻应置于进、出管得中心。
测量管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。
孔板流量计的压差由压差传感器测得。
本实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为1.5kW。
风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17.50kPa，最大流量100m3/h。
2、采集系统说明
（1）压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0~20kPa。
（2）显示仪表
在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表读取，并实验数据的在线采集与控制，测量点分别为：
孔板压降、进出口温度和两个壁温。
3、流程说明
本实验装置流程图如下所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量以后，进入换热器内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热。
空气被加热后，排入大气。
空气的流量由空气流量调节阀调节。
蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器。
放气阀门用于排放不凝性气体，在铜管之前设有一定长度的稳定段，用于消除端效应。
铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。
五、实验操作
1、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3~2/3。
2、按下总电源开关，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，接通蒸汽发生器的发热电源，保持放气阀打开，调整好热电偶位置。
3、用计算机控制风机频率为50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；再每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12~13次。
4、将静态混合器插入管中，并将其固定，再次调整好热电偶温度计，将风机频率调回50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12~13次。
5、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场，给蒸汽发生器灌水。
六、实验数据处理
1、测定空气普通对流传热膜系数（l=1.25,d=0.020m）
表一：
空气普通膜系数测定实验数据
序号
空气入口温度℃
空气出口温度℃
壁温1/℃
壁温2/℃
ΔP
/kpa
Pr
关联式
Re
Nu
Nu/pr0.4
1
44.9
68
99.6
100.1
3.9
0.71424
52107.96862
101.48966
116.11396
2
41
65.6
98.5
100.1
3.24
0.71502
48007.19696
94.07172
107.57993
3
39.9
67.1
99.5
100.1
1.99
0.71497
36854.68792
79.74868
91.20274
4
37.1
66.4
99.8
100
1.57
0.71541
32754.44649
73.62748
84.18161
5
35.2
66
99.3
99.9
1.19
0.71571
28389.01224
66.09374
75.55559
6
34.2
66.1
99.9
100
0.95
0.71582
25202.77191
59.88782
68.45685
7
33.5
66.4
99.6
100.1
0.73
0.71587
21886.21962
53.65347
61.32871
8
31.8
66.3
99.7
100.1
0.54
0.71610
18694.46587
47.28684
54.04435
9
30.9
66.8
99.6
100.1
0.38
0.71615
15481.10914
40.76415
46.58819
以第三组数据为例，计算过程如下：
定性温度t=（t1+t2）/2=（39.9+67.1）/2=53.5℃
查得此定性温度下的物性参数为
Cp=1.0294KJ•Kg-1•K-1ρ=1.2715-0.0035*53.5=1.08425Kg•m-3
μ=（1.71+0.005*53.5）*10-5=1.98*10-5Pa•s
λ=（2.4513+0.0074*53.5）*10-2=0.028472W•m-1•K-1
换热面积A=πdl=π*0.02*1.25=0.079m2
对数平均温度Δtm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/ln[（T1-t2）/（T2-t1）]
=[（99.5-67.1）-（100.1-39.9）]/ln[（99.5-67.1）/（100.1-39.9）]
=44.93629℃
冷空气的体积流量V=26.2•ΔP0.54=26.2*1.990.54=37.99111m3•h-1
传热膜系数α=ρVCp（t2-t1）/3600/A/Δtm
=1.073925*37.99111*1.0294*1000*（67.1-39.9）/3600/0.079/44.93629
=113.5302W•m-2•K-1
Nu=dα/λ=0.02*113.5302/0.028472=79.74868
Pr=0.7063-2*10-4*53.5=0.71497
u=V*4/π/d2/3600=37.99111*4/π/0.022/3600=33.60855m/s
Re=dρu/μ=0.02*1.08425*33.60855/1.98*10-5=36854.68792
Nu/Pr0.4=79.74868/0.714970.4=91.20274
2、测定空气强化对流传热膜系数（l=1.25,d=0.020m,加入混合器）
表二：
强化后膜系数测定实验数据记录
序号
空气入口温度℃
空气出口温度℃
壁温1/℃
壁温2/℃
ΔP
/kpa
Pr
关联式
Re
Nu
Nu/pr0.4
1
37.2
74.2
99.6
99
2.03
0.714424018
36783.71666
119.0286315
136.1661073
2
38.6
75.3
99.5
99.9
1.52
0.714115759
31237.18419
102.381023
117.1418336
3
39.7
76.4
99.6
100
1.14
0.713846363
26573.38442
89.46628544
102.3805612
4
38.9
77
99.3
100
0.81
0.713870781
22108.07823
77.85471108
89.09166078
5
37.7
77.5
100.1
100.1
0.57
0.713956359
18323.95699
66.43396884
76.01889143
6
36.4
77.9
99.6
100
0.41
0.714066648
15377.23761
58.35942949
66.77525239
7
35
79.1
100.1
100.2
0.28
0.714091196
12522.49994
50.51415794
57.79784504
以第三组数据为例，计算过程如下：
定性温度t=（t1+t2）/2=（39.7+76.4）/2=58.05℃
查得此定性温度下的物性参数为
Cp=1.028121KJ•Kg-1•K-1ρ=1.2715-0.0035*58.05=1.068325Kg•m-3
μ=（1.71+0.005*58.05）*10-5=2*10-5Pa•s
λ=（2.4513+0.0074*58.05）*10-2=0.028809W•m-1•K-1
换热面积A=πdl=π*0.02*1.25=0.079m2
对数平均温度Δtm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/ln[（T1-t2）/（T2-t1）]
=[（99.6-76.4）-（100-39.7）]/ln[（99.6-76.4）-（100-39.7）]
=38.90705℃
冷空气的体积流量V=26.2•ΔP0.54=26.2*1.140.54=28.12095m3•h-1
传热膜系数α=ρVCp（t2-t1）/3600/A/Δtm
=1.068325*28.12095*1.028121*1000*（76.4-39.7）/3600/0.079/38.90705=128.8704W•m-2•K-1
Nu=dα/λ=0.02*128.8704/0.028809=89.46629
Pr=0.7063-2*10-4*58.05=0.713846
u=V*4/π/d2/3600=28.12095*4/π/0.022/3600=24.87699m/s
Re=dρu/μ=0.02*1.068325*24.87699/2*10-5=26573.38442
Nu/Pr0.4=89.46629/0.7138460.4=102.3805612
七、实验结果做图及分析
根据表一、表二中的数据分别做出普通和强化后的Nu/pr0.4与Re双对数关系曲线如下：
结果分析：
1．由excel软件线性拟合的直线见上图，读取直线斜率并在直线上任取一点得：
（1）正常条件下空气普通对流传热：
A=0.014，m=0.82，Nu=0.014*Re0.82*Pr0.4
（2）强化条件下空气强化对流传热:
A=0.029，m=0.79，Nu=0.029*Re0.79*Pr0.4
2．由上图可知，强化条件下传热较正常情况下好，因为加入静态混合器后，增大了空气的湍动程度，有利于传热。
但加入静态混合器是以增大能量的阻力损失为代价的，因此在强化过程传热的措施重要考虑到兼顾传热效率和能量损失，以获得最大的效益。
3．化工原理课本上介绍的公式为Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4，实验结果与之有一定误差的主要原因：
（1）蒸汽所在的玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，从而降低了传热系数。
（2）在进行传热热量计算时，为了简化实验计算，近似以α代替总传热系数K，即令Q=αAΔtm。
（3）改变压降后，度数时间间隔太短，从而传热体系未达到稳定状态，造成读数与实际情况不相符。
八、思考题
1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？
为什么？
答：
管壁温度应接近于蒸汽温度。
因为水蒸气膜状冷凝的对流给热系数很大（5500~500）,而空气的强制对流给热系数相对很小（10~100），所以水蒸汽与管壁的传热速率远远大于空气与管壁的传热速率，从而管壁温度更接近于蒸汽温度。
2、管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？
当空气速度增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？
为什么？
答：
管内空气流动速度的改变将直接影响传热膜系数的大小。
当空气速度增加时，空气离开热交换器时的温度将降低。
因为空气流量增加相当于单位时间内有更多的空气参与热交换，而水蒸气的冷凝量是一定的，那么相同的热量就被更多的冷空气分享，虽然空气速度增大时其湍流程度增加，增强传热效果，但是因为空气对留给热系数相对而言很小，所以影响不大，故空气离开热交换器时，温度降降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响？
答：
有影响，对于本实验而言，由于用膜传热系数α代替总传热系数K，不同压强的饱和蒸汽温度不同，当蒸汽压强变化，对数平均温差即平均推动力Δtm变化，当总传热量不变时，总传热系数必然K变化，即α变化，则α的关联式变化。
4、本实验可采取哪些措施强化传热？
答：
（1）增加空气湍动程度，如加入静态混合器，翘片等；
（2）蒸汽所在环隙的玻璃壁外侧加一保温层，以减少热量损失。
九、疑问、意见、建议等
1、因为静态混合器为金属制品，插入静态混合器后会不会因其导热性能较好对实验有所影响。
2、工程上的设备投入使用后基本都已密封，加入静态混合器从而加强传热性能的方法到底实不实用。
（注：
可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!
）
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