传热膜系数测定实验解析.docx

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传热膜系数测定实验解析

北京化工大学

化工原理实验报告

实验名称：

传热膜系数测定实验

班级：

姓名：

学号：

序号：

同组人：

实验日期：

一、实验摘要

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、实验流程和设备

本实验装置如图所示

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。

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、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，做好卫生工作。

六、原始数据记录

原始数据如下表：

孔板流量计参数c1=26.2,c2=0.54,换热器管长与管径：

l=1.25（m），d=0.02（m）

表1.原始数据记录表

进口温度t1

出口温度t2

壁温1

壁温2

孔板压降

35.9

62.4

100.4

100.1

3.54

38.7

65

100.5

100.4

2.88

38.7

65.4

100.6

100.6

2.52

38.4

65.7

100.6

100.6

2.2

38

66

100.7

100.6

1.77

37

66.2

100.7

100.6

1.41

36.2

66.5

100.6

100.6

1.07

34.7

66.8

100.5

100.7

0.71

33.3

67.7

100.5

100.7

0.37

32.3

68.8

100.6

100.7

0.2

七、实验数据处理及计算示例

表1.空气特性参数结果一览表

热导率λ（W/m.K）

定性温度△tm（℃）

密度ρ（kg/m3）

定压比热容Cp（J/kg.K）

黏度μ（10-5Pa.s）

0.02817

49.15

1.144

1.005

1.954

0.02838

51.85

1.134

1.005

1.967

0.02839

52.05

1.134

1.005

1.968

0.02839

52.05

1.135

1.005

1.968

0.02839

52

1.137

1.005

1.968

0.02836

51.6

1.140

1.005

1.966

0.02834

51.35

1.143

1.005

1.965

0.02829

50.75

1.149

1.005

1.962

0.02827

50.5

1.154

1.005

1.961

0.02828

50.55

1.158

1.005

1.961

表2.对流传热膜系数处理结果一览表

流量qv（m3/s）

流速u（m/s）

对数平均推动力△tm

传热膜系数α

Nu

Re

Pr

Nu/Pr0.4

51.85

45.87

49.96

111.94

79.47

53729

0.6972

91.81

46.38

41.03

47.40

103.81

73.16

47325

0.6966

84.55

43.16

38.18

47.30

98.26

69.22

44012

0.6965

79.99

40.11

35.48

47.24

93.57

65.91

40939

0.6965

76.17

35.66

31.55

47.29

85.37

60.14

36454

0.6965

69.50

31.54

27.90

47.58

78.51

55.37

32377

0.6966

63.99

27.17

24.04

47.66

70.26

49.58

27983

0.6967

57.29

21.78

19.26

48.05

59.44

42.01

22565

0.6968

48.54

15.32

13.55

48.04

45.01

31.84

15952

0.6969

36.79

10.99

9.72

47.79

34.55

24.44

11479

0.6969

28.24

计算举例：

（以第二组数据为例）

定性温度t=（t1+t2）/2=（38.7+65）/2=51.85℃

比定压热容Cp=1005（J/kg∙K）

热导率λ=7.6818×10-5t+0.024395=7.6818×10-5×51.85+0.024395=0.02838（W/m∙K）

密度ρ=8.845×10-6t12-4.326×10-3t1+1.2884=8.845×10-6×38.72-4.326×10-3×38.7+1.2884=1.134（kg/m3）

黏度μ=0.047078t+17.228×10-6=0.047078×51.85+17.228×10-6=1.967×10-5（Pa∙s）

对数平均温度△tm=[（T1-t2）-（T2-t1）]/ln[（T1-t2）/（T2-t1）]=[（100.5-65）-（100.4-38.7）]/ln[（100.5-65）/（100.4-38.7）]=47.4℃换热面积A=πdl=3.14×1.25×0.02=0.0785m2

冷空气体积流量Vs=26.2△p0.54=26.2×2.880.54=46.38（m3/s）

流速u=Vs/（3600×πd2/4）=46.38/（3600×3.14×0.022/4）=41.03（m/s）

传热膜系数α=ρVsCp（t2-t1）/（3600A∙△tm）

=1.134×46.38×（65-38.7）/（3600×0.0785×47.4）=103.81

各个准数计算：

Nu=αd/λ=103.81×0.02/0.02838=73.16

Pr=Cpμ/λ=1005×1.967×10-5/0.02838=0.6966

Re=ρdu/μ=1.134×0.02×41.03/（1.967×10-5）=47325

Nu/Pr0.4=73.16/0.69660.4=73.16

八、实验结果作图及分析

1．软件线性拟合的直线见上图，由excel趋势线拟合可得，

Nu=0.0221Re0.7665Pr0.4R2=0.9994

2．化工原理课本上介绍的公式为Nu=0.023Re0.8Pr0.4，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。

3.影响α的因素

由课本公式

可知α与以下性质有关：

流体流动的速度；流体的对流状况；流体的种类；流体的性质；传热面的形状、位置和大小。

九、思考题（课本序号）

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：

传热膜系数将变大，但空气离开热交换器时的温度将降低。

由传热膜传热系数的方程易知：

传热膜系数α与速度u的0.8次方成正比，因而流速增大时，α变大。

由传热平衡方程qm1r=qm2Cp2（t2-t1），知流速增大，即qm2增大后，t2减小，及空气离开热交换器时的温度降低。

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：

没有影响。

因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数Re、流量qv、传热膜系数α、努塞尔准数Nu等数据上，可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以进行关联。

6、本实验可采取哪些措施强化传热？

答：

（1）增加总传热系数K

a.增大流速减小管径；

b.内管加填充物；

c.增加内管的粗糙度；

d.防止空气等非冷凝气体随水蒸气一起进入外管；

e.防止有垢层产生（在此实验中影响较小）；

（2）增加传热推动力Δtm

a.增大外管压强，提高水蒸气温度（效果不大）；

（3）增加传热面积A

a.内管采用波纹管；

b.内管加翅片（同时，总传热系数K也增大）