传热膜系数测定实验报告-北京化工大学(DOC).doc

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
班 级： 化工11
姓 名：
学 号： 2011011
序 号：
同 组 人：
设备型号： 第 套
实验日期： 2013-12-16

一、实验摘要
本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置，让空气走内管，蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算了传热膜系数α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m（n取0.4），得到了半经验关联式。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A和m。
关键词：传热膜系数K、雷诺数Re、努赛尔准数Nu、普朗特数Pr

二、实验目的
1、测量空气在圆直管内的强制湍流给热系数α1，确定α1的关联式；
2、测量空气在圆直管内的强化传热给热系数α1＇，确定α1＇的关联式；
3、测定两个条件下铜管内空气的能量损失。

三、实验原理
热量的传递方式有传导、对流、辐射三种，流体流经固体表面的传热传导、对流过程，称为对流给热。
对流传热的核心问题是求算传热膜系数 ，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：。
对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，既。
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。
用图解法对多变量方程进行关联时，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）。这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，即得到直线方程：。
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即：。
用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n。
对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为：，，。
实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。
牛顿冷却定律：。
式中：
α——传热膜系数，[W/(m²·℃)]；
Q——传热量，[W]；
A——总传热面积[m2²]。
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： 。
式中：
W——质量流量，[kg/h]；
Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]；
t1、t2——流体进、出口温度[℃]；
ρ——定性温度下流体密度，[kg/m3³]；
V——流体体积流量，[m3³/h]。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量Vs与孔板流量计压降Δp的关系为。
式中 Δp——孔板流量计压降，kpa；
Vs——空气流量，m3/h。

四、实验流程和设备
本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，内径为0.020m，有效长度为1.10m。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。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得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。
实验装置流程如下图所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，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，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。

传热实验带控制点工艺流程
1-风机 2-空气流量调节阀 3-孔板流量计（d0=20mm）4-补水阀 5-水蒸汽发生器
6-进口温度计 7-1#壁面温度计 8-套管换热器 9-2#壁面温度计
10-不凝气防控阀 11-出口温度计
TIC01——加热器壁温，℃ PI02——管路压降，KPa
TI03——空气进口温度，℃ TI04——蒸汽进口壁温，℃
ΔPI05——孔板压降，KPa TI06——蒸汽出口壁温，℃
PIC07——壳程蒸汽压力，KPa TI08——空气出口温度，℃
实验介质：水蒸汽、空气。
研究对象：套管换热器
内管：黄铜材质，Ф27X3.5mm，有效长度1.1m；
外管：硬质钢化玻璃，Ф57X3.5mm，可视段长度0.7m；
静态混合器：正、反螺旋结构交替排行，共六节，可自由放入内管。
仪器仪表：风机，XGB-11，最大静风压17kPa，最大流量100m3·h-1；
蒸汽发生器，1.5kW，可根据蒸汽用量的大小自动调整加热；
孔板流量计，d0=20.0mm，精度等级4；
温度计Pt100、热电偶，0—200℃，精度等级0.2、0.5；
孔板压差传感器，WNKB8型，0—20kPa，精度等级0.2；
显示仪表：AI-708等，精度等级0.1；
变频仪：西门子MM420型。
控制系统：控制电柜+电脑+数据采集软件，380VAC+220VAC.

五、实验操作
1、实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮；
2、开补水阀向蒸汽发生器内加水之4/5液位计高度，再关闭该阀门；
3、按下控制柜对应设备的加热、风机按钮，检查空气出口温度计顶端位于中心位置；
4、开电脑运行传热实验软件并熟悉使用，检查空气流量阀开最大，记录孔板压降零点；
5、等待两个壁温都达到100.3℃左右，修改频率10.25Hz，按屏幕绿色按钮启动风机；
6、待仪表数值稳定后，记录数据，改变空气流量，重复实验，记录数据；
7、做强化传热实验，先通过电脑停风机，再向上拔出口温度计，然后旋转放入混合器并用细线固定，然后将温度计顶端放回中心位置，按照上述方法实验；
8、实验结束通过电脑关风机，手动关加热器，先向上拔出口温度计，再旋转取出混合器放好，最后将空气出口温度计放回原位，清理现场。

注意：
1、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。
2、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
3、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

六、实验数据表格及计算举例
表1 空气强制湍流给热系数实验数据

序号
进口温度
t1/℃
出口温度
t1/℃
壁温1
tw,1/℃
壁温2
tw,2/℃
孔板压降
ΔP孔板/kPa
管路压降
ΔP管路/kPa
给热系数
α1/W•m-2•℃-1
Nu
Pr
Re
Nu/Pr0.4
Nu/Pr0.4
标准值
1
17.6
58.2
100.7
100.6
0.20
0.38
38.4
28.0
0.695
14404
32.4
48.8
2
18.1
58.5
100.6
100.4
0.30
0.52
47.2
34.4
0.695
17608
39.8
57.3
3
18.6
58.5
100.6
100.4
0.40
0.67
54.0
39.3
0.695
20302
45.4
64.2
4
19.3
58.5
100.5
100.4
0.50
0.81
59.6
43.3
0.695
22652
50.1
70.1
5
20.1
58.7
100.5
100.5
0.60
0.95
64.6
46.9
0.695
24750
54.2
75.3
6
20.7
58.7
100.5
100.4
0.70
1.09
69.0
50.0
0.695
26686
57.8
79.9
7
22.1
59.0
100.5
100.4
0.80
1.22
72.4
52.3
0.695
28401
60.5
84.0
8
23.2
59.1
100.5
100.4
0.90
1.35
75.2
54.3
0.695
30024
62.8
87.8
9
24.1
59.3
100.5
100.4
1.00
1.49
78.3
56.4
0.695
31558
65.3
91.4
10
25.3
59.5
100.5
100.5
1.20
1.75
84.0
60.4
0.695
34442
69.9
98.0
11
26.4
59.8
100.5
100.5
1.40
2.00
89.5
64.2
0.694
37070
74.3
104.0
12
28.2
60.2
100.5
100.4
1.60
2.27
93.1
66.7
0.694
39406
77.1
109.2
13
31.7
61.5
100.6
100.4
2.00
2.76
100.5
71.5
0.694
43550
82.7
118.3
14
33.4
62.1
100.7
100.4
2.50
3.42
110.1
78.0
0.694
48422
90.3
128.8
15
36.2
63.2
100.7
100.3
3.00
4.05
117.3
82.7
0.694
52557
95.8
137.5
16
40.0
64.8
100.5
100.2
3.70
4.92
125.9
88.1
0.693
57641
102.0
148.0

表2 空气强化传热给热系数实验数据

序号
进口温度
t1/℃
出口温度
t1/℃
壁温1
tw,1/℃
壁温2
tw,2/℃
孔板压降
ΔP孔板/kPa
管路压降
ΔP管路/kPa
给热系数
α1'/W•m-2•℃-1
Nu
Pr
Re
Nu/Pr0.4
Nu/Pr0.4
标准值
1
33.2
70.3
100.6
100.5
0.20
1.24
45.8
32.1
0.693
13897
37.2
47.4
2
32.5
70.4
100.5
100.4
0.30
1.69
56.8
39.9
0.693
16916
46.2
55.5
3
31.5
70.1
100.5
100.5
0.40
2.20
65.7
46.2
0.693
19516
53.5
62.2
4
31.3
69.8
100.5
100.5
0.50
2.65
72.7
51.1
0.693
21787
59.2
68.0
5
31.3
69.6
100.6
100.4
0.60
3.14
78.9
55.5
0.693
23834
64.3
73.0
6
31.4
69.6
100.5
100.4
0.70
3.59
85.0
59.8
0.693
25706
69.3
77.6
7
31.6
69.4
100.5
100.4
0.80
4.06
89.7
63.1
0.693
27448
73.1
81.8
8
32.0
69.5
100.6
100.4
0.90
4.53
94.7
66.6
0.693
29057
77.1
85.6
9
33.1
70.7
100.5
100.2
1.00
4.98
102.9
72.1
0.693
30471
83.5
88.9
10
34.0
70.7
100.5
100.2
1.20
5.90
110.6
77.4
0.693
33268
89.7
95.4
11
36.4
71.1
100.5
100.0
1.40
6.74
115.9
80.8
0.693
35655
93.6
100.8
12
38.1
71.5
100.5
99.9
1.60
7.66
121.6
84.6
0.693
37903
98.0
105.8
13
42.0
72.9
100.3
99.7
1.94
9.07
131.2
90.6
0.693
41198
105.0
113.1

计算举例：（以表1 第一组为例）
测量点表压:
测量点密度:
测量点流量:
工作点温度 ：
工作点表压：
工作点密度：
工作点粘度：
工作点热导率：
工作点比热容：
工作点流量：
工作点气速：
热流量：
对数平均温差:
给热系数：
努塞尔准数：
普朗特准数：
雷诺数：

七、实验结果作图及分析

结果分析：
（1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr0.4～Re关系曲线的线性都非常好，说明当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式Nu=ARemPrn（在强制对流即忽略Gr影响时）的准确性是很好的。
（2）从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，因为Pr和热导率λ在实验条件下变化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器强化传热后，传热膜系数α变大。说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。
（3）实验中加入混合器后，空气的出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明实验中，传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。
（4）由可知，直线斜率即为A,
空气强制湍流时
空气强化传热时
与公认的关联式有一点偏差。

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：壁温接近于蒸气的温度。
实验中总的传热系数方程为，其中K为总的传热系数，α1为空气的传热系数，α2为水蒸气的传热系数，δ为铜管的厚度，λ为铜的导热系数，R1、R2为污垢热阻。因为R1、R2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw≈tw，于是可推导出，可见壁温Tw接近给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验则为接近于水蒸气的温度。
2、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？说明原因。
答：没有影响。
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，仍然可以进行关联。
3、结合实验数据，计算空气一侧的热阻1/α1占总热阻1/K2的百分比。
答：由得
4、设蒸汽温度恒定，换热器入口空气温度不变，当空气流量增大后，壁温和出口温度有什么变化？
答：出口温度降低。
由传热膜传热系数的方程可知传热膜系数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 ，可知当u1增大且维持Q恒定时，温差随着减小，即出口温度降低。