5、王欢 传热__第二组.doc

北 京 化 工 大 学实 验 报 告课程名称： 化工原理实验 实验日期： 2010.11.18班 级： 化工0803 姓 名： 王欢同 组 人：王奥兰，王震, 王璞，高卢宝 装置型号： 传热膜系数测定实验一、摘要在不少情况下，热流密度并不与温差成正比，此时给热系数a值不为常数而与温差有关。同时，给热过程按牛顿冷却定律来处理并未改变问题的复杂性，凡影响热流密度的因素都将能够影响给热系数的数值。按牛顿冷却定律，测定不同情况下的给热系数，并将其关联成经验表达式。根据给热系数的影响因素及无量纲化描述出给热过程的特征数关系式：再根据特定的实验要求，在特定的实验条件下所总结的经验方程。关键词：对流给热系数a 强制湍流的给热系数 传热二、实验目的1、掌握传热膜系数及传热系数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及指数m、n的方法。3、通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响的因素，了解工程上强化传热的措施。三、实验原理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系式的一般形式为 对于强制湍流而言，Gr数可忽略，即为 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，再两边取对数，即得到直线程：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： 实验中改变冷却水的流量以改变Re准数的值。根据定性温度（冷空气进、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值。进而算得Nu准数值。牛顿冷却定律： 式中：-传热膜系数，；-传热量，；-总传热面积，；tm-管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，。传热量Q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，； -定性温度下流体密度，； Vs-流体体积流量，。空气的体积流量有孔板流量计测得，其流量Vs与孔板流量计压降的关系为：式中 -孔板流量计压降，kPa； Vs-空气体积流量，。设备参数：孔板流量计； 流量计算关联式：V=4.49*R0.5 式中：R孔板压差（mmH2O），V空气流量 (m3 /h)换热套管： 套管外管为玻璃管，内管为黄铜管。 套管有效长度：1.25m，内管内径：0.022m注意事项：（1）学校的设备大都是需要用电为差计测量电流然后计算温度的，此套设备比较先进，采用了数字显示仪表直接显示温度。（2）关于排放不凝气：如果不打开放气阀，理论上套管内的压力应该不断增大，最后爆炸，实际上由于套管的密封程度不是很好，会漏气，所以压力不会升高很多，基本可以忽略。另外不凝气的影响在实际是实验中并不是很大，在仿真实验中为了说明做了夸大。（3）蒸汽发生器：关于蒸汽发生器的控制和安全问题做了简化。（4）传热实验有两个流程，另一个管内的介质为水，原理一样，只是流程稍有不同。四、实验流程图1 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排水阀序号 名称 传感元件 显示仪表PI01 孔板压差 压阻式压力传感器 AI-708ESTI02 入口温度 Pt100 AI-708ESTI03 出口温度 Pt100 AI-708ESTI04 1号壁温 Pt100 AI-708ESTI号壁温K型热电偶AI-708ES五、实验操作1.实验开始前，先弄清楚配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮；2.检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/3；3.打开电源总开关；4.实验开始前，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀；5.将空气流量控制在某一值，待仪表读数稳定后，记录数据，改变空气流量，重复试验，记录数据；6.实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。注意：a、 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。b、 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。c、 切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。六、实验数据处理1.正常条件下直管传热数据 管长l=1.25m， 管径d=0.020m p=0.13KPa序号进口温度t1出口温度t2壁温T1壁温T2孔板压降/Kpa压降修正/kpa速度/m*s-1传热量Q/W传热膜系数ReNu/pr0.4136.0 65.1 99.0 98.1 4.35 4.22 50.44 505.39 138.48 56079.13113.12 237.4 66.1 98.9 98.1 3.92 3.79 47.59 468.63 131.95 52564.58107.47 338.0 66.9 99.1 98.1 3.46 3.33 44.38 439.12 125.42 48826.18101.97 438.2 67.1 99.0 98.1 3.06 2.93 41.42 409.55 117.66 45515.2595.61 537.9 67.4 99.0 98.2 2.66 2.53 38.26 386.19 110.99 42046.8690.19 637.5 67.5 99.1 98.4 2.30 2.17 35.22 361.66 103.35 38734.6984.01 737.0 67.6 99.2 98.2 1.97 1.84 32.22 337.66 96.30 35472.9978.32 836.3 67.7 99.2 98.3 1.67 1.54 29.26 315.03 89.31 32276.3172.69 935.5 67.3 99.2 98.4 1.68 1.55 29.37 320.74 89.67 32497.8473.09 1034.9 68.0 99.2 98.4 1.13 1.00 23.18 263.46 74.00 25642.1460.31 1134.3 68.2 99.2 98.4 0.93 0.80 20.55 239.34 67.06 22756.5854.69 1233.6 68.6 99.2 98.4 0.74 0.61 17.75 213.54 59.82 19673.4148.80 1332.9 69.1 99.2 98.4 0.58 0.45 15.06 187.46 52.58 16702.3842.90 1432.4 69.7 99.3 98.4 0.46 0.33 12.74 163.35 45.97 14122.7837.50 1531.8 70.4 99.2 98.4 0.36 0.23 10.48 139.08 39.40 11618.0832.14 1631.5 70.7 99.2 98.4 0.30 0.17 8.90 119.97 34.05 9868.33627.78 1731.2 73.9 99.2 98.5 0.27 0.14 8.02 117.16 34.86 8814.54328.34 以第一组数据为例：计算过程如下：由实验记录的空气出口温度t1、t2可计算出被加热流体的定性温度：tm=(t1+t2)/2=(36.0+65.1)/2=50.6由表查得不同温度下空气的物理性质，并由内差法算得密度= 1.091kg/m3 比定压热容Cp=1005J/(kgK)粘度=0.00001963PaS热导率=0.02828W/(mK)空气的提及流量Vs=26.2P0.54=26.2*4.220.54 =57.01m3h-1 传热量Q=W*Cp（t2-t1）/3600= *Vs*Cp（t2-t1）/3600=1.091*57.01*1005*（65.1-36.0）/3600=505.39W 传热膜系数首先计算出管的总传热面积：A=dl=3.14*0.02*1.25=0.0785 m2后计算管壁温度与管内流体温度的对数平均温差：tm =46.49C最后由牛顿冷却定律可求出传热膜系数：牛顿冷却定律Q=Atm=Q/(Atm)=505.39/(0.0785*46.49)=138.48W/(m2K)无量纲特征数的计算：流 速： u=4Vs/(d2)=4*57.01/（3600*0.022）=50.43m/s 雷诺数: Re=du/=0.02*50.43*1.091/(19.63*10-6)=56079.13普朗特数: Pr=Cp /=1005*0.00001963/0.02828=0.698努赛尔数: Nu=ad/=138.48*0.02/0.02828=99.18求 得： Nu/pr0.4=99.18/0.6980.4=113.12 2强化条件下传热膜系数测定： 管长l=1.25m， 管径d=0.020m p=0.13KPa序号进口温度t1出口温度t2壁温T1壁温T2孔板压降压降修正/kpa速度/m*s-1传热量Q/W传热膜系数ReNu/pr0.4135.174.999.298.52.162.03 33.97 459.31 143.93 36846.86116.28 236.275.699.298.41.941.81 31.93 426.21 136.78 34460.04110.27 337.376.499.198.41.751.62 30.08 397.21 130.89 32285.07105.27 437.676.999.398.41.561.43 28.12 372.78 124.00 30114.3799.63 537.977.599.298.41.381.25 26.15 348.82 117.88 27933.8694.61 637.777.699.298.41.211.08 24.16 324.83 109.78 25820.888.12 737.67899.298.51.060.93 22.29 303.25 103.04 23797.8382.68 837.278.399.298.50.910.78 20.27 280.59 95.55 21647.5776.68 93778.399.298.40.780.65 18.37 255.60 87.00 19628.8269.83 1036.678.899.398.50.670.54 16.62 236.25 80.68 17753.8364.75 1135.879.299.298.40.560.43 14.69 214.98 73.68 15716.5959.16 1235.479.799.298.50.470.34 12.94 193.27 66.58 13840.8453.46 1334.98099.298.60.390.26 11.20 170.28 58.67 11980.9847.11 1434.580.499.298.50.330.20 9.72 150.41 52.15 10398.3141.88 1534.180.599.298.70.290.16 8.62 134.85 46.54 9225.62437.39 1633.479.799.298.50.280.15 8.32 130.25 44.04 8947.07735.45 以第一组数据为例：计算过程如下：实验记录的空气出口温度t1、t2可计算出被加热流体的定性温度：tm=(t1+t2)/2=(35.1+74.9)/2=55.0由表查得不同温度下空气的物理性质，并由内差法算得密度= 1.077kg/m3 比定压热容Cp=1005J/(kgK)粘度=0.00001985PaS热导率=0.02865W/(mK)空气的提及流量Vs=26.2P0.54=26.2*2.030.54 =38.40m3h-1 传热量Q=W*Cp（t2-t1）/3600= *Vs*Cp（t2-t1）/3600=1.077*38.40*1005*（74.9-35.1）=459.31W 传热膜系数首先计算出管的总传热面积：A=dl=3.14*0.02*1.25=0.0785 m2后计算管壁温度与管内流体温度的对数平均温差：tm =41.50C最后由牛顿冷却定律可求出传热膜系数： 牛顿冷却定律Q=Atm=Q/(Atm)=459.31/(0.0785*41.50)=140.99无量纲特征数的计算：流 速： u=4Vs/(d2)=4*38.40/（3600*0.022）=33.97/ ms-1 雷诺数: Re=du/=0.02*33.97*1.077/(19.85*10-6)=36846.86普朗特数: Pr=Cp /=1005*0.00001985/0.02865=0.698努赛尔数: Nu=ad/=140.99*0.02/0.02865=98.422求 得： Nu/pr0.4=98.422/0.6980.4=116.28七、实验结果作图及分析：1. 直管传热图一、正常条件下直管传热的Re Nu/pr0.4图形分析：(1) 在双对数坐标中画出Nu/Pr0.4Re的关系图,如图可知为其对数成线性关系。(2) 由公式：可以看出A=0.0171,m=0.8074(3) 整理出流体在圆管内做强制湍流流动的传热膜系数半经验关联式: (4) 将实验得到关联式数据的与公认的关联式相比较：A的百分差：（0.023-0.0171）/0.023=25.65M的百分差：（0.8-0.8074）/0.8=0.925图二、强制湍流传热的Re Nu/pr0.4图形分析：（1）在双对数坐标中画出Nu/Pr0.4Re的关系图,如图可知为其对数成线性关系。（2）由公式：可以看出A=0.0224,m=0.8147(3)整理出流体在圆管内做强制湍流流动的传热膜系数半经验关联式: (4)将实验得到关联式数据的与公认的关联式相比较：A的百分差：（0.0224-0.023）/0.023=2.61M的百分差：（0.8-0.8147）/0.8=1.84图三、Origin画图拟合八、思考题1.本实验中管理温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)a(空气)。对于定态传热过程，由传热速率方程我们可以得到：，其中以及分别为管壁内外侧的温度，而以及则分别是空气和蒸汽的温度。假如忽略管内外壁的温度差即，则由该式可以看出，管壁温度更加接近于大的一侧的流体温度。又因为蒸汽的给热系数远大于空气的，故管壁温度更接近于蒸汽的温度。2.管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流