传热膜系数的测定.doc

传热膜系数的测定一、实验目的及任务1、了解套管换热器的结构和壁温的测量方法2、了解影响传热膜系数的因素和强化传热的途径3、体会计算机采集与控制软件对提高实验效率的作用4、学会传热膜系数的实验测定和数据处理方法二、实验内容 1、测定正常条件下空气与铜管内壁间的对流传热膜系数12、测定强化条件下空气与铜管内壁间的对流传热膜系数13、回归两个条件下联式中的参数A、a三、基本原理 间壁换热器目前在工业上应用最多，其传热过程都是由壁内部热传导和壁两侧面与流体 的对流传热组合而成。无论设计还是使用换热器，都离不开这个组合传热过程中的传热系数K，其倒数1/K称为总热阻。总热阻主要由壁外侧热阻、壁热阻、壁内侧热阻三个串联环节叠加而成（可能还有污垢热阻），当三者较大差异时，总热阻将由其中最大的热阻所决定。本实验选用最简单的套管式换热器为研究对象，管内走冷流体空气，管外走热流体水蒸气。该换热过程内侧热阻1/远远大于壁及外侧热阻，因此对流传热的核心问题是求算传热膜系数。1、 实验测定方法根据牛顿冷却定律变换得到：当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为： 牛顿冷却定律： （1）式中：对流传热膜系数，Wm-2； Q传热量，W； A内壁传热面积，m2； tm内壁与管内空气温度的对数平均温差,。传热量可由下式求得： （2）式中: W质量流量，kgh； 流体定压比热，Jkg-1-1； 流体进、出口温度，； 定性温度下流体密度，kgm-3； Vs流体体积流量，m3s-1以上两式联立，加之部分测得数据，即可求得。空气体积流量由孔板流量计测得，其流量V与孔板流量计压降P的关系为： （4-4-7）式中：P孔板流量计压降，kPa； Vs空气流量，m3h。2、因次分析方法对于强制对流条件下， Gr准数可以忽略，即： （3）Re=,Pr=,Nu=本实验中，可用图解法计算上述准数关系式中的指数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： （4）在双对数坐标中作图，根据直线斜率和截距，即可求得A和m，与经验数据对比即可。 四、装置和流程实验装置主要由套管换热器，蒸汽系统，空气系统以及测量单元等构成，流程图如下：图1 传热实验流程1、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水漏斗 4、补水阀 5、排水阀6、套管换热器 7、放气阀 8、冷凝水回流管 9、空气流量调节阀10、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机1.设备说明本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，其内径为0.02m，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、出口温度的铂电阻应置于进、出管的中心。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。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型旋涡气泵，最大压力17.50kPa，最大流量100 m3/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020kPa。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直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、进口温度、出口温度和2个壁温。本装置流程如图1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），并与套管环隙中水蒸汽换热。空气被加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀9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，是为消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，是为了消除热效应。五、操作要点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.检查蒸汽发生器中水位，使其保持在水罐高度的1/2-2/3。3.调节空气出口温度计的顶点，使其位于管道中心。4.打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同），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，设定“蒸汽压力”仪表的Sv=0.5kPa.5.启动电脑，进入传热实验软件系统。6.约29分钟后，壁温1、壁温2达到水的沸点温度，管壁粘满冷凝水滴。7,全开流量调节阀门，通过电脑启动风机，最大流量预热约5分钟。8.间隔24Hz改变空气流量（810次），稳定2分钟后记录数据，孔板压降0.1kPa。9.加入静态混合器进行强化传热实验，方法同上。.实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。六、实验数据记录表格表1 测定空气普通对流给热系数表（l=1.25,d=0.020m）60序号频率/Hz进口温度/出口温度/壁温tw1/壁温tw2/孔板压降/KPa传热膜系数/Wm-2-1 Nu Pr Re Nu/Pr0.415043.7071.4099.6099.803.84133.5584.560.69555511.4797.80724241.4071.2099.7099.802.83120.1974.830.69647055.5686.50333436.8070.2099.7099.801.91104.6063.820.69638078.6673.77642834.6069.8099.6099.801.3189.0153.450.69631064.9061.78852232.2069.8099.7099.900.8273.5443.110.69724092.6749.80661831.2070.2099.6099.700.5663.0636.230.69719576.9041.85871430.6071.0099.7099.700.3551.9529.070.69715150.3133.58681229.9071.3099.8099.900.2645.6325.170.69712888.1229.08091029.3071.5099.7099.700.1838.8020.990.69710557.7724.250表2 测定空气强化对流传热膜系数表（l=1.25,d=0.020m加入混合器），70序号频率/Hz进口温度/出口温度/壁温tw1/壁温tw2/孔板压降/KPa传热膜系数/Wm-2-1 Nu Pr Re Nu/Pr0.415046.8081.7099.7099.901.78139.1181.050.69435689.9193.80124247.2082.6099.6099.801.32125.0271.290.69430300.9782.50633445.3082.8099.5099.600.9108.1960.130.69424605.7069.59042842.6082.7099.8099.900.6392.8450.580.69420275.1258.53852240.4082.9099.901000.4177.7241.230.69416052.0547.71761838.6083.1099.8099.900.2866.5534.470.69413045.8339.893注意事项：1.液位计角阀处于打开状态，保证液位真实；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,最低不应小于0.1kPa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。3.变频仪参数 手动控制：P700=1、P1000=1；电脑控制：P700=5、P1000=54.切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。5.加入静态混合器前，先拔高空气出口温度计；加入以后，再将温度计放回并位于管道中心。数据处理查取空气物性数据：普通对流Cp=1.017KJKg-1K-1定性密度m=1.060Kgm-3 定性粘度=2.0110-5 Pas定性热导率=0.02896Wm-1K-1Pr=Cp*/=0.696强化对流：Cp=1.017KJKg-1K-1定性密度m=1.029Kgm-3 定性粘度=2.0610-5 Pas定性热导率=0.02966Wm-1K-1Pr=Cp*u/=0.694传热系数相关计算（以表1第一组数据为例）：tm = 40.59 普通对流tm 40.59 41.69 44.16 45.24 46.28 46.24 45.98 46.20 46.13强化对流tm 32.48 31.56 31.91 33.27 33.98 34.32=26.23.840.5 =51.34=451.34/(3.140.022)/3600=45.42m/s=1.06051.341.0171000（71.4-43.7）/3600 =425.85 Js-1= 425.85/（1.250.023.1440.62）=133.65 Wm-2-1Nu=133.650.02/0.02896=84.56Re=0.0245.421.029/（2.06）=55511.47普通对流时A=0.01 m=0.84 则 Nu=0.01Re0.84Pr0.4强化对流时A=0.012 m=0.85 则 Nu=0.012Re0.85Pr0.4 误差分析：系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的跳跃值取其一也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。一、 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：接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)a(空气)。2.管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？答：传热系数正比于流速，故当空气流速增大时传热系数亦增大，由Q=WC