传热膜系数实验 师丹彤.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： 2010.12.13班 级： 化工0809 姓 名： 师丹彤同 组 人： 冯敏、孙程、许世佩 装置号： 2号装置传热膜系数测定实验一、摘要本实验使用套管换热器进行换热实验，由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成整套实验装置，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孔板压降、进出口温度和两端壁温，由此计算传热膜系数，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静态混合器的办法强化了传热，并重新测定了、A和m。整个实验进展顺利，成功完成了相关任务，达到了预期的目的。关键词:传热膜系数 准数关系式 半经验关联式 二、实验目的及任务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，并分析影响的因素，了解工程上强化传热的措施。三、基本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，即本实验中，可用图解法和最小二乘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，在两边取多数，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。应用计算机辅助手段，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。牛顿冷却定律为式中 传热膜系数，W/（m2）；传热量，；总传热面积，m2；tm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流体的定压比热容，J/（kg）；t1、t2流体进、出口温度，；定性温度下流体密度，kg/m3；Vs流体体积流量，m3/h。空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量与孔板流量计压降P的关系为式中 P孔板流量计压降，KPa，Vs空气流量，m3/h。四、装置和流程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，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、进出口温度和两个壁温。3、流程说明本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。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、不凝气体放空阀； 9、冷凝水回流管； 10、蒸气发生器； 11、补水漏斗； 12、补水阀； 13、排水阀五、实验操作要点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、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/22/3。3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。4、实验开始时，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。待仪表数值稳定后，记录数据，通过调节频率改变空气流量，保证孔板压降不小于0.2kPa，重复实验810次，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。六、注意事项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0.2kpa。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。七、实验数据处理1、传热膜系数的测定（未加静态混合器）：（空气走内管，蒸汽走环隙，内管内径d=0.020m ；有效长度l=1.25m）表1 传热膜系数的测定及空气物性数据序号空气入口温度t1/空气出口温度t2/壁温T1/壁温T2/定性温度t/压降 P/kpa(kg/m3) (pas)w/(m)CpkJ/(kgK)143.30 69.20 100.20 100.10 56.25 4.17 1.072 19.9 0.0287 1.005 242.47 69.20 100.60 100.60 55.84 3.70 1.074 19.9 0.0287 1.005 342.20 69.30 100.70 100.70 55.75 3.28 1.074 19.9 0.0287 1.005 439.70 68.70 100.70 100.80 54.20 2.36 1.079 19.8 0.0286 1.005 537.80 68.20 100.60 100.80 53.00 1.78 1.083 19.8 0.0285 1.005 634.10 67.50 100.80 100.80 50.80 1.03 1.090 19.6 0.0284 1.005 731.10 67.10 101.00 101.10 49.10 0.59 1.096 19.6 0.0282 1.005 830.00 67.50 100.80 100.90 48.75 0.42 1.097 19.5 0.0282 1.005 929.50 68.50 100.90 100.90 49.00 0.21 1.096 19.6 0.0282 1.005 以第一组数据为例，计算如下：定性温度查空气物性表得：50时，1=1.093(kg/m3)， 1=19. 6pas，1=0.0283w/(m)，Cp1=1.005kJ/(kgK)；60时，2=1.060(kg/m3)， 2=20.1pas，2=0.0290w/(m)，Cp2=1.005kJ/(kgK)，则 Cp=1.005kJ/(kgK)表2 传热膜系数测定的数据处理序号体积流量Vs/(m3/h)流速u/(m/s)（）传热膜系数w/(m2)RePrNuNu/Pr0.4156.64750.11242.60131.36539750.696491.42105.66253.10446.97843.40124.89507170.696487.00100.56349.75944.01943.55118.26475450.696382.4095.24441.65636.85045.00103.01401480.696372.0583.28535.77131.64446.0490.98347080.696263.8273.77626.62223.55148.0871.71261490.696150.5858.46719.70417.43149.8055.52195390.696039.3245.46816.40014.50949.7748.21162930.696034.1839.51911.2809.97949.3634.74111880.696024.6128.45以第一组数据为例，计算如下：空气体积流量空气速度平均壁温对数平均温度传热膜系数雷诺数普朗克数努塞尔准数 2、传热膜系数的测定（加静态混合器）：表3 传热膜系数的测定及空气物性数据序号空气入口温度t1/空气出口温度t2/壁温T1/壁温T2/定性温度t/压降 P/kpa(kg/m3) (pas)w/(m)CpkJ/(kgK)142.30 78.20 100.80 101.10 60.25 2.01 1.059 20.6 0.0290 1.005 242.90 78.50 101.00 101.10 60.70 1.71 1.058 20.6 0.0290 1.005 342.30 78.60 100.90 101.10 60.45 1.45 1.059 20.6 0.0290 1.005 440.90 78.80 101.00 101.10 59.85 1.14 1.060 20.1 0.0290 1.005 539.00 78.60 101.00 101.10 58.80 0.81 1.064 20.0 0.0289 1.005 637.70 78.40 101.10 101.10 58.05 0.58 1.066 20.0 0.0289 1.005 736.30 78.40 101.00 101.30 57.35 0.42 1.069 20.0 0.0288 1.005 表4 传热膜系数测定的数据处理序号体积流量Vs/(m3/h)流速u/(m/s)（）传热膜系数w/(m2)RePrNuNu/Pr0.4138.197 33.791 42.60136.26 34728 0.7139 93.92 107.47 235.004 30.966 43.40124.74 31749 0.7139 85.88 98.28 332.021 28.327 43.55116.14 29082 0.7139 80.01 91.55 428.121 24.877 45.00105.47 26260 0.6966 72.77 84.09 523.382 20.685 46.0489.94 21964 0.6965 62.21 71.89 619.523 17.271 48.0876.05 18416 0.6965 52.70 60.90 716.400 14.509 49.8065.30 15531 0.6964 45.32 52.38 计算过程同第一组实验，故不再赘述。八、实验结果及讨论图2 Nu/Pr0.4Re的关系图结果讨论： （1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr0.4Re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（忽略Gr，即自然对流的影响）的准确性是很好的。（2）从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加静态混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，由于Pr和热导率在实验条件下变化很小，由Nu=d/知，加混合器强化传热后，传热膜系数变大，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）将未强化时的Nu/Pr0.4Re的关系曲线进行拟合得Nu/Pr0.4=0.148 Re0.83,即，同公认的关联式相比，较为接近。（5）将加混合器强化时的Nu/Pr0.4Re的关系曲线进行拟合得Nu/Pr0.4=0.135 Re0.89,即，与公认的关联式有一定的差距，原因可能是由于湍动程度加大造成温度波动较大，增加了测量难度。九、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。可推出此次实验中总的传热系数方程为其中K是总的传热系数，1是空气的传热系数，2是水蒸气的传热系数，是铜管的厚度，是铜的导热系数，R1、R2为污垢热阻。因R1、R2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Twtw，于是可推导出显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验，可知壁温接近于水蒸气的温度。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：传热膜系数与速度u的0.8次方成正比，因而流速增大时，变大。由传热平衡方程 ，知流速增大，即增大后，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、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。4、试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数？答：总传热系数关系式为， 此实验中忽略R1、R2和金属管壁的厚度，则可认为，在100时，水蒸气的传热系数2可取为10000w/(m),实验中总的传热系数近似认为是100w/(m2),则空气一侧的热阻占总热阻的百分数为99%。5、以空气为介质的传