传热膜系数测定实验解析

1、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:北京化匚大学化丄:原理 离心泵性能试验一、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 a及Nu,做岀lg （Nu/Pra，）lgRe的图像，分析出传热膜系数准数 关联式Xu=ARemPrc 中的A和m值。关键词：对流传热Nu Pr Re a A二、实验目的1、掌握传热膜系数a及传热系数K

2、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a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100C的热蒸汽，壁内侧热阻1/a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a当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为： M/ = A Re,n-PrH Grp对-十强制湍流有：Nu = A RePr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二0.4 （流体被加热）。在两边取对数, 得到直线方程为lgf = lg A + ml

3、gRc在双对数坐标中作图，求岀直线斜率，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A = 吒Pr0 4 Refl其中&=也命=池、皿=吆jLi/LA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Q =其中a传热膜系数,W/(m2*C)；Q传热量，W；A总传热面积，m-； tm管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，C。传热量可由下式求得Q =卩-)/3600 = pV Cp(t2 -)/ 3600其中W一质量流量，kg/h；G冷空气的比定压热容，J/ (kgC)

4、；tb t2冷空气的进，出口温度，C；P定性温度下流体密度，kg/m3；V一冷空气体积流量,m3/ho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Ap 的关系为V = 26.2A/54式中，AP孔板流量计压降，kPa；V一空气流量，m3/ho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，牛空气入口测温点，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

5、黃铜管，其内径为0.020m, 有效长度为1.23m。空气进、出口温度和管壁温度分别由钳电阻(PtlOO)和热 电偶测得。测量空气进、出口的钳电阻应置于进、出管得中心。测量管壁温度用 一支钳电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差山压差传感 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. 5kWo风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17. 50kPa,最大流量100m7ho2、采集系统说明(1)压力传感器本实验装置采用ASC0M5320型压力传感器，其测量范圉为020kPa。-1-北京化匚大学 化工原理 离心泵性能试验(2)显示仪表在实验中所有温度

6、和压差等参数均可山人工智能仪表读取，并实验数据的在 线釆集与控制，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，冷空气山风机输送，经孔板流量计汁量以后， 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。空气的流量山空气流量调节阀调节。蒸汽山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，再山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

7、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，1213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6二26. 2心2二0.54,换热器管长与管径：1二1.25(m), d=0. 02 (m)表1.原始数据记录表进口温度岀D温度 t?壁温1壁温2孔板压降35.962.4100.4100.13.5438.765100.5100.42.8838.765.4100.6100.62.

8、5238.4100.6100.62.23866100.7100.61.773766.2100.7100.61.4136.266S100.6100.61.0734.766.8100.5100.70.7133.367.7100.5100.70.3732.368.8100.6100.70.2七、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入(W/m. K)定性温度tcx C)密度P (kg/m3)定压比热容 Cp (J/kg. K)黏度卩 (W5Pa. s)0.0281749.151.1441.0051.9540.0283851.851.1341.0051.9670.0283952.05

9、1.1341.0051.9680.0283952.051.1351.0051.9680.02839521.1371.0051.9680.0283651.61.1401.0051.9660.0283451.351.1431.0051.9650.0282950.751.1491.0051.9620.0282750.51.1541.0051.9610.0282850.551.1581.0051.961表2.对流传热膜系数处理结果一览表流量 qv (nf/s)流速 u (m/s)对数平 均推动 力匕传热膜 系数aNuRePrNu/Pr0451.8545.8749.96111.9479.47537290

10、.697291.8146.3841.0347.40103.8173.16473250.696684.5543.1638.1847.3098.2669.22440120.696579.9940.1135.4847.2493.5765.91409390.696576.1735.6631.5547.2985.3760.14364540.696569.5031.5427.9047.5878.5155.37323770.696663.9927.1724.0447.6670.2649.58279830.696757.2921.7819.2648.0559.4442.01225650.696848.5415

11、.3213.5548.0445.0131.84159520.696936.7910.999.7247.7934.5524.44114790.696928.24计算举例：(以第二组数据为例)定性温度 t=(ti+t2)/2=(38. 7+65)/2=51. 85C比定压热容CP=1OO5 (J/kg-K)八、实验结果作图及分析N u/PrO.4ReRe1. 软件线性拟合的直线见上图，由excel趋势线拟合可得，Nu二0. O221Re U65Pr0 4 R：=0. 99942. 化工原理课本上介绍的公式为Nu=0. 023Re sPr4 ,实验结果与之 有一定误差的主要原因：（1）蒸汽所在的玻璃

12、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a代替总 传热系数K,即令Q=a AAtmo（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a的因素;0.60.8 0.8 0.4由课本公式 = O.O23-Re8Pr04 =0.023” 丫 可知a与以下性质 dJ /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、木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

13、热系 数很大（5500500）,而空气的强制对流给热系数相对很小（10100）, 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a与速度u的0. 8次方成正比, 因而流速增大时，a变大。由传热平衡方程qoir=qm2Cp2（t2-ti）,知流 速增大，即4增大后，口减小，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a式的关联有无影响？答：没有影响。因为木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a、努塞尔准数Nu等数 据上，可以得到不同Re值下的Nu