对流传热系数的测定

1、对流传热系数的测定北京理工大学化学学院董女青1120102745一、实验目的1、掌握对流传热系数的测定方法，测定空气在圆形直管内的强制对流传热系数，验证 准数尖联式。2、了解套管换热器的结构及操作，掌握强化传热的途径。3、学习热电偶测量温度的方法。二. 实验原理冷热流体在间壁两侧换热时，传热基本方程及热衡算方程为：Q = KAAtm = mACp (t 入一 t 出)换热器的总传热系数可表示为：11 b 1OBI MB MB MB OB MBK a :入ao式中：Q一换热量，J/s总传热系数，J/(m* s)换热面积，m：At肝平均温度差，C比热、J/(kgK)nu质量流量，kg/s,7换热器

2、壁厚? ma i、a o内、外流体对流传热系数，J/(m? s)依据牛顿冷却定律，管外蒸汽冷凝，管内空气被加热，换热最亦可表示为：Q a jAj(tw -1) = a oAo (T Tw)式中:如凡一管内(冷侧)、管外(热侧)壁温，t、T-管内(冷侧)、管外(热侧)流体温度测定空气流量、进出口温度、套管换热面积，并测定蒸汽侧套管壁温，由于管壁 导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温近似柑等，根据上述数据即可 得到管内 对流传热系数，由丁换热器总传热系数近似等丁尖内对流传热系数，所以亦可得 到套管换热器的总传热系数。流体在圆形直管强制对流时满足下述准数尖联式： =O.O237?e-8Pr0-3

3、3式中：努塞尔特准数，Nu=A无因次Re雷诺准数，Re =无因次P普兰特准数，Pr埠,无因次测定不冋流速条件下的对流传热系数，在双对数坐标屮标绘加he矢系得到一条 直线，直线斜率应为0. &三、实验内容1、测定不同空气流星下空气和水蒸汽在套管换热器换热时内管空气的对流传热 系 数，推算总传热系数。2、在双对数坐标中标绘Ml斥決系,验证准数尖联式。四、实验装置与流程1、实验装置流程图图3-3传热实验装置流程示意图1 一蒸汽发生器2水位指示管3风机4 一风量调节阀5孔板6U型管7空气进口温度计8空气出口温度计9 一热电偶测量系统10冷凝回水管11 外管12内管2、流程简介如图3-3所示，鼓风机将空

4、气送入换热器内管，风量由阀门4进行调节，并采用 孔板流量计5计星流量，进出换热器的温度分别由进出口的温度计7、8读出蒸汽发生 器1将产生的蒸汽送入套管，套管壁温采用热电偶温度测量系统进行测量。五、实验方法及步骤1、向电加热釜加水至接近液位计上端红线。2、向保温瓶屮加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其屮。3、将空气流量旁路调节阀4全开，电压调节电位器旋至最小值（逆时针方向）。4、检査数字电床表的测量讯号线是否接好，接通电源，至少预热5分钟。5、顺时针方向缓慢旋转电压调节电位器，使电压表的示值为180V,待水沸腾，水蒸 气进入玻璃套管。6、加热约10分钟后，启动鼓风机，待空气入口温度稳定后开始

5、测试。7、调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值(注意旁路阀全 开时，空气流量为最小值，全矢时为最大值)。8、待玻璃套管中充满蒸汽并有适量冷凝液时算起，约5分钟后可读取数值。9、重复步骤7、&分别取10个以上空气流量值(应包括最大和最小流量值)。10、测试结束后，将加热电压调节电位器旋至最左端(逆时针方向)，使电斥表、电流 表的示值为零；约5分钟后矢闭鼓风机，并将旁路阀全开，切断总电源，停止实验。六、实验注意事项1、实验过程中，蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线，否则螺旋形电热 管将被烧坏；液位亦不能过高，否则会使水溢入套管。2、启动风机时，空气流量旁路阀不能尖上，

6、否则会把U型床差计中的液体冲出。 附：实验装置流量与温度校正数据空气流量公式：V = 2.472R-472m3/h ,斤单位为mm蒸汽侧壁温与测温热电偶电势矢系：T=(22. 2E0. 6),疋单位为nw空气进出口温度校正：At二(t2-ti)+2.5注：实验装置上所给数据与教材中所给数据略有不同，以实验装置上所给的数据为准计算。 实验装置流量与温度校正数据空气流量公式：V二2.352R-(6)uF/h冰单位为mm位为mv蒸汽侧壁温与测温热电偶电势尖系：T=(22. 2E-0. 6),空气进出口温度校正：At =(12-1!)+ 1.5七、实验数据处理实验数据记录序号A R(cm)t进(C)t

7、出(C)热电偶电势E(mV)11. 135.076.54. 3422.237.076.04. 3733.239. 176.04. 3844.240.076.04. 3855. 141. 176.04. 3966. 142.076.04. 38*77. 142.076.04. 3988.043.076.04. 3999. 144.076.04. 401010.044.576.04. 401111.044.575.04. 401212.045.376.04. 401313.045.876.04. 401420.047.576.04. 401528.049.076.54. 10换热器内管尺寸：内径：

8、八=17. 3mm外径：cl=22mm测量段管长度：1二1150mm故内侧管面积为：A =77 dj =3. 14X0. 0173X1. 15=0. 0625nf2、传热系数的计算以第一组数据为例进行计算，如下：当t吒二350”C, t1(i = 76.5C时，平均温 度为t半=55. 75C ;查附录六可知(内插法计算)，在55.75C下，空气的物性为：密度p=l 0732kg/m3,定压热容为 Cp=l 017kJ/(kg C),导热系数入二2.866 X 10n2W/(m-。，黏度IJ = 1.985 X 10n5Pas;故冇At = (t 出 一 t 进)+ 1.5=43C空气流量 V

9、 = 2.352R0481 = 2.352 XII0481 = 7.453m3/h 空气质最流最 n】s = p V= 1.0732 X 7.453 =7.9986kg/h 蒸汽侧壁温度 Tv = (22.2E 一 0.6) = 22.2 X 4.34 一 0.6 = 95.748C 由方程组Q = njCp(t 入一 t 出)Q = a iAi(tw -t)可得a iAj (tw 一 t) = nisCp (t 入一t 出)乂由于管壁导热系数较大且管壁较薄，管内壁温与外壁温近似相等，即tw=Tw=95. 748*C 故得itisCpA t7.9986 X 1017X437匚 (t. t) =

10、 3600 X 0.0625 x (95.748 - 55.75) = 38 867iy/(ra * K)由于换热器总传热系数近似等于矢内对流传热系数，所以亦可得到套管换热器的总传热系数Nu-Re矢系的求算空 气在管内的流速为 4V雷诺准数dunReK二a：二38. 867W/ K)各组计算数据如下表：用内插法计算得到的物丫生参数:序号AR(cm)MC)t MC)tf.(C)P(kg ms)CpkJ/(kg-C)pX105(Pa s)入 xio211.135.076.555.751.07321.0171.98882. 866322.237.076.056. 501.07161.0171.992

11、52. 871533.239. 176.057. 551.06811.0171.99782. 878944.240.076.058. 001. 06661.0172. 00002. 882055. 141. 176.058.551. 06481.0172. 00282. 885966. 142.076.059. 001.06331.0172. 00502. 8890r7. 142.076.059. 001.06331.0172. 00502. 889088.043.076.059. 501.06171.0172. 00752. 892599. 144.076.060. 001. 06001.0

12、172. 01002. 89601010.044.576.060. 251.05921.0172.01132. 89781111.044.575.059. 751. 06081.0172. 00882. 89431212.045.376.060. 651.05801.0172.01332. 90061313.045.876.060. 901.05721.0172. 01452. 90231420.047.576.061.751.05461.0172.01882. 90831528.049.076.562. 751.05151.0172. 02382.9153其他各组数据计算结果如下表：(见下一

13、页)4X1453二顾=3.14 X 0.01732 X 3600 = Q8118m/S0.0173 X 8.8118 X 1.0732,:=8226.42621.98875 X 10n5辭=3.9152Nu =a38.8685 X0.01732.86625 X 10-2=23.46IgNu= 1.3703Cpy 1.017 X IO3 X 1.98875 X IOn5 Pr =仁3 = 0.7056A2.86625 X 10同理可得其他各组数据如下表：序号ARt(erra(C)t ih( rC) E (mV)t 平(C)p xioP (kg m)入xioV(m/h)11.135.076.54.

14、 3455.751.98881.07322. 86637. 453322.237.076.04. 3756. 501. 99251.07162. 871510. 402633.239. 176.04. 3857. 551.99781.06812. 878912. 457044.240.076.04. 3858. 002. 00001. 06662. 882014. 197855. 141. 176.04. 3958. 552. 00281. 06482. 885915.587666. 142.076.04. 3859. 002. 00501.06332. 889016. 98957. 142.

15、076.04. 3959. 002. 00501.06332. 889018. 276588.043.076.04. 3959. 502. 00751.06172. 892519. 356499. 144.076.04. 4060. 002.01001. 06002. 896020. 59381010.044.576.04. 4060. 252.01131.05922. 897821.54951111.044.575.04. 4059. 752. 00881. 06082. 894322. 56041212.045.376.04. 4060. 652.01331.05802. 900623.

16、52471313.045.876.04. 4060. 902.01451.05722. 902324. 44801420.047.576.04. 4061.752.01881. 05462. 908330. 07691528.049.076.54. 1062. 752. 02381.05152.915335.3607续表序号u (m/s)ReIgRea iNuIgNuPrIgPrJ/ (m s)18. 81228226. 803.915238. 868523.46011.37030. 7056-0.1514212. 299211442. 944. 058551. 123730. 80061.4

17、8860. 7057-0. 1514314. 728213622. 794. 134359. 084535.50591.55030. 7057-0.1514416. 786415487. 254. 190066. 435539.87971.60080. 7058-0.1513518.429616951.274. 229271.284942. 73361.63080. 7058-0.1513620. 087118429. 094. 265577.019346. 12091.66390. 7058-0.151321.608719825.144. 297282. 367949. 32381.6931

18、0. 7058-0.1513822. 885520938. 844. 321085.782851.30661.71020. 7058-0.1513924. 348522214. 064. 346689. 142753.25171.72630. 7059-0.15131025. 478423212. 984. 365792. 441355.18881.74190. 7059-0.15131126. 673624368.914. 386892. 728055.42691.74370. 7058-0.15131227.813825286. 804. 402999. 436359. 30761.773

19、10. 7059-0.15131328. 905426243.344.4190102. 360861.01511.78540. 7059-0.15131435.560632137.334. 5070121.738172.41711.85980. 7059-0.15121541.807737579.854. 5750176. 1398104. 52682.01920. 7060-0.1512IgReIgNu3.91521.37034. 05851.48864.13431.55034.19001.60084. 22921.63084. 26551.66394. 29721.69314. 32101

20、.71014. 34661.72634. 36571.74194. 38681.74374. 40291.77314.41901.78544. 50701.85984. 57502.0192作IgNu-lgRe曲线曲线方程IgNu = 0.82071gRe 1.8406斜率：0. 8207 （与理论截跖接近。）截距：-1.8406 八、实验结果分析与讨论1、求斜率和截距的误差： 理论上Nu = O.O23Re-8Pr033两边取对数，得IgNu = lg0.023 + 0.81gRe + 0.33 IgPr计算可得Pr的平均值为0. 7058故可得理论矢系式为IgNu = 0.81gRe - 16882即理论斜率为0. &理论截距-1.6882. 由拟合出的直线可得Nu和Re的线性尖系式为：IgNu = 0.82071gRe 1.8406故，斜率的相对标准误差为:Ke-Ox 100% = 2.59%截距的相对标准误差为：1.8406 1.68821.6882X 100% = 9.027%2、求Nu二kRP严申简k的误差 将上式两边取对数，变形整理得：lgk + 0.81gRe + 0.33 IgPr = IgNu带入各半均值的数据：lgRe=4. 2742 lgPr=-0. 1513 lgNu=l. 6670计算得k=0.0198所以系数k的相对标准误差为0.02