对流传热系数的测定

1、-对流传热系数的测定作者:日期:0 1对流传热系数的测定一、实验目的和要求（必填 ）？二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填 ）？四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 ？?？? 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求1 .掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的径。2 .把测得的数据整理成 Nu B？Ren形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。3 . 了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。二、实验内容和原理在实际生产中，大量情况采用的是间壁式换热方式进行换热，就是冷、热流体之间有一固体

2、壁面,两流体分别在固体壁面的两侧流动，不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。本实验主要研究汽一气综合换热，包括普通管和强化管。其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧 增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。1.空气在普通和强化传热管内对流传热系数的测定间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流 传热所组成。twF i g ure 1间壁式传热过程示意图间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有QmiCpi Ti -T2m2cp2 t2 - ti货 A

3、T -Tw M02 A2 tw-t mKA Atm? (1)式中：Q 传热量，J/s；mi、 m2分别为热流体、冷流体的质量流量,kg /s;,J/(kg?C);2,W/ m2T-Tw mTi -TwiT2 -TW21n Ti-TwiT2 - TW2Cpi、Cp2 分别为定性温度下热流体、冷流体的比热Ti、T2 分别为热流体白进、出口温度 ,C ；ti、t2 分别为冷流体白进、出口温度 ，；i、2 分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数2A、A 分别为热流体、冷流体测的传热面积，m ；T Tw M> t tw m 分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差,K 以传热面积A为基准

4、的总传热系数，w/(m2?)；2A传热面积，m ；Atm 冷、热流体的对数平均温差,式中：Twi、Tw2 分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度,热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(2)计算:冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3）计算:tw-t m-t1tw2 - t2ln twi - ti tW2 - t2? (3)式中：twi、tw2 分别为冷流体进、出口处冷流体侧的壁面温度,热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算:(8A+Ti-t2m7Tl -t2lnT2-t1(4)冷流体（空气）质量流量m2可由式（5）计算：m2V' Po式中：V 空气实际体积流量，m3/s;30

5、空气在孔板处的密度，kg/m。本实验中°即为空气在进口温度下对应的密度。无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度3°当作i kg/m时的读数，因此，如空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式（6）进行校正:(6)式中：V 无纸记录仪上显示的空气的体积流量3 / -m /s。在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。当内管材料导热性能很好，即值很大，且管壁厚度较薄时，可认为TW1 =twi ,TW2 2tW2 ,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得:?m2cp2 t2-tia2 A2 tw -t m? (7

6、)m2cp2 t2 -t1A2 tW -t m1一、实验中测出紫铜管的壁温 twi、tw2 ；冷流体的进出口温度t1、t2,并查取t平均 一t1 t2下冷流 2体对应的Cp2、实验用紫铜管的长度I、内径d2,A2d2l和冷流体的质量流量 m2,即可计算出2。一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上通常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面的对流传热系数，下面介绍其他测定对流传热系数02的实验方法。近似法求算空气侧对流传热系数出1bd2d2+ Rs2 + Rs1+民2?dmd1d2皿1以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间

7、的关系为K -? (9)式中：di、d2 分别为换热管的外径、内径d m 换热管的对流平均直径，m ；b 换热管的壁厚，m ；换热管材料白导热系数，W/(m?C);Rsi、Rs2 分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻，m2 ? K /W。总传热系数K可由式(1)求得：c“ Qm2cp2 t2 -ti?K A AtmA Atm(10)1 ,头驯测thm2、t1> t2、Ti、T2,并查取t平均=2G+t2)下伶流体对应的cp2、传热面积A,即可由上式计算得到总传热系数K。用本装置进行实验时，考虑忽略换热管两端的污垢热阻、铜管热阻和水对流传热系数远大于空气对流传热系数，则由式(9)得，(11)0

8、C2=K由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的 2的准确性就越高。2.准数方程式对于流体在圆形直管内作弓II制湍流对流传热时，传热准数经验式为：?Nu = 0.023Re0.8 Prn1)?2 )式中：Nu 努赛尔数， Nu =&,无因次；入r 一 _d2Up一Re 雷t若数,Re= -,无因次；_、， 一Cp2 M 一_,Pr 普兰特数，Pr=,无因次。入上式适用范围为：Re=1.0X104 1.2Xl05,Pr= 0.7 120，管长与管内径之比 L/d >60。当流 体被加热时n= 0.4,流体被冷却时n= 0.3。式中：一一定性温度下空气的导

9、热系数W /( m C)；u空气在换热管内的平均流速 ，m/s;3定性温度下空气的密度，kg./m ；定性温度下空气的黏度，Pa ?s。故由实验获取的实验数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出NuRe直线，确定Nu= B Ren的拟合方程，并与公认的经验公式进行对比，以验证实验结果。三、主要仪器设备本实验的装置图如图所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温 度传感器、智能显示仪表等构成。空气一水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进 行换热，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气经孔板流量计进入套管换热器内管，流量经变频器 调节电

10、机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。Fig u re 2横管对流传热系数测定实验装置流程图名称符号单位备注冷流体流量Vm3/h紫铜管规格小19X 1. 5 mn , 即内径为1 6 mm有效长度为9 8 0mm, 冷流体流量范围：316 m3/h.冷流体进口温度tlc普通管冷流体出口温度t 2c强化管冷流体出口温度t2c蒸汽发生器内蒸汽温度Tic普通管热流体进口端壁温T wic普通管热流体出口端壁温Tw2c普通管外蒸汽温度Tc加强管热流体进口端壁温T， wc加强管热流体出口端壁温TWc加强管外蒸汽温度c表格 错误！不能识别的开关参数横管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表四、操作方

11、法和实验步骤1 .手动操作1 .检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至液位2/3（现场实验实际上为4/5）处。2 .打开总电源开关、仪表电源开关，选择管路，并与仪表显示一致后，开启蒸汽发生器，加热。同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在 100 C左右。3 .等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝 水排放阀，使环隙中的冷凝水不断地排出。 . .44 .启动风机，调节风量至最大值进行试实验，然后依次减小空气流量（在普通管的时候，从20m /h到6m3/h）,确定6个实验点（为了保证对数图像上的等间隔，此时应当选择等比数列）。

12、待流量和热交换 稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口壁温以及蒸汽温度（利用电脑软件记录)。5 .普通管测好后.切换阀门进行强化管数据测定，方法同步骤4 (强化管确定4个实验点即可)，记录4组数据。6 .实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95 C以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。7 .自动操作1)为前5步准备工作同上操作 ；(2)打开“综合传热系数测定实验.MCGS组态文件，进入“综合传热系数测定实验软件”界面，点“综合传热系数测定实验”按钮，进入实验界面；?)3海人正确的“实验批号”、“姓名”、“学号”、“装置号”后，点击“确定”按

13、钮，进入实验。(4)点击“竖管传热系数测定实验”按钮，进入实验。5)?)将鼠标移至“竖管传热系数测定实验”上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现竖管传热系数测定实验主窗口。(6)点击“普通管实验”或“强化管实验”按钮，选择实验。(7)将鼠标移至“加热器气相温度”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现加热温度设定窗口。(8 )加热温度设定窗口默认初始为手动状态，如上图，按实验要求输入加热温度输出值 ，点击“改变输出值”按钮，调节加热功率，此时，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度。 注意：A.此处的加热温度输出值并不是真正的加热温度大小，而是希望输出加热功率占最大功率的百

14、分比，数值在0-1 0 0之间，低于或高于此范围会按最小值 0或最大值100处理。B.输入要求的输出值 后，若按回车键，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度，但是数据并没有真正 传到实验装置的仪表中。因此，必须用鼠标点击“改变输出值”按钮来实现加热温度的调节。此时，可通过手动先调加热功率为10 0%,同时稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在1 00C左右。等有大量蒸气产生时，打开相应的换热器冷凝水排放阀，再调小功率，满足试验要求的蒸 气量即可。? (9)点击设定窗口中白“手动”按钮 ，将加热温度调节切换为自动状态，同样可以达到调节加热温 度的效果。此时，“输出”比例填充构件失

15、去作用。与手动状态不同的是，此处输入的设定值为实际加热温度的大小，范围为实际的量程 ，不足或超过量程会按两个最值处理。在确认修改时，仍与手动方式 一样，需要点击“改变设定值”按钮。步骤 8与步骤9效果相同，但在此实验中，只能用手动；(10)将鼠标移至“冷流体流量”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现流量设定窗口。?(11)流量控制和加热控制一样。待有大量蒸气冒出时，可以打开风机，手动或自动调节流量；(1 2 )等实验数据稳定，点击实验主界面中的“数据采集”按钮，记录数据，也可点击“数据浏览”按钮，浏览历史数据；(1 3)多次改变流量，采集适量数据后，可点击“强化管实验”按钮，进行强化管

16、实验，操作方法同 普通管 也可以退出实验，步骤同(14)、(15);(14)待实验完成后，点击“退出”按钮，返回“退出实验”窗口，回到“综合传热系数测定实验 软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统；(15)回到“综合传热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统；(16)实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95c以下后，再关闭风机电源。关闭总电源，将实验装置恢复原状。 ?五、实验数据记录和处理1、实验原始数据记录表格错误！未定义书签。实验原始数据序号冷流体进口温度t1 / C冷流体出 口温度t2/ C冷流体流 量3 V(m /h)蒸汽进口处壁温Tw

17、 C蒸汽出口处壁温TW2 / C管外蒸汽温度T/ C加热 器汽 相温度/c管道名称1 01.30119.2 9 869.1981 9.9506100 .1 8 296.9163.032普通管1 0219. 2 9870.81 5 .7247100. 1 8297.0143. 031.302普通管10 1.3319.3 9 8721 2.300910 0 .18296 .81 62.9 30 2普通管419.5739. 7 7613100 . 1 829 6. 61 83.132101.302普通管519.573. 6 9 87 .5 6 03 51 00.1829 6 .5 23. 0 310

18、1 . 2普通管61 9. 574.35. 7 3 7 56100 . 1 829 6.523 .0 3101. 2普通管719. 575.31 4.152898. 8 969 9. 5 8 81 0 7.061 01 . 2强化管819.67 7.810.5 1 0499. 09499.5881 0 6.7 5 81 01. 2强化管919. 579.38. 1 740 599.09499.58810 6 .5541 0 1.2强化管1019.3988 0 . 0 985. 963 6 69 9.0949 9 .58810 6. 5 54101. 2强化管注:表格中阴影部分是普通管的温度传感

19、器坏掉了 ，不过并不影响后续的计算。300K时,空气的定压比热容c p= 1.0 0 5 kJ/(kg* K)2、对流传热系数求算表格3对流传热系数求算1序号冷流体进口密度kg/ m 3实际冷流体体积流量3(m/h)实际冷流体质量流量(kg / h )实际冷流体质 量流量(kg/s)冷流体进出口 平均温度/c管道名称11 . 2 0 8E+ 001.815E+012.192E+016.090E-034.4 2 5 E +01普通21.20 8 E+001.431 E+011. 7 28E+014 .800 E -0 34 .505 E +01普通31.207 E+001.12 0 E + 01

20、1. 3 52E+ 013. 7 54E-034. 5 7 0E+ 01普通41.207 E +008. 8 99 E+001.0 7 4E+012. 983E-0 34 .625 E + 01普通51 .2 0 7E+006.8 8 2E+008 . 306E+002. 3 0 7 E-034.660E+0 1普通61. 2 07E+0 05.2 2 3E+0 06. 3 03 E+001. 7 51E- 0 34. 6 90E+ 0 1普通71. 20 7 E+0 01.288 E+011 . 5 55E + 014.319E-034.74 0 E+ 01强化81.2 O6E+009. 5

21、69E+0 01 . 154E4-0 13 .2 0 7E- 0 34.87 0 E + 01强化91.2 0 7E+007.441E+008.980E + 002. 4 9 4 E- 0 34 . 940E+ 0 1强化101. 2 07E+005. 4 2 8E+006. 553E+001. 8 2 0E-034.975E+01强化表格3各数据来源说明：3 ,伶流体进口留度的求取【kg/m】：由PV nRT可知，在一定的压力下， 一定质量的气体n 一定，体积和温度成正比，因此，密度和温度成反比。因此不同温度下的密度可由下式求得：cT0 c ,?0T? (13)3其中，0是空气在0C时的密度

22、，大小为1. 29 3 kg/m ;To为0c的热力学温标 273.1 5 K。具体求解方程如下：273.15°?1.293 ?kg / m3 (14)273.15 t1实际冷流体体积流量【m3/h1:V'匕0实际冷流体质量流量kg/h )m ?v 即： 质量=密度*体积流量定性温度取冷流体进出口温度的平均值【C】：表格4对流传热系数求算 2序号平均温度卜的空气热谷kJ/(kg?K)进出口温差/CtW t m接触回积itf对流传热系数02管道名称11 .005E+004. 9 90E+ 0 14. 9 64E+015. 127E-021 . 20 0 E +02普通管21.

23、00 5 E+ 0 05 .150E+014. 8 52E+015.127 E- 0 29 . 987E+ 01普通管31.0 0 5E+0O5. 2 6 0 E+0 14 .742E+015. 1 2 7E-028. 164E+ 01普通管41.00 5 E +005 .350 E +014.6 4 5E+015.127 E- 026. 7 3 5 E+01普通管51.00 5 E+005. 4 20E+O 14 .582E+015. 1 27 E-025. 349E+ 01普通管61.0 0 5E+005.4 8 0E+ 014. 5 3 4E+0 15.1 2 7 E-024 .14 8

24、 E+01普通管71.005 E+ 0 05.580 E+0 14. 6 53 E+015. 1 27E- 021.01 5 E +02强化管81.005E+005.820E+014.45 8E +015. 1 27E 028. 2 0 6E+01强化管91. 0 05E+ 005. 9 80E+014 .3 3 9E+015 .1 2 7E- 026. 7 3 9E+01强化管1 01. 0 05E+ 0 06.070E+014. 2 75E+0 15. 1 2 7E-025 .0 6 6E+01强化管表格4各数据来源说明平均温度下的空气热容 【kJ / (kg ?K)】(在计算中注意此处单

25、位为kJ)查化工原理附录表得知。进出口温差C直接由进出口温度的测量值想减即可。指数平均温差【c】接触面积的计算：【m2】A?d2l ,其中 d2 16mm,l21020mm ,所以 A2 0.051m。对流传热系数0C2【W/(m2?K)】«2m2cp2t2 -t1A2 tW-t8 .准数关联式表格 错误！不能识别的开关参数。雷诺数的求取序号d2实际冷流体体积流里(m3/ h)实际冷流体体积流量(m 3 / s)实际流速m/s空气粘度系数冷流体进口密度kg/m3雷诺数管道名称11.6 0 0 E-021.815 E +015. 043E-032.5 0 8E+011. 960E-05

26、1.2 0 8 E+0 02.47 3 E+04普通21. 6 0 0 E-0 21 . 431 E+ 013 .9 75E-031.9 7 7E+ 011. 9 60E-051.20 8 E +001.949E+04普通31.600E 021. 1 2 0E +0 13.1 1 0E- 031.547E +011.9 6 0 E- 051. 2 07E+001.52 4E+04普通41.600E-028.899E+002 .472E-031.229E+011.960E-0 51. 2 0 7E+0 01 .2 1 1E+ 04普通51.600E-0 26 .88 2 E +0 01 . 9

27、1 2E- 039.50 8E+001.9 6 0E-051.2 0 7E+009.36 7E+03普通61. 6 OOE-025.22 3 E+001.4 5 1E-037.2 1 6E+0 01.9 6 0E-051 .20 7 E+007.109E+ 03普通71. 6 0 0E-021 .2 8 8E +0 13 .579E-031.780E+011.9 6 0E-051 .207E+001. 7 53E+ 04强化81.600E-029 .56 9 E+002 .6 5 8E-0 31.322E+011 . 96 0 E-051 .206E+001.30 2 E+04强化91.6 0

28、0E-027.44 1 E+0 02. 0 6 7 E-031 . 0 28E+ 011.960E-051 . 20 7 E+ 001.013E+04强化101 .600E-025.428E + 001 .508 E-037 .499E +0 01 . 960E-051.2 0 7E+007.390E +03强化表格 5数据说明内管半径d 2 ml ,由实验书直接提供。实际冷流体体积流量【m/h】，已求出4 '汨2实际流速【m/ s】空气粘度系数【Pa?s】，直接查表可得。冷流体进口密度【kg/ m 3，已求出。雷诺数Re =d2u p表格6普兰特准数的计算序号平均温度卜.的空气 热容

29、 kJ/( kg* K)空气粘度系数导热系数(查表得知)普兰特数管道名称11. 0 051.96E-0 50. 0 2836.96E-04普通管71. 0051.96E-050.02836. 96E-04强化管表格6数据说明平均温度下的空气热容 【k J /(k g * K)，查表得空气粘度系数【Pa?s】，直接查表可得。导热系数【W/(m?K)】，直接查表可得。说明：化工原理书后的附录中，以上三个参数都是以一定的温度区间给出，本次实验中的定性温度全部落入同一个温度区间，因此导致所有数据均为一样。表格 错误!未定义书签。 努赛尔数的求取序号d2导热系数（查表得知）努赛尔数（求法1）普兰特数雷诺

30、数努赛尔数 （求法2）管道名称11.6 00E-022 . 83 0 E-026 .7 8 4E +0 16.960E-0 12. 4 73E+046.506E+ 01普通21. 600E-022.83 0 E- 025.647E+0 16. 960E-011. 949 E +045.378E +01普通31.60 0 E-0 22. 8 30E-024.616E+016.9 6 0E- 011.52 4 E+044.41 8 E+ 01普通41 .600E-022.8 3 0E-023.80 8 E+016.960E-0 11.211E+043.676E+ 01普通51.6 0 0E-0 2

31、2. 8 30E-023.02 4 E+016.96 0 E-019.367E+ 032. 993E+01普通61 .6 00E-022.8 3 0E-022. 345E+016 . 96 0E-017.109E+ 0 32 . 4 00E+01普通71.600E-0 22 . 8 3 0 E-025 . 740E+016.96 0 E- 011.75 3 E+044. 9 42E+ 0 1强化81.600E-022 .830E- 024. 63 9E +0 16. 960 E-0 11 .302E+043. 89 5E+01强化91. 6 OOE-022 . 830E-023 .81 0 E

32、+0 16 .9 6 0 E-0 11.013E+043.186E +0 1强化101. 600E-022 .830 E 022.864E+ 016.9 6 0E-017 .3 9 0E+0 32.47 6E+01强化表格7数据说明内管半径d2 ml ,由实验书直接提供。导热系数【W/（m?K）】直接查表可得。努赛尔数（求法1）Nu =普兰特数，雷诺数，以上两表均已求出努赛尔数（求法2）Nu = 0.023Re0.8 Prn，流体被加热时n= 0.4。易知，由方法二求得的努赛尔准数将严格符合哥级数为0.8的曲线（经验公式曲线），而方法一求得的努赛尔准数正是我们需要进行拟合的曲线（实验数据曲线）

33、，因此我们将使用方法二作为标准曲线加以对照。4.准数方程式的作图和拟合处理强化管F ig U re 4对数坐标下的强化管准数曲线拟合注：在以上两图中，R2 = 1的曲线为经验公式曲线，R2 <1的曲线为实验曲线。六、实验结果与分析1、误差计算根据拟合直线得出的Nu和Re关系为：普通管：Nu =0 .0124R e 0.8524强化管：Nu=0.0226Re°。8036根据定性温度时候的Pr值为0 .696,代入经验公式Nu = 0 .023Re 0.8 P r0.4,得到Nu=099Re0 8普通管误差：A B= (0.0199 0.0 1 24)/ 0. 0 1 99 *10

34、0 % =37.7%An=(0. 8 524 -0. 8) /0.8*100%= 6 .5 5 %强化管误差：A B= ( 0 .0199- 0 .0 226)/ 0 .0199*100%=13.6 %A n = ( 0 . 8 0 36-0. 8 )/0.8*100%= 0.45%，以及取实验测得的各个Re代入方程，可以得到经验公式对应的经验值和实验值的对比如下表 误差：表格错误！未定义书签。普通管误差表管道名称普通管普通管普通管普通管普通管普通管雷诺数2 .472 7 E+ 041.9 4 89E+0 41.5243E+041.211 2E+049.36 7 0E+037. 10 8 6E

35、 +03努赛尔数6 .78 41E+0 15. 6466E+0 14.61 55E+0 13. 8080E +013 .02 44E+012 .3454E+01努赛尔数（经验法）6.506 0E+015. 3 779E +014.41 8 1E+013. 6 759 E+0 12.9927E+012. 4000E+01相对误差4.2 8%5.00%4 . 47%3.59%1.0 6%2. 27%表格错误！未定义书签。强化管误差表管道名称强化管强化管强化管雷诺数1 . 7 535E+041.302 0 E+041 .01 2 7E+ 0 4努赛尔数5.74 0 4 E+014 .63 9 3E+ 0 13.8101E+01努赛尔数（经验法）4.94 2 0 E+ 0 13. 894 6E+