化工原理实验传热实验报告.docx
一、试验目的传热膜系数测定试验第四组- 1 -1、了解套管换热器的构造和壁温的测量方法2、了解影响给热系数的因素和强化传热的途径3、体会计算机采集与把握软件对提高试验效率的作用4、学会给热系数的试验测定和数据处理方法二、试验内容1、测定空气在圆管内作强制湍流时的给热系数12、测定参与静态混合器后空气的强制湍流给热系数13、回归 和 联式 Nu = A × Re a × Pr 0.4 中的参数A、a11*4、测定两个条件下铜管内空气的能量损失二、试验原理间壁式传热过程是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三个传热过程所组成。由于过程简洁，影响因素多，机理不清楚，所以承受量纲分析法来确定给热系数。1查找影响因素物性：， ，cp设备特征尺寸：l操作：u，gT那么：=f，c ，l，u，gTp2量纲分析ML-3，ML-1 T-1，ML T-3 Q-1，cp L2 T-2 Q-1，lL ，uLT-1，gT L T-2， MT-3 Q-13选根本变量独立，含M，L，T，Q-热力学温度，l，, 4无量纲化非根本变量：Nul/u: Relu/cp: Prc /gT: GrgT l32/2p5原函数无量纲化è2øa lær lucmb g D tl 3 r 2 öl6试验=F çm,lp,m÷NuARea Prb Grc强制对流圆管内外表加热：NuARea Pr0.4 圆管传热根本方程：Q = K(T - t×A12) - (T2- t )1= K× A × Dt11T - tln1211m热量衡算方程：T - t21Q = qcm1(Tp11- T ) = qc(t2m 2p32- t )1圆管传热牛顿冷却定律：(t- t) - (t- t )(T - T) - (T - T)Q = a × Aw2111tw12-t= a × A1w1w22-22TTln w21t- tln1w1T - Tw122w2lA - A(T- t) - (T- t)圆筒壁传导热流量： Q = d×2ln(1×w2w2w1w1A / A21)lnTw2- t) /(Tw2w1- t)w1空气流量由孔板流量测量： qv= 26.2 ´ DP 0.54m3h-1，kPa空气的定性温度：t=(t1+t2)/2三、试验流程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、空气流量调整阀10、压力传感器11、孔板流量计12、空气管13、风机图 1、传热试验流程套管换热器内管为27×3.5mm 黄铜管,长 1.25m,走冷空气，外管为耐高温玻璃管，壳程走 100的热蒸汽。进、出口温度由铂电阻Pt100测量，使用时测温点位于管道中心。壁温 1、壁温 2 由热电偶测量，测温点通过锡焊嵌入管壁中心，测量值为壁中心温度。蒸汽发生器加热功率为 1.5kW，变频器为西门子 420 型，风机为XGB 型旋涡气泵，最大静风压17kPa，最大流量 100 m3/h。此外，还用到了北京化工大学化工原理试验室开发的数据采集与把握软件。四、试验操作1、检查蒸汽发生器中的水位，约占液位计高度4/5 左右，如不够需加水；2、按下总电源、加热器、风机绿色按钮，开仪表开关，等待 20 分钟套管间布满水蒸汽；3、约到 15 分钟时，观看壁温 1、壁温 2 的变化以及水蒸汽的滴状冷凝状况；4、当有蒸汽和不凝性气体从套管间排出时，全开流量调整阀，用鼠标点击上图中绿色按钮启动风机预热设备 5 分钟；5、通过计算机间隔 34Hz 调整频率 105010Hz，每个点稳定约 1.5 分钟记录数据， 留意随时查看结果，调整布点及觉察错误等；6、参与静态混合器进展强化传热试验，先将出口温度计拔出，旋转放入混合器，再将温度计放回中心位置。调整频率 1050Hz，孔板压降最小值大于 0.1kPa；7、测完数据关风机，2 分钟后，检查壁温 100基点偏差；8、关闭加热器，与 6 步一样取出静态混合器放好，检查液位加水，关闭计算机。五、试验数据表 1 选择上行数据 空气一般对流给热系数表l=1.25,d=0.020m，100基点= 99.9- 2 -空气 空气入口 出口序号温度 温度/壁温壁温孔板气速空气流1 2压降u量T1/ T2/ /Kpa/m*s-1/m3*h-1热流量Q/W给热系数/W*m-2K-1- 4 -131.2233.7333.1431.7530629.1728.3827.79271026.51126.162.764.46565.365.76666.566.967.166.566.810099.899.899.999.810099.899.8100.199.810099.399.499.599.699.799.799.899.899.899.899.84.273.0431.260.760.480.320.230.150.230.1950.7575 57.3763 558.6280 139.284342.2494 47.7588 450.1721 117.139141.9483 47.4184 464.4346 121.045526.2585 29.6826 306.751979.169119.9852 22.5913 248.571563.604215.5933 17.6267 200.656551.068212.5271 14.1606 166.958042.544910.4810 11.8477 143.390236.55968.32079.4057116.5407 29.537210.4810 11.8477 146.687036.85889.453610.6863 134.644433.7912NuPrReNu/Pr0.4 log(Nu/Pr0.4) logRe99.530.69757793115.002.064.7683.250.6964753096.211.984.6886.020.6964719199.412.004.6756.340.6972963465.111.814.4745.340.6972263852.401.724.3536.440.6971769442.101.624.2530.370.6971422635.091.554.1526.100.6971191030.161.484.0821.100.697946824.381.393.9826.370.6971196430.471.484.0824.180.6971079527.941.454.03序号孔板压降/Kpa气速u/m*s-1空气流给热系热流量量数Q/W/m3*h-1/W*m-2K-12 空气强化对流给热系数表参与混合器，100基点= 99.9空气空气入口出口壁温 1壁温 2温度温度T1/T2/132.281.8100.199.80.16.687.56112.1637.94231.881.6100.199.90.127.388.34124.3941.68331.581.410099.80.168.629.74145.7048.64431.480.6100.199.80.2310.4811.85175.0157.32531.279.499.899.80.414.1315.97231.7074.26631.577.199.899.70.617.5919.88273.7484.3573277.199.899.70.8921.7624.60334.71103.5983376.299.999.61.2726.3729.81388.41119.32NuPrReNu/Pr0.4log(Nu/Pr0.4)26.410.6949718330.551.4929.040.6950794033.591.5333.910.6950928839.221.5940.000.69511132846.271.6751.920.69521533660.051.7859.130.69541920068.371.8372.560.69542372283.911.9283.580.69542873596.651.9997.010.695334143112.192.05934.476.199.999.51.7631.4535.55446.22138.73六、试验结果作图及分析数据处理：公式： r = 0.7063 - 2 ´10-4 t × kg / m3m = (1.71 + 0.005t) ´10-5 Pa × sl = (2.4513 + 0.0074t) ´10-2Pr = 0.7063 - 2 ´10-4 t× w /(m × k )C= 1.005KJ × (Kg × K )-1pw以表 1 中第一组数据为例：t- t) - (t- t )(99.65 - 31.2) - (99.65 - 61.7) tm =w1(tlnw- t )12=ln (99.65 -31.7)= 501.09 (t- tw2)(99.65 - 61.7)Vs = 26.2Dp 0.54 = 26.2 ´ 4.270.54 = 57.38 m3 × h -1Q = r V C (t- t ) / 3600 = 1.1072´ 57.38´1005´ (61.7 - 31.2)/3600 = 558.63 J × s-1sp21Q558.63a =ADtm= 139.28 w × m-2 × K -13.14 ´ 0.02 ´1.25 ´ 51.09ad139.28 ´ 0.02Nu = l=0.0280= 99.53Re =dur= 4qm =4rVs=4 ´1.1072 ´ 57.38= 57793.99mpdm3600pdm3600 ´ 3.14 ´ 0.02 ´1.94 ´10-5Nu=p 0.4r99.530.6970.4= 115.00Pr = 0.7063 - 2 ´10-4 t =0.7063-2´10-4 *46.95=0.697由公式lgNuPr 0.4= lg A + m lg Re 可知，分别对 Nu / Pr 0.4 和 Re 取对数，并作图所作出的直线的斜率即为m；截距即为lgA.。一般y=0.73x-1.682.5)4 2.0r 1.5P/试验数据 1.0线性 (试验数据)gol0.50.03.84.04.24.4log Re4.64.85.0由 图 可 知 ： m=0.73,lgA=-1.89, 进 而 得 出 A=0.013 。 因 此 得 出 关 联 结 果 为 ：lrduc mNu = 0.013Re0.73 Pr0.4 ，继而得出传热膜系数a = 0.013(dm强化后)0.76 (pl)0.4双对数坐标10004.0rP100/试验数据线性 (试验数据)uN10100010000100000Rey=0.81x-1.623.00)42.00.01.00rP0.00强化试验数据/u线性 (强化试验数据)N( (2.00) (1.000).002.004.006.00l(2.00)(3.00)logRe由 图 可 知 ： m=0.81,lgA=-1.62, 进 而 得 出 A=0.024 。 因 此 得 出 关 联 结 果 为 ：Nu = 0.024 Re0.81 Pr0.4继而传热膜系数a = 0.024 l (drdum)0.73 (c mp)0.4llrduc m试验结果分析：传热膜系数公认的关联式为a = 0.023(dm)0.8 (pl)0.4 ，而试验得出lrduc m的关系式为a = 0.013(dm)0.73 (pl)0.4 。可以看出系数 A=0.013 有差距，指数 a=0.73也与公认式中a=0.8 有确定的误差因素，比方说：管壁不够光滑；管件材料不行能完全一样； 还有试验中Pr 在 0.6950 左右，不满足公认式的条件0.7<Pr<160，会引起确定的误差。七、思考题1、本试验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：管壁的壁温接近蒸汽温度，由于蒸汽的传热膜系数较大，壁温更接近于传热膜系数大的一面。2、蒸汽发生器中的水是循环利用的，为什么每次试验还检查液位补水？答：由于有局部蒸汽从排气孔向外排出了。因此试验设备里的总水量削减了，所以要在下次试验前加水补液位。3、假设承受不同压强的蒸汽进展试验，对的关联式有无影响？说明缘由。答：由公式 Nu = A Re mPr n ，觉察其变量均与压强的值无关，故承受不同的蒸汽压无影响。4、水蒸汽的温度是 100，管道尺寸是27×3.5mm，结合试验数据，11计算套管换热器总传热系数K ，2计算空气一侧的热阻 1/1 占总热阻 1/ K1 的百分比。答：11/a2=(T-Tw)/q=(100-99.8)/558.3=0.00036,1/a1= (tw-t)/q=(100.1-46.95)/558.3=0.095,d/ l =0.0035/0.028=0.125 那么K=1/(1/a1+1/a2+ d/ l )=4.54 (2) 1/a1/(1/ K)= 0.095*4.54=0.4313=43.13%5、结合试验数据分析，假设空气入口温度不变、蒸汽温度不变，空气流量增大后，壁温存p出口温度有什么变化？提示：Q = a× A × Dt=d 2 × u× r × c(t- t ) 11mp411p21答：Q = a× A × Dt=d 2 × u× r × c(t- t ) ，A1 不变，而传热系数正比于流速，空11m411p21气流量增大后u 增大，Q 不变，那么tm 减小，进口温度又不变，所以出口温度减小。
