北京化工大学传热膜系数测定实验报告.docx

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1、北 京 化 工 大 学实验报告传热膜系数测定试验班级：化工 1001 班姓名：李泽洲学号：2023011015 同组人：杨政鸿、陈双全一、摘要选用牛顿冷却定律作为对流传热试验的测试原理,通过建立水蒸汽空气传热系统，分别对一般管换热器和强化管换热器进展了对流传热试验争论。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此试验方法可测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本试验承受由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等装置， 空气走内管、蒸汽走环隙，用计算机在线采集与掌握系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，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 mn 取 0.4，得

2、到了半阅历关联式。试验还通过在内管中参加混合器的方法强化了传热，并重测定了、A 和 m。二、试验目的1、把握传热膜系数及传热系数 K 的测定方法；2、通过试验把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、通过试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、试验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联式的一般形式为：Nu = A Rem Pr n Gr p对于强制湍流而言，Gr 准数可以无视，故Nu = A Rem Pr n本试验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数 m、n 和系数 A。用图解法对

3、多变量方程进展关联时，要对不同变量 Re 和 Pr 分别回归。本实验可简化上式，即取n0.4流体被加热。这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，即得到直线方程：lg Nu= lg A + m lg Re Pr 0.4在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数 A，即：A =NuPr 0.4 Rem用图解法，依据试验点确定直线位置有肯定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最正确关联结果。应用微机，对多变量方程进展一次回归，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：Re = du

4、rm, Pr = Cpml, Nu = adl试验中转变空气的流量以转变 Re 准数的值。依据定性温度空气进、出口温度的算术平均值计算对应的 Pr 准数值。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算得 Nu 准数值。牛顿冷却定律：式中：Q = a A Dtm传热膜系数，W/(m)； Q传热量，W； A总传热面积m2。t 管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，m传热量 可由下式求得：式中：Q = W C (tp2- t )/ 3600 = rV C (t1p2- t )/ 36001W质量流量，kg/h； Cp流体定压比热，J/(kg)； t 、t 流体进、出口温度；12定性温度下

5、流体密度，kg/m3；V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 Vs 与孔板流量计压降p 的关系为V = 26.2Dp0.54s式中 p孔板流量计压降，kpa； Vs空气流量，m3/h。四、试验装置本试验空气走内管，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。试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

6、承受 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） 压力传感器本试验装置承受 ASCOM5320 型压力传感器，其测量范围为 020kpa。（2） 显示仪表在试验中全部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掌握，测量点分别为：孔板压降、进出口温度和两个壁温。3、流程说明本试验装置流程如以下图所示，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整阀调整。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

7、发生器，用于消退端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消退热效应。图 1 套管式换热试验装置和流程1、风机； 2、孔板流量计； 3、空气流量调整阀； 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、试验操作1、试验开头前，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、翻开总电源开关红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同。4、试验开头时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接

8、通蒸汽发生器的加热电源，翻开放气阀。5、将空气流量掌握在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，转变空气流量810 次，重复试验，记录数据。6、试验完毕后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。留意：a、试验前，务必使蒸汽发生器液位适宜，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。b、调整空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0 开头，最低不小于 0.1kpa。试验中要合理取点，以保证数据点均匀。c、切记每转变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。六、试验数据记录及处理本试验内管内径为 0.020m，有效长度为 1.25m。一直管传热原始数据序空气入口温度空气

9、出口温度壁温壁温孔板压降号t /1t /2T /1T /2P/kpa139.066.3100.5100.14.34239.667.1100.6100.13.56338.367.0100.5100.32.84433.965.8100.5100.31.85532.365.5100.5100.41.42630.765.2100.5100.41.14729.265.1100.5100.50.88828.165.2100.5100.50.66927.165.7100.5100.50.481026.666.2100.5100.60.31首先求得空气平均温度，然后查空气平均温度下空气的物性数据表可得下表：序

10、空气平均温密度粘度热导率比定压热容号度 t/kgm-3/10-5Pas/W(mK)-1Cp/J(kgK)-1152.651.08431.9730.028491005253.351.08191.9770.028541005352.651.08431.9730.028491005449.851.09351.9590.028281005548.901.09691.9550.028121005647.951.10021.9500.027971005747.151.10301.9460.027841005846.651.10471.9430.027761005946.401.10561.9420.027

11、7210051046.401.10561.9420.027721005经数据处理可得下表：tm/146.35657.8823499.23137.1296.270.696258705111.281245.67852.0097450.98125.7188.110.696252552101.842346.29746.0355418.37115.0680.780.69624679693.376448.84836.5236374.2397.5569.000.69643792979.742549.72731.6619339.3886.9061.790.69843313071.334650.56528.12

12、09314.8379.2756.680.70052964765.354751.27224.4524286.2871.0951.070.70232596158.819851.64820.9341254.2462.6845.150.70342233851.971951.72117.6267223.4955.0239.690.70401888645.6711051.63113.9199181.3744.7332.270.70401493937.129序号对数平均温度空气流量Vs/(m /h)3传热量Q/WNuPrReNu/Pr0.4以第一组数据为例，计算如下：空气平均温度 t = t+ t2 = 4

13、0.40 + 68.70= 54.55 122对数平均温度Dt(T - t=11)-(T2- t )2=(100.4- 40.4) - (100.3- 68.7)= 44.29 11mln T - t T - t22ln 100.4 - 40.4 100.3 - 68.7空气流量Vs= 26.2 DP0.54 = 26.2 3.660.54 = 52.79 m3 / h传热量Q =rV Ct - t21= 1.0780 52.79 1005 68.7 - 40.40 = 449.62Wsp传热膜系数 a =Q=36003600449.62= 129.31 w/(m2)ADtmp 1.25 0.

14、02 44.29努塞尔准数 Nu = ad= 129.31 0.02 = 90.37l0.029普朗特准数 P= Cp m= 1005 1.983 10-5 = 0.6963r雷诺数Rl0.029=4rVs=4 1.0780 52.79= 50784e3600 p d m3600 p 0.02 1.98310-5序号空气入口温度空气出口温度壁温T1/壁温T2/压降P/kpa二加混合器原始数据：t1/t2/138.478.2100.5100.31.75240.279.4100.5100.41.37339.780.2100.5100.41.05438.280.4100.5100.50.74536.

15、780.8100.5100.60.52634.381.2100.5100.60.34序号空气平均温度密度/kgm-3粘度/10-5Pas热导率/W(mK)-1比定压热容Cp/J(kg用一样的方法可查得物性：t/K)-1158.301.065612.0020.028881005259.801.060662.0090.028991005359.951.060172.0100.029001005459.301.062312.0070.028951005558.751.064132.0040.028911005657.751.067431.9990.028841005经数据处理可得下表：序对数平均温度

16、传热量号tm/Vs/(m3/h)Q/WNuRePrNu/pr0.4138.78835.4439446.55146.58101.51355100.6965117.311237.29531.0549383.09130.7990.24308140.6966104.285336.88426.8995343.40118.5481.76267250.696694.486437.30422.2683297.67101.6070.19222680.696581.109537.56318.4053258.3687.5860.58185210.696570.010638.08514.6319220.1473.59

17、51.03148760.696558.978以第一组数据为例，计算如下：空气平均温度 t = t+ t2 = 43.00 + 76.20= 59.60 空气流量122对数平均温度Dt(T - t=11)- (T2- t )2=(100.5- 43.0) - (100.5- 76.2)= 38.55 11mln T - t T - t22100.5 - 43.0ln100.5 - 76.2空气流量Vs= 26.2 DP0.54 = 26.2 1.530.54 = 32.96 m3 / h传热量Q =r V Ct2 - t= 1.0673 32.96 1005 72.60 - 43.00 = 32

18、4.25W1sp 36003600传热膜系数 a =Q=324.25p= 107.16 w/(m2)ADtm1.25 0.02 38.55努塞尔准数 Nu = ad= 107.16 0.02= 73.98l0.029普朗特准数 P= Cp m= 1005 1.999 10-5 = 0.6965r雷诺数Rel0.029=4rVs=4 1.0673 32.96= 308263600 p d m3600 p 0.02 1.999 10-5由以上数据可作出 Nu/Pr0.4 与 Re 关系图，如下：4.0rP/uN1000.0100.0Nu/Pr0.4Re关系图y = 0.0297x0.7903不加混

19、合器加混合器乘幂 (加混合器) 乘幂 (不加混合器)y = 0.0179x0.795910.010000100000Re 试验结果争论（1） 从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr0.4Re 关系曲线的线性都格外好，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在强制对流即无视Gr 影响时的准确性是很好的。（2） 从图中可以看出，在一样的雷诺数下，加混合器后的 Nu/Pr0.4 值比未加混合器时的大，由于Pr 和热导率在试验条件下变化很小，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） 试验中参加混合

20、器后，空气的出口温度明显变高，但孔板压降则快速降低，说明试验中，传热效果的提高是以增大流淌阻力为代价的。（4） 由 及 可知，直线斜率即为雷诺数 Re 的指数，而截距即为 lgA,将未强化时的 Nu/Pr0.4Re 的关系曲线进展拟合得=0.0179；m=0.7959，与公认的关联式有一点偏差。（5） 将加混合器强化时的 Nu/Pr0.4Re 的关系曲线进展拟合得=0.0297； m=0.7903。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： 壁温接近于蒸气的温度。可推出此次试验中总的传热系数方程为1K1ad2dd2ddl=+ R +1111+ R+d2d1a2m2

21、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，R 、R 为污垢热阻。因 R 、R和金属壁的热1212阻较小，可无视不计，则 Twtw，于是可推导出T - TT - tw1a21a=w1明显，壁温 Tw 接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此试验，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 器时的温度将上升还是降低？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

22、方程 r qm1= qCpm 22 (t2- t ) ，知流速增大，即 q增大1m 2后， t2减小，及空气离开热交换器时的温度降低。3、假设承受不同压强的蒸汽进展试验，对的关联有无影响？答：没有影响。由于本试验承受的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反响在雷诺数 Re、流量q 、传热膜系数、努塞尔准数Nu 等数据上，可以得到不v同 Re 值下的 Nu/Pr0.4 值，所以仍旧可以进展关联。4、本试验可实行哪些措施强化传热？答：本试验可从以下三个方面来强化传热：(1) 增加总传热系数 Ka. 增大流速减小管径； b.内管加填充物；c.增加内管的粗糙度；d.防止空气等非冷凝气体随水蒸气一起进入外管； e.防止有垢层产生在此试验中影响较小；(2) 增加传热推动力tma. 增大外管压强，提高水蒸气温度效果不大； (3)增加传热面积 Aa. 内管承受波浪管；b. 内管加翅片同时，总传热系数 K 也增大。