北京化工大学传热实验报告

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：化实1001 学 号：（小学号） 姓 名： 同 组 人：

实验日期：2012.12.6

传热膜系数测定实验

一、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α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的图像，分析出传热膜系数准数关联式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。

关键词：对流传热 Nu Pr Re α A

二、目的及任务

1、掌握传热膜系数α及传热系数K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α的因素，了解工程上强化传热的措施。

三、基本原理

黄铜管内走冷空气，管外走100℃的热蒸汽，壁内侧热阻1/α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α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：

Nu A Rem PrnGrp

对于强制湍流有： Nu ARemPrn

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=0.4（流体被加热）。在两边取对数，得到直线方程为

lg

Nu

lgA mlgRe 0.4

Pr

在双对数坐标中作图，求出直线斜率，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

du

Cp

Nu

Pr

0.4

Re

m

其中 Re

,Pr

,Nu

d

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 A tm 其中α——传热膜系数，W/(m2 ℃)； Q——传热量，W； A——总传热面积，m2；

Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。 传热量可由下式求得

Q

W Cp t2 t1 /3600 V Cp t2 t1 /3600

其中W——质量流量，kg/h；

Cp——冷空气的比定压热容，J/（kg ℃）； t1,t2——冷空气的进，出口温度，℃； ρ——定性温度下流体密度，kg/m3； Vs——冷空气体积流量，m3/h。

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Δp的关系为

V 26.2 p0.54

式中，Δp——孔板流量计压降，kPa；

V——空气流量，m3/h。

四、装置和流程

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，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）。内管为黄铜管，其内径为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、出口的铂电阻应置于进、出管得中心。测量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。

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1.5kW。风机采用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

本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kPa。 (2) 显示仪表

在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表读取，并实验数据的在线采集与控制，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，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量以后，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。空气的流量由空气流量调节阀调节。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、操作要点

1、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3～2/3。

2、按下总电源开关，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，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，12～13次。

4、将静态混合器插入管中，并将其固定，再次调整好热电偶温度计，将风机频率调回50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；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，12～13次。

5、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场，给蒸汽发生器灌水。

六、数据处理

原始数据如下表：孔板流量计参数c1=26.2,c2=0.54,换热器管长与管径：l=1.25（m），d=0.02（m）

性参数，内插过程如下：以第一组为例：

定性温度t=(t1+t2）/2=(24.1+55.1)/2=39.6℃ 定压比热容Cp=1005(J/kg.K)

热导率λ=0.0267+0.0009*9.6/10=0.027564(W/m.K) 密度ρ=1.165-(0.165-0.128)*9.6/10=1.12948(kg/m3) 黏度μ=18.6+(19.1-18.6)*9.6/10=19.08(μpa.s) 以下为计算过程：仍以第一组为例

对数平均温度△tm=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1）]

=[(100.7-55.1)-(99.9-24.1)]/ln[(100.7-55.1)/(99.9-24.1)]=59.42653 换热面积A=πdl

=3.14*1.25*0.02A=0.079m2

冷空气体积流量Vs=26.2△p0.54=26.2*3.490.54 =51.45493（m3/s)

流速u=Vs/(3600*πd2/4)

=51.45493/(3600*3.14/4*0.0262） =45.51923（m/s)

传热膜系数α=ρVsCp(t2-t1)/(3600*A*△tm)

=1.12948*51.45493*(55.1-24.1)/(3600*0.079*59.42653) =107.113

各个准数计算：

Nu=αl/λ=107.113*1.25/0.027564=77.734024 Pr=Cpμ/λ=1005*19.08*106/0.027564=0.695668

Re=ρdu/μ=1.12948*1.25*45.51923/(19.08*10-6)=53892.09 Nu/Pr0.4=77.734024/0.6956680.4=89.87735 按照以上方法将实验数据处理如下表所示：

0.027943 0.028027 0.0281075 0.0281425 0.0281565 0.0281705 0.028167 0.02816 0.028048 0.028132 0.028139

44.9 46.1 47.25 47.75 47.95 48.15 48.1 48 46.4 47.6 47.7

1.11085 1.10665 1.102625 1.100875 1.100175 1.099475 1.09965 1.1 1.1056 1.1014 1.10105

1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005

19.345 19.405 19.4625 19.4875 19.4975 19.5075 19.505 19.5 19.42 19.48 19.485

流量 qv(m3/s) 51.4549 3357 48.3494 9044 44.8853 5955 41.6556 3631 38.4015 8516 35.1145 1325 31.7821 1184 28.5181 702 25.3390 5022 22.2682 67 18.9713 0227 15.9740 0024 12.9192 6254

流速 u(m/s) 45.5192 2644 42.7720 1915 39.7075 0137 36.8503 5059 33.9716 7831 31.0637 9445 28.1158 1019 25.2283 8836 22.4160 0338 19.6994 5772 16.7828 2225 14.1312 8118 11.4289 3006

表 3.对流传热膜系数处理结果一览表 对数平 传热膜 均推动 Nu Re 系数α 力△tm 59.4265 107.133 77.7340 53892.0 2505 0317 2385 9212 56.2422 102.878 73.9958 49674.2 9599 2326 158 086 54.4361 97.1025 69.5004 45602.5 3955 2728 3108 618 53.1283 91.9846 65.6400 42030.8 4864 7294 4206 5853 51.9809 87.2191 62.0611 38492.5 4363 6526 3334 0795 51.3060 81.2067 57.7111 35096.7 6739 7132 2823 0785 51.2047 75.0466 53.3067 31729.5 3441 4201 9737 1555 50.8747 70.3466 49.9435 28438.2 7145 6874 0028 7481 50.9743 64.5173 45.8105 25275.3 1859 1993 726 2234 50.8816 58.5211 41.5633

22225.0 1598 8634 4257 2922 52.6903 45.8583 32.6998 19109.2 4405 2724 9107 5672 51.1517 43.9990 31.2804 15979.6 7291 3061 1419 6436 50.9266 36.9154 26.2378 12916.4 6475 0203 9191 2129

Pr 0.69566 8263 0.69565 5242 0.69576 3698 0.69582 9914 0.69589 3 0.69592 0316 0.69593 1224 0.69594 212 0.69593 9397 0.69593 3949 0.69584 6406 0.69591 2129 0.69591 7588

Nu/Pr0.4 89.8773 529 85.5558 1598 80.3531 2885 75.8870 3986 71.7468 2962 66.7168 8464 61.6248 7657 57.7364 0354 52.9586 7993 48.0488 7876 37.8042 7821 36.1618 577 30.3323 329

图1.Nu/Pr

0.4

~Re在双对数坐标下的关系图

七、实验结论及误差分析

1．

软件线性拟合的直线见上图，由origin趋势线拟合可得，lgNu/pr0.4

=0.77566lgRe-1.70558，R=0.99592,Nu/pr0.4=0.0197Re0.77566

2．化工原理课本上介绍的公式为Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4 ，实验结果与之有一定误差的主要原因：

（1）蒸汽所在的玻璃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α代替总传热系数K，即令Q=αAΔtm。

（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α的因素及强化传热措施 由课本公式 可知 0.Re

d

0.8

Pr

0.4

0.6 0.8u0.8Cp0.4

可知α与以 0.0.20.4

d

下性质有关：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。

强化传热的措施主要有：

强化传热就是通过人工干预，比如搅拌来提高热量传递速度。 1.增大传热面积，比如使用肋片散热 2.增大扰流，比如增加表面粗糙度

思考题

1、本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。因为水蒸气对流给热系数α（5500～500）远

大于空气的对流给热系数α（10～100），所以水蒸汽与管壁的传热速率空气与管壁间的传热速率大得多，因此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：（1）管内空气流动速度将会对传热膜系数造成改变。

（2）当空气速度增加时，空气离开热交换器时的温度(出口温度t2)将降低。 （3）因为空气流量增加会有更多的空气参与热交换，而水蒸气的冷凝量是

一定的，那么相同的热量就被更多的冷空气分享，虽然空气速度增大时其湍流程度增加，增强传热效果，但是因为空气对留给热系数相对而言很小，所以影响不大，故空气离开热交换器时，温度降降低。 3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响？

答：肯定有影响。不同压强的饱和蒸汽温度不同，,由于本实验总传热系数K用

膜传热系数α做近似，当蒸汽压强变化，T1T2t1t2都会发生相应改变，从而导致对数平均温差即平均推动力Δtm 发生变化。当总传热量不变时，K必然发生变化，即α变化，则α的关联式变化。 4、试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数

答：空气一侧：假设 α1=100W/m2·K，水蒸汽一侧：假设 α2=10000 W/m2·K，空气一侧热阻为 1/100 欧，水蒸气一侧热阻为 1/10000 欧，所以： K=1/100+1/10000=101/10000，空气一侧热阻占总热阻的百分数为(1/100)/(1/01/10000)=99%

实验完成日期： 2012 年 12 月 7 日 成 绩 评 语 辅 导 教 师

2012 年 11

月

日

(评语附表)

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