传热膜系数测定实验报告加思考题

目录

一.摘要 .................................................. 1 二.实验目的 .............................................. 1 三．实验基本原理及内容 ................................... 1 四．实验装置说明及流程图 ................................. 3 五．实验步骤 ............................................. 4 六．实验注意事项 ......................................... 4 七．实验数据处理 ......................................... 5 八．结果与讨论 ........................................... 8 九．误差分析 ............................................. 9 十．思考题 ............................................... 9

化工原理实验报告——传热膜系数测定

实验三 传热膜系数测定实验

一.摘要

选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、对普通管换热器进行了强制对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置，让空气走内管，蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算了传热膜系数α，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m（n取0.4），得到了半经验关联式。

关键词：对流传热 对流传热膜系数 蒸汽冷凝膜系数 管内对流传热系数

二.实验目的

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．实验基本原理及内容

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?Prn?Grp （1）

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

Nu?A?Rem?Prn （2）

本实验中，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。

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。本实验可简化上式，即取n＝0.4（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：

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lg

Nu?lgA?mlgRe 0.4Pr （3）

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?

Nu

Pr0.4?Rem （4）

用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用微机，对多变量方程进行一次回归，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?? , Pr?Cp?? , Nu??d ?实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。根据定性温度（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α值进而算得Nu准数值。 牛顿冷却定律： 式中：

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???A??tm （5）

Q?W?Cp?t2?t1?/360?0??V?Cp?t2?t1?/360 0 （6）

式中：

W——质量流量，[kg/h]；

Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]； t1、t2——流体进、出口温度[℃]； ρ——定性温度下流体密度，[kg/m3]；

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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Δp的关系为

0.54V?26.?2p s （7）

式中 Δp——孔板流量计压降，kPa； Vs——空气流量，m3/h。

四．实验装置说明及流程图

1.设备说明

本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。内管为黄铜管，内径为0.020m，有效长度为1.20m。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。

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直接读取，并实现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

本实验装置流程如图1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，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。

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图1 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．实验步骤

1、实验开始前，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1/2～2/3。 3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。

4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀。

5、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。

6、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。

六．实验注意事项

1、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。

2、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。

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3、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

七．实验数据处理

本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.20m。 1.原始数据：

蒸汽压 1.01kPa 蒸汽温度100.5℃ 表1原始数据 孔板压降kPa -0.02 0.16 0.29 0.45 0.63 0.85 1.09 1.36 1.66 1.98 2.31 2.67 3.04 3.45 3.82 2.数据处理：

本实验的数据处理由如下几个步骤完成：

步骤1：文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数，选取其中部分数据如附录1所示； 步骤2：利用t?1(t1?t2)求取各个流量下流体的平均温度t，并利用线性插值，2管路压降kPa 0.20 0.52 0.69 0.90 1.14 1.40 1.70 2.02 2.39 2.75 3.16 3.68 4.03 4.51 4.94 进口t1?℃? 22.1 22.8 22.8 22.8 22.8 23.0 23.1 23.3 23.7 24.2 24.8 25.9 27.7 28.7 31.2 出口t2?℃? 壁温1（℃） 壁温2（℃） 25.3 65.5 65.2 64.6 64.0 63.3 62.1 62.2 61.6 61.3 61.1 61.2 61.7 61.8 62.9 99.9 99.8 99.7 99.6 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 99.7 100.2 100.1 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 99.9 99.9 100.0 求得各个平均温度下的相应物性参数，线性插值具体过程如附录2所示： 步骤3：利用平均壁温和流体进出口温度t1,t2求得各流量下的?tm，其过程见附表2所示；

步骤4：利用式（7），式（8）求得对应的流量和流速； 步骤5：利用式（6），式（5）求得各流量对应下的传热膜系数?

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步骤6：利用Nu、Re、Pr数据组的定义式，求得各流量下的Nu、Re、Pr值 步骤7：利用origin对lgRe对lg应的m与lgA；

步骤8：利用实验条件下的炮和蒸汽压查出ts，利用公式 K=Q/(AΔTm）计算出总传热系数K

上述步骤1-6中涉及到的中间数据和最终结果如下所示： 表2-1.直管处理中间数据

热导率流量m/h 3Nu作图，并利用其中的拟合命令求解得到对0.4Pr流速 m/s 密度比热容粘度kg·m 1.190 1.113 1.114 1.115 1.114 1.117 1.118 1.118 1.118 1.118 1.116 1.113 1.112 1.110 1.103 3kJ·kg·K 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 ?1mW·m·K ?1?1传热量 W ?Pa·s 18.3 19.3 19.3 19.3 19.3 19.3 19.3 19.2 19.2 19.2 19.2 19.3 19.4 19.4 19.5 -3.17 9.74 13.43 17.02 20.41 24.00 27.45 30.93 34.45 37.89 41.18 44.53 47.76 51.14 54.03

-2.80 8.62 11.88 15.06 18.06 21.24 24.30 27.37 30.49 33.53 36.44 39.41 42.27 45.26 47.81 26.21 27.89 27.88 27.86 27.82 27.81 27.77 27.78 27.77 27.78 27.80 27.83 27.90 27.98 28.10 -3.307 129.225 177.089 221.450 261.510 301.600 339.268 375.522 407.506 438.737 469.560 488.412 504.094 524.536 527.392 6

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表2-2.直管处理中间数据

?tm?℃? 76.29 53.01 53.21 53.61 54.01 54.38 55.97 54.98 55.20 55.19 55.07 54.56 53.51 53.04 51.33 ? K W/(m2/℃） W/(m2/℃） -0.575 32.348 44.163 54.814 64.250 73.595 80.435 90.634 97.961 105.488 113.145 118.788 125.007 131.230 136.340 -0.665 32.258 44.073 54.724 64.160 73.505 80.345 90.544 97.871 105.398 113.055 118.698 124.917 131.140 136.250 Pr Nu Re Nu 0.4Pr0.701 0.697 0.698 0.697 0.698 0.697 0.698 0.698 0.698 0.697 0.698 0.698 0.697 0.697 0.698 -0.414 23.290 31.800 39.470 46.620 52.990 57.910 65.260 70.530 75.950 81.460 85.520 90.000 94.340 98.160 -3641.53 9942.03 13714.32 17400.93 20848.54 24585.58 28152.75 31874.65 35508.15 39048.48 42361.50 45454.23 48457.98 51792.37 54086.59 -0.48 26.91 36.72 45.60 53.83 61.22 66.87 75.35 81.44 87.75 94.06 98.75 103.98 108.99 113.34 步骤7中所得的图如下图2所示：

1000Nu/Pr^0.410010Re10000y = 0.8313x -1.8735100000R2 = 0.998图2.

Nu与Re关系图 Pr0.4

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八．结果与讨论

1.强制湍流条件下空气侧的给热系数α，由表2-2中第二列给出。

2.α关联式中系数A和指数m.n，因为空气被加热n=0.4由图2给出方程： y=0.8313x-1.8735 所以A= 0.0134 m=0.8313 3.总传热系数K，由表2-2第三列给出。 可以看出给热系数跟总传热系数很接近。 参考文献：

[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268 [2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63 附录1.干空气物性参数

温度 密度比热容热导率粘度℃ 40 50 60 附录2.

一维插值过程：

s kg·m3 kJ·kg·K?1 mW·m?1·K?1 ?Pa·1.128 1.093 1.060 1.005 1.005 1.005 27.45 28.24 28.93 19.1 19.6 20.1 已知相邻的两组数据?X1,Y1?,?X2,Y2?,求X1,X2之间的x所对应的y值，其具体式子如下：

(x?X1)?Y2??X2?x??Y1 y?X2?X1

?tm求解过程：

?tm?式中?tm——平均对数温度 ℃

t2?t1

ln((T?t1)/?T?t2?)8

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t1,t2——分别为冷、热流体温度 ℃

T——壁温 ℃

九．误差分析

影响给热系数的主要因素：

1 液体的状态：气体、液体、蒸气及传热过程是否有相变化等； 2 液体的物理性质：如密度、比热容、粘度及导热系数； 3 液体的流动形态：层流或湍流；

4 液体对流的对流状况：自然对流，强制对流等； 5 传热表面积的形状、位置及大小。

在该实验过程中，空气流量读数时存在误差；进行温度读数时，温度不稳定，使得读数时存在误差；实验是在固定水流量的条件下进行的，但在实验过程中，水流量会出现波动，会对测定结果产生影响。

十．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：壁温接近于蒸气的温度。可推出此次实验中总的传热系数方程为

d2?d211d21???R1????R2? K?1d1d1?dm?2其中K是总的传热系数，α1是空气的传热系数，α2是水蒸气的传热系数，δ是铜管的厚度，λ是铜的导热系数，R1、R2为污垢热阻。因R1、R2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw≈tw，于是可推导出

1T?Tw?2

?1Tw?t?1

显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验，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是将升高呢还是降低？为什么？

答：管内空气流速增大时，空气湍动增加，雷诺数增大，有利于传热膜系数增大。当空气流速增大时，虽然传热膜系数会增大，但空气流量增大的影响较大，在入

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口温度相同时，空气离开热交换器温度会降低。

3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？

答：没有影响。因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数Re、流量qv、传热膜系数α、努塞尔准数Nu等数据上，可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以进行关联。 4.试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。

答：忽略污垢热阻时，热阻计算主要为 ，空气对流传热系数的数量

级为102而蒸汽冷凝传热系数的数量级为104，则空气热阻所占比例约为

，即热阻主要表现为空气热阻。

5.以空气为介质的传热实验中雷诺数Re应如何计算？

答：雷诺数Re=du?/?，流速通过孔板压降以及相应的公式求得。而管径为常数，而空气在不同温度下的粘度和密度，需要通过查表求得几个关键温度下的相应值，并利用内插法求得。内插法的具体过程附录2已给出。 6.本实验可采取哪些措施强化传热？

答：提高空气流速，内管加填充物或换螺纹管。 7.若欲实现计算机在线测控，应如何选传感器及仪表？

答：流量测量采用电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、质量流量计都可以，带一体化表头，也可带模拟量输出配数字显示仪表。压力采用压力变送器配数字显示仪表。

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