传热膜系数测定实验报告 - 图文

北 京 化 工 大 学 化 工 原 理 实 验 报 告

实验名称： 对流给热系数测定实验 班 级： 姓 名：

学 号： 序 号： 同 组 人：

设备型号： 对流给热系数测定实验设备-第X套 实验日期：

对流给热系数测定实验——XXX

一、摘要

选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立水蒸汽—空气传热系统，分别对普通管换热器和强化管换热器进行了对流传热实验研究。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、蒸汽发生器等装置，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。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A和m。

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、实验原理

热量的传递方式有传导、对流、辐射三种。流体流经固体表面的传热包含壁面薄层的热传导和主体的热对流，总称为对流给热。计算对流给热过程的热量Q和热流密度q等，通常需先确定给热系数α。

本实验以间壁式换热器中最简单的套管换热器为研究对象，令壳程走热水蒸汽，管程强制逆流走冷空气，跟据牛顿冷却定律可以测得圆管内空气一侧的给热系数α1。进一步可以将无因次准数Nu，Re，Pr等按经验形式联系起来，并回归其中的参数A,a。根据已知A,a的通用关联式确定给热系数，也可达到一定的精度要求，是当前工程上确定α的重要方法。

牛顿冷却定律： Q???A??tm =?1?A1?(tw,1?t1)?(tw,2?t2) tw,1?t1lntw,2?t2 式中：

α——内表面给热系数，[W/(m2·℃)]； Q——传热量，[W]； A——总传热面积[m22]；

Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]；

t1——进口温度，[℃]；

对流给热系数测定实验——XXX

t2——出口温度，[℃]；

tw,1——壁温，[℃]；

tw,2——壁温，[℃]。

其中传热量 ，可由下式求得：

Q?W?Cp?t2?t1?/3600???V?Cp?t2?t1?/3600

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/m33]； V——流体体积流量，[m33/h]。

通过测量Δp、t1、t2、tw1、tw2，并根据定性温度（t1+t2）/2和设备尺寸计算Cp1、A1，即可确定α1。空气一侧的截面温度变化大于壁和水蒸气侧，测量t1、t2时，温度计要放在管道中心偏上位置且气体湍动程度足够，才能测出空气主体平均温度，否则误差很大。内外表面壁温差别很小，实验中将热电偶温度计焊接在管壁中心，测量出壁面温度tw1、tw2.空气流量通过孔板流量计测得，计算方法如下： 测量点体积流量：

’?4qv，1=0.62?3.14?10?3600?2?P?1000?空气，测量点 m3?h?1 工作点体积流量：qv，1=qv，1?’?空气，测量点3?1 m?h ?空气，工作点

式中：Δp——孔板流量计压降，kpa；

3?1qv，1——空气流量，m?h。

强化传热（增加Q）的方法有增加K、A和Δtm。由于套管换热器内表面热阻1/?1 （?1/102） 远远大于壁阻?/?铜（

?1/104）及外表面热阻1/?2（滴状冷凝且排除不凝气体等干扰，

，因此向套管内加入静态混合器，可以较大提高?1 ，明显增加K，增加热流量?1/104 ）

Q。测量强化后的给热系数?1的方法以及回归参数A’，a’的关联式形式同上。强化Q付出的代价是空气在管内流动的阻力损失增大，由于空气可压缩等原因，总能量损失除考虑机

械能减少外，还应考虑内能的减少等。

’

四、实验装置

对流给热系数测定实验——XXX

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1.25m。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。

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。

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

对流给热系数测定实验——XXX

五、实验操作

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。

注意：

a、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。

b、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。 c、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

六、实验数据记录及处理

本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.25m。

（一）空气强制湍流给热系数

对流给热系数测定实验——XXX

数据

孔板压壁温2 降 tw,2/ΔP℃ 孔板进口出口壁温序频率 气温 气温 1 t1/tw,1/号 /Hz t1/℃ ℃ ℃ 管路压降 ΔP管路/kPa /kPa 测量点表压 p/kPa 测量测量点点密流量 度 3-qv/m?hρ/kg1 -3?m 工作点温度 t/℃ 工作点表压 p/kPa 工作点工作点粘密度 度 μ/Pa?s ρ/kg?-3m 工作点热导率 -1 λ/W?m-1?℃ 工作点比工作点热流量 容 3-qv/m?hcp/J1 ?-1kg?℃-1 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 1002 15.0 17.4 19.2 23.6 27.3 30.4 33.6 38.8 41.4 43.8 50.1 58.1 工作点气速 -u/m?s1 热流量 Q/W 对数平均给热温差 系数 -Δα1/W?m2-1tm/?℃ ℃ Nu Pr Re Nu/Pr4 0.Nu/Pr0.4 标准值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 21.4 59.4 100.4 100.4 0.24 0.41 0.53 21.6 59.5 100.3 100.4 0.32 0.54 0.70 21.9 59.6 100.4 100.4 0.39 0.65 0.85 22.9 59.8 100.3 100.4 0.59 0.94 1.24 23.4 59.6 100.5 100.4 0.79 1.21 1.61 24.2 59.5 100.3 100.3 0.98 1.47 1.96 25.6 59.8 100.3 100.4 1.19 1.76 2.36 27.7 60.2 100.2 100.3 1.59 2.30 3.10 29.1 60.5 100.2 100.3 1.80 2.58 3.48 31.1 61.4 100.2 100.2 2.01 2.85 3.86 35.0 62.9 100.3 100.2 2.61 3.65 4.96 39.0 64.4 100.4 100.2 3.49 4.80 6.55 1.190 1.192 1.192 1.193 1.195 1.196 1.195 1.195 1.194 1.191 1.188 1.191 14.1 16.2 17.9 22.0 25.5 28.4 31.3 36.1 38.5 40.7 46.5 53.7 40.4 0.21 40.6 0.27 40.8 0.33 41.4 0.47 41.5 0.61 41.9 0.74 42.7 0.88 44.0 1.15 44.8 1.29 46.3 1.43 49.0 1.83 51.7 2.40 1.11.918E-015 5 1.11.919E-015 5 1.11.920E-015 5 1.11.923E-014 5 1.11.923E-015 5 1.11.925E-015 5 1.11.929E-014 5 1.11.935E-013 5 1.11.938E-011 5 1.11.945E-008 5 1.11.958E-003 5 1.11.970E-000 5 2.707E-02 2.708E-02 2.710E-02 2.714E-02 2.715E-02 2.718E-02 2.723E-02 2.732E-02 2.738E-02 2.749E-02 2.768E-02 2.786E-02 13.3 15.4 17.0 20.9 24.2 26.9 29.7 34.4 36.6 38.7 44.3 51.4 177.2 204.2 224.3 270.0 306.9 333.4 355.8 390.9 401.6 408.9 428.6 451.7 57.9 57.8 57.6 57.0 57.0 56.6 55.9 54.7 53.9 40.6 46.9 51.7 62.8 71.4 78.1 84.4 94.8 98.8 30.0 34.6 38.1 46.3 52.6 57.5 62.0 69.4 72.2 75.2 82.2 90.7 0.710 0.710 0.710 0.710 0.710 0.710 0.710 0.709 0.709 0.709 0.709 0.708 15454 17846 19696 24196 28018 31189 34288 39514 41943 34.4 39.7 43.7 53.1 60.3 65.9 71.1 79.6 82.8 86.3 94.3 104.1 51.6 57.9 62.7 73.9 83.1 90.6 97.7 109.4 114.8 119.5 131.8 147.5 52.5 103.4 50.0 113.7 47.5 126.3 44099 49878 57376 对流给热系数测定实验——XXX

计算举例（以第一组为例）：

?p孔板0.24+?p管路=+0.41=0.53 kPa 测量点表压：p测量点=22测量点密度：?测量点=测量点流量：

p测量点绝压?M空气RT测量点=（0.53+100）?1000?29?3

=1.190 kg?m8.314?（21.4+273.15）?1000qv测量点?C0A02?p孔板?1000?测量点=0.62?3.14?10-4?2?0.24?1000?3600=14.1m3?h?1

1.190工作点温度：t工作点=t1?t221.4?59.4??40.4 ℃ 22工作点表压：p工作点=?p管路0.41==0.21 kPa 22工作点密度：?工作点=p工作点绝压M空气RT工作点=（0.21+100）?1000?29?3 =1.115 kg?m8.314?（40.4+273.15）?1000工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出 工作点流量：qv工作点?qv测量点?测量点1.19?14.1==15.0 m3?h?1

?工作点1.115153600?0.02215?1.002?103?(59.4?21.4)?177.2 W 3600工作点气速：u?qv工作点?4?d2?4?13.3 m?s?1

热流量：Q?qmcp(t2?t1)?1.115?对数平均温差：

?tm?(TW1?t2)?(TW2?t1)(100.4?0.5?59.4)?(100.4?0.5?21.4)??57.4℃

TW1?t2100.4?0.5?59.4lnln100.4?0.5?21.4TW2?t1给热系数：?1?努赛尔数：Nu=Q177.2??40.9W?m?2?℃-1 ?2A1?tm7.54?10?57.4?1d40.9?0.02??30.2 ?2.707?10?2cp?1.002?103?1.918?10?5??0.71 普朗特数：Pr??2?2.707?10雷诺数：Re=du?工作点?=0.02?13.3?1.115=15454 -51.918?10对流给热系数测定实验——XXX

Nu/Pr0.4?30.2?34.7 ， Nu/Pr0.4理论值?0.023Re0.8=0.023?154540.8=51.6 0.40.712.空气强化传热给热系数实验数据（加入静态混合器）

蒸汽压力：1.00kPa，=0.00kPa，=0.00kPa，A1=7.54?10?2m2,?P?P孔板压降，qv?0管路压降，qv?0壁温=100.3℃，C0=0.62，A0=3.14?10?4m2。

（二）空气强化传热给热系数

对流给热系数测定实验——XXX

原始数据： 进口序频率 气号 /Hz 温 t1/℃ 出口气温 t1/℃ 孔板压壁温2 降 tw,2/ΔP℃ 孔板壁温1 tw,1/℃ 管路压降 ΔP管路/kPa /kPa 测量点表压 p/kPa 测量测量点点密流量 度 3-qv/m?hρ/kg1 -3?m 工作点温度 t/℃ 51.5 51.1 51.0 51.0 51.3 51.7 52.0 52.5 53.0 54.2 56.1 58.0 工作点表压 p/kPa 工作点密工作点粘度 度 ρ/kgμ/Pa?s -3?m 工作点热导率 -1 λ/W?m-1?℃ 工作点比热容 -1cp/J?kg-1?℃ 工作点流量 3-qv/m?h1 工作点气速 -u/m?s1 热流量 Q/W 对数平均给热系温差 数 -2Δα1/W?m?-1tm/℃ ℃ Nu/Pr0.Nu Pr Re Nu/Pr0.4 4 标准值 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 12.02 32.4 70.5 100.4 100.4 0.18 1.23 1.32 31.9 70.3 100.3 100.3 0.32 2.02 2.18 31.6 70.3 100.3 100.3 0.41 2.48 2.69 31.5 70.5 100.4 100.4 0.50 2.94 3.19 31.9 70.6 100.2 100.2 0.68 3.93 4.27 32.6 70.7 100.2 100.1 0.79 4.47 4.87 33.1 70.9 100.2 100.0 0.91 5.13 5.59 33.9 71.0 100.2 100.1 0.98 5.46 5.95 34.7 71.2 100.2 99.8 1.20 6.64 7.24 36.3 72.0 100.2 99.6 1.43 7.87 8.59 38.9 73.3 100.2 99.4 1.61 8.79 9.60 41.8 74.2 100.2 99.6 1.71 9.31 10.17 1.157 1.168 1.175 1.181 1.192 1.196 1.203 1.204 1.215 1.224 1.225 1.220 12.4 16.4 18.5 20.4 23.7 25.5 27.3 28.3 31.1 33.9 35.9 37.1 0.62 1.01 1.24 1.47 1.97 2.24 2.57 2.73 3.32 3.94 4.40 4.66 1.081 1.087 1.090 1.092 1.096 1.098 1.100 1.101 1.105 1.108 1.106 1.102 1.969E-05 1.967E-05 1.967E-05 1.967E-05 1.968E-05 1.970E-05 1.972E-05 1.974E-05 1.976E-05 1.982E-05 1.990E-05 1.999E-05 2.785E-02 2.782E-02 2.782E-02 2.782E-02 2.784E-02 2.786E-02 2.789E-02 2.792E-02 2.796E-02 2.804E-02 2.817E-02 2.830E-02 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 1.002E+03 13.2 17.6 20.0 22.1 25.7 27.8 29.8 30.9 34.2 37.4 39.8 41.1 11.7 15.6 17.7 19.5 22.8 24.6 26.4 27.4 30.3 33.1 35.2 36.3 151.7 204.8 234.4 261.5 304.0 323.1 345.0 351.5 384.5 412.0 421.5 408.3 46.4 46.6 46.7 46.7 46.3 45.9 45.5 45.2 44.5 43.2 41.2 39.6 43.4 58.3 66.6 74.3 87.2 93.5 100.6 103.2 114.6 126.4 135.7 136.7 31.2 41.9 47.9 53.4 62.6 67.1 72.2 74.0 82.0 90.2 96.3 96.6 0.708 0.709 0.709 0.709 0.709 0.708 0.708 0.708 0.708 0.708 0.708 0.708 12849 17235 19571 21669 25368 27364 29425 30513 33886 37024 39132 40074 35.8 44.5 56.3 62.4 67.7 76.8 81.6 86.4 89.0 96.8 103.9 108.6 110.7 48.1 54.9 61.3 71.9 77.0 82.9 84.9 94.1 103.5 110.6 110.9 对流给热系数测定实验——XXX

计算举例（以第一组为例）： 测量点表压：p测量点=?p孔板2+?p管路=0.18+1.23=1.32 kPa 2测量点密度：?测量点=测量点流量：

p测量点绝压?M空气RT测量点=（1.32+100）?1000?29?3

=1.157 kg?m8.314?（32.4+273.15）?1000qv测量点?C0A02?p孔板?1000?测量点=0.62?3.14?10-4?2?0.18?1000?3600=12.4m3?h?1

1.157工作点温度：t工作点=t1?t232.4?70.5??51.5 ℃ 22?p管路2=1.23=0.62 kPa 2工作点表压：p工作点=工作点密度：?工作点=p工作点绝压M空气RT工作点=（0.18+100）?1000?29?3 =1.081 kg?m8.314?（51.5+273.15）?1000工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出 工作点流量：qv工作点?qv测量点?测量点1.157?12.4==13.2 m3?h?1

?工作点1.08113.23600?0.02213.2?1.003?103?(70.5?32.4)?151.8 W 3600工作点气速：u?qv工作点?4?d2?4?11.7 m?s?1

热流量：Q?qmcp(t2?t1)?1.081?对数平均温差：

?tm?(TW1?t2)?(TW2?t1)(100.4?0.5?70.5)?(100.4?0.5?32.4)??45.8℃

T?t100.4?0.5?70.5lnlnW12100.4?0.5?32.4TW2?t1Q151.8??43.9W?m?2?℃-1 ?2A1?tm7.54?10?45.8给热系数：?1?努赛尔数：Nu=?1d43.9?0.02??31.5 ?2?2.785?10cp?1.003?103?1.969?10?5??0.709 普朗特数：Pr??2.785?10?2

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