传热实验ws

姓名：吴森实验日期2015年7月20日班级：应化11301序号20周次11星期三指导老师吴老师传热膜系数的测定一、实验目的及任务1.通过实验掌握传热膜系数的测定方法，并分析影响的因素。2.掌握确定传热膜系数特征数关联式中的A和指数m、n的方法；用图解法和线性回归法对i的实验数据进行整理，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。3.通过对管程内部插有螺旋形麻花铁的空气水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其特征数关联式Nu’=BRem中常数B、m的值和强化比Nu’/Nu，了解强化传热基本理论和基本方式。4..测定5~6个不同流速下套管换热器的管内压降pΔ。并在同一坐标系下绘制普通管ΔP1~Nu与强化管ΔP2~Nu的关系曲线。比较实验结果。5.学会测温热电偶的工作原理和使用方法。二、基本原理1.套管式换热膜系数的测定对流传热的核心问题是求传热膜系数，当流体无相变化时对流传热特征数关联式一般形式为：Nu=ARemPrnGrp……①对强制湍流，Gr数可以忽略，Nu=ARemPrn。……②本实验中可以使用图解法和最小二乘法两种方法计算特征数关联式中的指数m、n和系数A。用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同的变量Re和Pr分别回归。为了便于掌握这类方程的关联方法，可以取n=0.4（本实验中流体被加热）。这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：RemAPrNulglg0.4lg……③在双对数坐标系中作图，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得到系数A，即：mRePrNuA0.4……④用图解法根据实验点确定直线位置，有一定的人为因性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳的关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n，可以看出对方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。雷诺数：μduρRe努塞尔数：λdαNu1普兰特数：λμpcPr式中d换热器内管内经，m1空气传热膜系数，W/m2℃空气密度，kg/m3空气导热率，W/m℃空气粘度，J/kg℃pc空气定压比热容，Pas实验中改变空气流量以改变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，进而计算得到Nu。因为空气传热膜系数1远小于蒸汽传热膜系数2，所以传热管内的对流传热系数1约等于冷热流体间总传热系数K，即K1，则有：牛顿冷却定律：Q=1AΔtm=1dlΔtm……⑤式中A总传热面积，m2（内管内表面积）Δtm管内外流体的平均温差，℃2Δ1Δln12Δttttmt……⑥式中：11ΔtTt,22ΔtTtT蒸汽侧的温度，可以近似用传热管的外壁面平均温度Tw（℃）表示。传热量Q可以由下式求得：3600)12(3600)12(/ttpcsρV/ttpWcQ……⑦式中W空气流量质量，kg/hpc空气定压比热容，J/kg℃12t,t空气进出口温度，℃ρ定性温度下空气密度，kg/m3sV流体体积流量，m3/h孔板体积流量由孔板流量计测得，其流量sV与孔板流量计压降pΔ的关系为：0.5426.2ΔpsV……⑧式中pΔ为孔板流量计压降。2.管内强化传热系数的测定强化传热时Nu’=BRem，其中B、m的值因为螺旋麻花铁的尺寸不同而不同。同样可以用线性回归分析方法确定B、m的值。单纯研究强化传热手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔系数Nu’与普通管的努塞尔系数Nu的比。显然，强化比Nu’/Nu1，而且比值越大，强化效果越好。三、实验装置与流程1、实验装置图套管式换热实验装置和流程2、流程说明本装置实验图如上图所示。空气走内管，蒸汽走环隙（比例管）。内管为黄铜管，冷空气由风机输送管，经过孔板流量计计量后，进入换热管E01（02）内管，并与套管环隙蒸汽换热。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M01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。放空阀门用于排放不凝性气体。在铜管之前设置有一段一定长度的稳定段，是为了消除端效应。铜管两端用塑料管与官路相连，用于消除热效应。3、装置及控制点参数表1传热装置及控制点参数序号名称规格备注1内管内径0.02m，l=1.25m（有效长度）黄铜材质装置参数2强化内管内插物麻花铁厚δ=4mm麻花间距H=12.5mm（共6节）不锈钢材质3蒸汽发生器加热功率1.5kW不锈钢材质4XGB-12型漩涡气泵Pmax=17.50kPa电机功率500W5孔板流量计0~20kPa0.5426.2ΔpsV序号名称传感元件备注ΔPI01孔板压差压阻式传感器ASCOM5320测量范围0~20kPa控制参数TI02入口温度Pt100置于进、出管的中心TI03出口温度Pt100TI041#壁温Pt100TI052#壁温K型热电偶四、操作步骤1、实验开始前，先弄清楚配电箱上各个按钮与设备的对应的关系，以便于正确开启按钮。2、检查蒸汽发生器中的水位，务必使蒸汽发生器中的液位保持在（1/2）~（2/3）的高度，液位过高，则水会益入蒸汽套管，液位过低，则可能烧毁加热器。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，接通蒸汽发生器的加热电源，约10min后，启动风机，并打开放气阀。5、调节空气流量时，要做到心中有数，为了保证湍流状态，孔板压差读数不应该从0开始，最低不小于0.1kPa。实验中合理取点，以保证数据点均匀。6、将空气流量控制在某一值，待议标读数稳定后，记录数据。切记没每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取相应数据，改变空气流量（8到10次），重复实验，记录数据。（注意：第一个数据点必须稳定足够长的时间）。7、最小最大流量值一定要做。8、转换内容，进行强化管换热实验，测定8~10组实验数据。9、实验结束后，先关闭蒸汽发生器电源，过5min后关闭风机，并且将旁路阀们打开，清理现场。切断总电源。五、实验数据记录与处理1.实验原始数据表和数据结果表表2实验原始数据记录表普通传热强化传热序号空气平均温度t/℃对数平均温度Δtm/℃壁温Tw1/℃壁温Tw2/℃孔板压降kPa空气平均温度t1/℃对数平均温度t2/℃壁温Tw1/℃壁温Tw2/℃孔板压降kPa123456789100.511.522.533.544.5598.998.1297.1496.0895.2294.2893.4292.4191.6190.899.799.999.999.999.910099.899.9100.1100.199.9100.1100.1100100.1100.1100.2100.1100.2100.33.443.022.462.221.911.711.450.760.30.265.566.577.588.599.51089.7288.9487.9887.1986.3585.5284.7183.9983.1382.34100100.1100.199.9100100100.1100.1100.2100.2100.1100.2100.1100.2100.2100.2100.2100.3100.2100.21.621.541.411.110.910.760.620.460.350.26以表2普通传热的第一组数据为例做计算.定性温度：t=(40.4+64.6)/2=52.5℃空气密度：ρ=1.094kg/m3空气粘度：μ=1.9610-5Pa.s空气热导率λ=2.82810-2W/m.℃空气定压比热容：=1017J/kg˙℃体积流量：VS=26.2Δp0.54=26.20.540.54=18.7843m3/h空气进出口温差：t2-t1=64.6-40.4=24.2℃由3600)12(3600)12(/ttpcsρV/ttpWcQQ==154.744由Q=1AΔtm=1dlΔtm管内直径d=0.02m管有效长度l=1.25mΔt1=Tw2-t1=100.6-40.4=60.2℃Δt2=Tw1-t2=101.0-64.6=36.4℃Δtm===48.1014℃传热膜系数：α==41.506u=VS/A==16.6173(m/s)雷诺数：Re===18550.389努赛尔数：Nu===29.470普兰特数：Pr===0.705表3实验数据结果记记录表普通传热强化传热序号QαReNuPrQαReNuPr12345678910465.38444.67381.85359.29326.89304.08281.12200.49125.53103.69139.897142.529126.337121.159113.238106.555101.21872.00443.57534.06651607.847978.540449.438189.735104.932996.430085.320952.912450.211491.499.007100.87087.25083.67378.20373.58869.90249.72630.09323.5260.70540.70540.70590.70590.70590.70590.70590.70590.70590.7059103.69103.69103.69103.69103.69103.69103.69103.69103.69103.6934.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06634.06630.09330.09330.09330.09330.09330.09330.09330.09330.09330.0930.70630.70630.70630.70630.70630.70630.70630.70630.70630.70632.以Re为横坐标，Nu/Pr0.4为纵坐标，标会双对数坐标图1普通传热lg(Nu/Pr0.4)~lgRe关系图由图可以得到:LgNu/Pr^0.4=0.9438LgRe-2.3475E^-2.3475=0.0956所以:Nu=0.0956Pr^0.4Re^0.9438图2强化传热lg(Nu/Pr0.4)~lgRe关系图图2的直线关系为y=0.8942x-1.563,所以m=0.8942,lgA=-1.563,则A=0.02735Nu=0.02735Pr0.4Re0.89423.在同一坐标系下绘制普通管和强化管Δp~Nu的关系曲线y=0.9438x-2.3475R2=0.98400.511.522.544.24.44.64.8lgReLgNu/Pr^0.4LgNu/Pr^0.4线性(LgNu/Pr^0.4)图3普通管和强化管Δp~Nu的关系LgNu/Pr^0.4=0.6434LgRe-1.0119E^-1.0119=0.3635所以:Nu=0.3635Pr^0.4Re^0.6436六、思考题1.将实验得到的半经验特征数关联式和工人公式进行比较，分析造成偏差的原因。答:壁温接近于蒸汽温度。可以推出此次实验中总的传热系数方程为222211211111αRddλδddRddαKm其中，K是总的传热系数，1是空气的传热系数，2是水蒸汽的传热系数，是铜管的厚度，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，可以忽略不计，则可以推导出1211ααttTTww，显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对此实验，可知壁温接近水蒸汽温度。2.本实验中管壁温度应该接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数（蒸汽）（空气）3.管内空气流动速度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升高y=0.6434x-1.011