传热膜系数测定实验报告北京化工大学化工原理实验

1传热膜系数测定摘要：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、分别对普通管换热器和强化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。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。一、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。二、基本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：pnmGrANuPrRe（1）对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故nmANuPrRe（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：RelglgPrlg4.0mANu（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：mNuARePr4.0（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2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：duRe,CpPr,dNu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：mtAQ（5）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：3600/3600/1212ttCVttCWQpp（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]；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0.5426.2sVp（7）式中Δp——孔板流量计压降，kPa；Vs——空气流量，m3/h。三、装置说明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1.25m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热3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。4四、操作流程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。五、实验数据处理本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.25m。原始数据：序号空气进口温度1t℃空气出口温度2t℃进口壁温T1（℃）出口壁温T2（℃）孔板压降Δp（kPa）130.2059.60100.1099.803.81231.1060.50100.1099.903.43331.9061.80100.30100.303.03432.3062.60100.50100.402.69532.4063.40100.40100.402.22632.5064.00100.40100.501.89732.4064.60100.40100.501.47832.0065.40100.40100.601.05931.6066.30100.40100.700.671031.0066.80100.40100.900.20表1.传热膜系数实验原始数据序号定性温度t（℃）密度ρ（kg/m3）黏度μ（μPa·s）比定压热容Cp（J·kg-1·K-1）导热系数λ（W·m·K-1）体积流量qv（m3·h-1）质量流量qm（kg·h-1）144.901.158319.388910050.027953.9562.49245.801.162419.384210050.027950.9859.255346.851.159419.433610050.028047.6755.27447.451.157919.461910050.028044.7151.77547.901.157519.483010050.028140.3046.65648.251.157119.499510050.028136.9542.75748.501.157519.511310050.028132.2637.34848.701.159019.520710050.028126.9031.18948.951.160519.532510050.028221.1024.491049.901.162819.577210050.028210.9912.77表2.传热膜系数试验参数以第8组数据为例，计算如下：空气定性温度t=（t1+t2）/2=（35+65.4）/2=48.70℃密度ρ=8.845×10-6×t12-4.326×10-3×t1+1.2884=8.845×10-6×322-4.326×10-3×32+1.2884=1.1590kg/m3黏度μ=（0.047078×t+17.228）×10-6=（0.047078×48.70+17.228）×10-6=1.95207×10-5=19.5207μPa·s比定压热容Cp=1005J·kg-1·K-1导热系数=7.6818×10-5×t+0.024395=7.6818×10-5×48.70+0.024395=0.0281W·m·K-1体积流量qv=26.2Δp0.54=26.2×1.050.54=26.90m3·h-1质量流量qm=qv×ρ=26.90×1.159031.18=31.18kg·h-1序号对数平均温差Δtm（℃）传热量Q/W传热膜系数α（w·m-2·℃-1）雷诺准数Re普朗特准数Pr努赛尔准数Nu𝑁uPr0.4153.03478.0114.8570240.697982.395.0252.95486.3117.0540840.697983.896.8352.03461.4113.0503220.697780.793.2451.58437.9108.2470600.697577.189.1550.94403.7101.0423650.697471.983.1650.52376.094.8387930.697467.577.9750.19335.785.2338610.697360.670.0849.85290.774.3282580.697352.861.06949.44237.361.1221860.697243.450.21048.05134.835.7115450.697025.329.3表3.准数处理表以第8组数据为例计算：对数平均温差Δtm=𝑡1−𝑡2ln𝑇1−𝑡1𝑇1−𝑡2=65.40−32.00𝑙𝑛100.4−32.00100.4−65.40=49.85℃传热量Q=qmCp（t2-t1）/3600=31.18×1005×（65.40-32.00）/3600=290.7W传热膜系数α=Q/(A·Δtm)A=πdl=3.14×0.02×1.25=0.0785=290.7/（0.0785×49.85）=74.3w·m-2·℃-1雷诺准数Re=4×qmπdμ=4×31.183600×3.14×0.02×19.5207×10−6=28260普朗特准数Pr=Cpμλ=1005×19.5207×10−60.0281=0.6982努赛尔准数Nu=αdλ=74.3×0.020.0281=52.9𝑁uPr0.4=52.90.69820.4=61.1图2.𝑁uPr0.4~Re关系曲线六、结果讨论：（1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr0.4～Re关系曲线的线性都非y=0.0217x0.773310.0100.01000.0100001000007常好，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（在强制对流即忽略Gr影响时）的准确性是很好的。（2）从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，因为Pr和热导率λ在实验条件下变化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器强化传热后，传热膜系数α变大。说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。（3）实验中加入混合器后，空气的出口温度明显变高，但孔板压降则迅速降低，说明实验中，传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。由uRePrmnNA及RelglgPrlg4.0mANu可知，直线斜率即为雷诺数Re的指数，而截距即为lgA,m=0.7733,A=0.0217,经对数处理得α=0.0217𝜆𝑑Re0.7733Pr0.4，与公认的关联式0.80.40.023RePrd有一点偏差。七、误差分析系统误差，人为操作所造成的误差，在数据处理过程中有效值得取舍带来的误差等等。八、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222121112111RRmdddKddd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2111wwTTTt显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧