传热膜系数的测定

传热膜系数的测定一、实验目的1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法，并分析影响α的因素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；用图解法和线性回归法对的实验数据进行处理，求关联式中的常数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′中常数B、m的值和强化,了解强化传热的基本理论和基本方式。4、通过测定5~6个不同流速下套管换热器的管内压降。并在同一坐标系下绘制普通管与强化管的关系曲线。比较实验结果5、学会测温电偶的工作原理、使用方法。二、基本原理(1)套管式传热膜系数的测定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：对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故本实验中，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：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：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。其准数定义式分别为：雷诺数，努塞尔数，普兰特数；式中——换热器内管内径，m；——空气传热膜系数，⁄；——空气的热导率，⁄；——空气定压比热容，⁄；——空气的粘度，。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。因为空气传热膜系数远小于蒸汽传热膜系数，所以传热管的对流传热系数约等于冷流体间的总传热系数K,即≈K,则有牛顿冷却定律：式中：A——总传热面积m2（内管内表面积）。——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃；其中，T——蒸汽侧温度，可近似用外壁面平均温度表示。传热量Q可由下式求得：⁄式中W——空气质量流量，⁄；——空气定压比热容，⁄；，——空气进出口温度，；——流体体积流量，⁄；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的关系为式中Δp——孔板流量计压降，kPa。(2)管内强化传热系数的测定强化传热技术被学术界称为第二代传热技术，它能减少设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有的穿热气的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减小换热器的阻力以减小换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法很多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋形麻花铁的方法来强化传热的。在近壁区域，流体一面由于螺旋形麻花铁的作用而发生旋转，一面还周期性地收到螺旋形金属的扰动，因而可以使传热强化。强化传热时′，其中B、m的值因螺旋形麻花铁的尺寸不同而不同。同样可以用线性回归方法确定B、m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为准则，即强化管的努塞尔数′与普通管的努塞尔数之比。显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。三、实验装置与流程1、实验装置2、流程说明本装置流程如图所示。空气走内管，蒸汽走环隙。内管为黄铜管，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器内管，并与套管环隙中蒸汽换热。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。蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管的冷空气换热后冷凝，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。在铜管之前设有一定长度的稳定段，是为消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。3、装置及控制点参数装置参数序号名称规格备注01内管内径0.02m，l=1.25m黄铜材质02强化内管内插物麻花铁厚4mm;麻花间距H=12.5mm,共6节不锈钢材质03蒸汽发生器加热功率为1.5kW不锈钢材质04XGB-12型漩涡气泵,电机功率500W05孔板流量计0~20kPa控制参数序号名称传感元件备注1孔板压差压阻式压力传感器ASCOM5320测量范围0~20kPa2入口温度Pt100置于进出口中心3出口温度Pt1004水蒸气入口壁温Pt1005水蒸气出口壁温K型电热偶四、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，液位过高，i溢出进入蒸汽套管；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，并接通蒸汽发生器的加热电源，约10min，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，为保证湍流状态，孔板压差读书不应从0开始，最低不应小于0.1KPa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。6、将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据，切记每改变一个流量后，应等到读书稳定后再测取数据，改变空气流量（8～10次），重复实验，记录数据。（注意：第一个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，进行强化套管换热器的实验，测定8~10组实验数据。9、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，过5min后再停风机，并将旁路阀全开，清理现场。10、切断总电源。五、实验数据与处理1、直管传热a.原始数据序号空气入口温度空气出口壁温1壁温2孔板压降温度/(KPa)139.569.199.9100.13.02240.369.699.91002.64341.170.599.9100.12.4644271.399.91002.22542.871.899.91002.04645.472.499.9100.11.91744.172.8100100.11.71845.174.299.8100.21.45945.374.599.9100.21.091044.874.699.9100.10.761144.67599.9100.10.51242.974.3100.1100.20.31341.573.4100.1100.30.26b.处理后的数据序号对数平温度/℃⁄传热量Q/Wα⁄ReNu144.0847.59430.573.46124.444607387.14100.66243.3744.26395.563.40116.184269181.2293.84342.5442.60381.063.34114.104089879.6191.98441.6140.30358.353.27109.723850976.3988.27540.9638.50338.173.22105.163665773.1084.48639.6037.16302.353.1197.263506067.3577.85739.9135.00303.183.1396.783311167.0977.54838.5932.02280.163.0392.493008663.9373.90938.3527.45240.793.0179.982575355.2563.861038.4222.59202.383.0267.112122046.3853.611138.2318.02164.623.0054.851691637.9043.811239.5013.68129.533.1041.771292528.9433.451340.7112.66122.243.2038.251204126.5830.722、强化传热a.原始数据序号空气入口温度空气出口温度壁温1壁温2孔板压降/(KPa)252.583.9100.1100.21.5435284100.1100.11.41451.884.1100100.11.3551.984.499.9100.21.11651.784.9100100.20.91751.885.1100.1100.20.76851.385.2100.1100.20.62950.785.4100.1100.30.461047.984.3100.2100.20.351146.582.7100.3100.40.26b.处理后的数据序号对数平温度/℃⁄传热量Q/Wα⁄ReNu129.1034.00282.942.28123.872951983.8196.98229.2133.08295.352.29128.822877987.24100.94329.2431.54287.182.30125.122747184.7798.08429.2030.19277.472.29121.052629982.0294.91528.9827.72256.202.27112.632412176.2888.26628.7124.90234.982.25104.282165070.6081.69728.5522.59213.752.2495.361962764.5474.68828.6520.24195.062.2586.731760358.7267.95928.7817.23170.052.2675.261499950.9858.991030.5714.86154.832.4064.521308143.9150.791132.4712.66131.752.5551.681123435.3040.833、计算。以第一数据为例来计算。对数平均温度=空气流量⁄传热量=1.078×1000×47.59×1.02×(69.1-39.5)=430.57W传热膜系数α==⁄努赛尔准数=雷诺数==46073==100.66六、讨论与分析对lnRe作图9.29.610.010.410.83.23.64.04.44.8普通传热强化传热lnNu/Pr0.4lnRe普通传热，=0.8705lnRe-4.7168，强化传热，0.9262lnRe-4.8650，从图中可以看出，不管传热是否被强化，lnNu/Pr0.4～lnRe关系曲线的线性都非常好，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（在强制对流即忽略Gr影响时）的准确性是很好的。由拟合的公式进行转换可以得到普通传热：强化传热：从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加麻花铁后的Nu/Pr0.4值比未加麻花铁时的大，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。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。七、思考题1、将实验得到的半经验特征数关联式和公认的关联式比较，分析造成偏差的原因。答：（1）实验时观察壁上有较多冷凝液，甚至形成液膜，会使给热系数大大降低。（2）近似以α代替总传热系数K，即令，与实际不符。（3）经观察，出口温度始终缓慢上升，读取数据过快，往往无法达到准确值。2、本实验中管壁温度应接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：由于Tw=T-Q/(Aα),可以看出壁温会接近于α大的一侧温度。而水蒸气膜状冷凝的对流给热系数比空气的强制对流给热系数大数十倍，所以管壁温度更接近于蒸汽温度。从实验结果也可看出。