傳熱膜系數(shù)測定實驗報告

1、對流給熱系數(shù)測定實驗XXX北 京 化 工 大 學化 工 原 理 實 驗 報 告實驗名稱： 對流給熱系數(shù)測定實驗班 級： 姓 名： 學 號： 序 號： 同 組 人： 設(shè)備型號： 對流給熱系數(shù)測定實驗設(shè)備-第X套實驗日期： 一、摘要選用牛頓冷卻定律作為對流傳熱實驗的測試原理,通過建立水蒸汽空氣傳熱系統(tǒng)，分別對普通管換熱器和強化管換熱器進行了對流傳熱實驗研究。確定了在相應(yīng)條件下冷流體對流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。此實驗方法可測出蒸汽冷凝膜系數(shù)和管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。本實驗采用由風機、孔板流量計、蒸汽發(fā)生器等裝置，空氣走內(nèi)管、蒸汽走環(huán)隙，用計算機在線采集與控制系統(tǒng)測量了孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫，計算傳熱膜

2、系數(shù)，并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m（n取0.4），得到了半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。實驗還通過在內(nèi)管中加入混合器的辦法強化了傳熱，并重新測定了、A和m。二、實驗?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)及傳熱系數(shù)K的測定方法；2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；3、通過實驗提高對準數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響的因素，了解工程上強化傳熱的措施。三、實驗原理熱量的傳遞方式有傳導、對流、輻射三種。流體流經(jīng)固體表面的傳熱包含壁面薄層的熱傳導和主體的熱對流，總稱為對流給熱。計算對流給熱過程的熱量Q和熱流密度q等，通常需先確定給熱系數(shù)。本實驗以間壁式換熱器中最簡單的套管換熱器為研究

3、對象，令殼程走熱水蒸汽，管程強制逆流走冷空氣，跟據(jù)牛頓冷卻定律可以測得圓管內(nèi)空氣一側(cè)的給熱系數(shù)1。進一步可以將無因次準數(shù)Nu，Re，Pr等按經(jīng)驗形式聯(lián)系起來，并回歸其中的參數(shù)A,a。根據(jù)已知A,a的通用關(guān)聯(lián)式確定給熱系數(shù)，也可達到一定的精度要求，是當前工程上確定的重要方法。牛頓冷卻定律： = 式中： 內(nèi)表面給熱系數(shù)，W/(m²·)； Q傳熱量，W； A總傳熱面積m2²； tm管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，；進口溫度，；出口溫度，； 壁溫，；壁溫，。其中傳熱量 ，可由下式求得： 式中： W質(zhì)量流量，kg/h； Cp流體定壓比熱，J/(kg·)； t

4、1、t2流體進、出口溫度； 定性溫度下流體密度，kg/m3³； V流體體積流量，m3³/h。通過測量p、t1、t2、tw1、tw2，并根據(jù)定性溫度（t1+t2）/2和設(shè)備尺寸計算Cp1、A1，即可確定1?？諝庖粋?cè)的截面溫度變化大于壁和水蒸氣側(cè)，測量t1、t2時，溫度計要放在管道中心偏上位置且氣體湍動程度足夠，才能測出空氣主體平均溫度，否則誤差很大。內(nèi)外表面壁溫差別很小，實驗中將熱電偶溫度計焊接在管壁中心，測量出壁面溫度tw1、tw2.空氣流量通過孔板流量計測得，計算方法如下：測量點體積流量：工作點體積流量：式中：p孔板流量計壓降，kpa；空氣流量，。強化傳熱（增加Q）的方法

5、有增加K、A和tm。由于套管換熱器內(nèi)表面熱阻 （）遠遠大于壁阻（）及外表面熱阻（滴狀冷凝且排除不凝氣體等干擾， ），因此向套管內(nèi)加入靜態(tài)混合器，可以較大提高 ，明顯增加K，增加熱流量Q。測量強化后的給熱系數(shù)的方法以及回歸參數(shù)A，a的關(guān)聯(lián)式形式同上。強化Q付出的代價是空氣在管內(nèi)流動的阻力損失增大，由于空氣可壓縮等原因，總能量損失除考慮機械能減少外，還應(yīng)考慮內(nèi)能的減少等。四、實驗裝置本實驗空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。空氣進、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100）和熱電偶測得。測量空氣進出口溫度的鉑電阻應(yīng)置于進出管的中心。測得管壁溫

6、度用一支鉑電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端?？装辶髁坑嫷膲翰钣蓧翰顐鞲衅鳒y得。實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kw。風機采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kpa，最大流量100m3/h。2、采集系統(tǒng)說明（1）壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為020kpa。（2）顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表直接讀取，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程如下圖所示，冷空氣由風機輸送，經(jīng)孔板流量計計量后，進入換熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水

7、蒸氣換熱，空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進入套管環(huán)隙，與內(nèi)管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器，用于消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。圖1 套管式換熱實驗裝置和流程1、風機； 2、孔板流量計； 3、空氣流量調(diào)節(jié)閥； 4、空氣入口測溫點； 5、空氣出口測溫點； 6、水蒸氣入口壁溫； 7、水蒸氣出口壁溫； 8、不凝氣體放空閥； 9、冷凝水回流管； 10、蒸氣發(fā)生器； 11、補水漏斗； 12、補水閥； 13、排水閥五、實驗操作1、實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位

8、，使其保持在水罐高度的1/22/3。3、打開總電源開關(guān)（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實驗開始時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補水閥，啟動風機，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，打開放氣閥。5、將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量（810次），重復實驗，記錄數(shù)據(jù)。6、實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風機，清理現(xiàn)場。注意：a、實驗前，務(wù)必使蒸汽發(fā)生器液位合適，液位過高，則水會溢入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。b、調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀數(shù)不應(yīng)從0開始，最低不小于0.1kpa。實驗中要合理取點，以保證數(shù)據(jù)點均勻。c、切記每改變一個流量后，

9、應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。六、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理本實驗內(nèi)管內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。（一）空氣強制湍流給熱系數(shù)數(shù)據(jù)序號頻率/Hz進口氣溫t1/出口氣溫t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa測量點表壓p/kPa測量點密度/kgm-3測量點流量qv/m3h-1工作點溫度t/工作點表壓p/kPa工作點密度/kgm-3工作點粘度/Pas工作點熱導率 /Wm-1-1工作點比熱容 cp/Jkg-1-1工作點流量qv/m3h-1工作點氣速u/ms-1熱流量Q/W對數(shù)平均溫差tm/給熱系數(shù)1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4

10、標準值112.02 21.4 59.4 100.4 100.4 0.24 0.41 0.53 1.190 14.1 40.4 0.21 1.115 1.918E-052.707E-02100215.0 13.3 177.2 57.9 40.6 30.0 0.710 15454 34.4 51.6 212.02 21.6 59.5 100.3 100.4 0.32 0.54 0.70 1.192 16.2 40.6 0.27 1.115 1.919E-052.708E-02100217.4 15.4 204.2 57.8 46.9 34.6 0.710 17846 39.7 57.9 312.0

11、2 21.9 59.6 100.4 100.4 0.39 0.65 0.85 1.192 17.9 40.8 0.33 1.115 1.920E-052.710E-02100219.2 17.0 224.3 57.6 51.7 38.1 0.710 19696 43.7 62.7 412.02 22.9 59.8 100.3 100.4 0.59 0.94 1.24 1.193 22.0 41.4 0.47 1.114 1.923E-052.714E-02100223.6 20.9 270.0 57.0 62.8 46.3 0.710 24196 53.1 73.9 512.02 23.4 5

12、9.6 100.5 100.4 0.79 1.21 1.61 1.195 25.5 41.5 0.61 1.115 1.923E-052.715E-02100227.3 24.2 306.9 57.0 71.4 52.6 0.710 28018 60.3 83.1 612.02 24.2 59.5 100.3 100.3 0.98 1.47 1.96 1.196 28.4 41.9 0.74 1.115 1.925E-052.718E-02100230.4 26.9 333.4 56.6 78.1 57.5 0.710 31189 65.9 90.6 712.02 25.6 59.8 100.

13、3 100.4 1.19 1.76 2.36 1.195 31.3 42.7 0.88 1.114 1.929E-052.723E-02100233.6 29.7 355.8 55.9 84.4 62.0 0.710 34288 71.1 97.7 812.02 27.7 60.2 100.2 100.3 1.59 2.30 3.10 1.195 36.1 44.0 1.15 1.113 1.935E-052.732E-02100238.8 34.4 390.9 54.7 94.8 69.4 0.709 39514 79.6 109.4 912.02 29.1 60.5 100.2 100.3

14、 1.80 2.58 3.48 1.194 38.5 44.8 1.29 1.111 1.938E-052.738E-02100241.4 36.6 401.6 53.9 98.8 72.2 0.709 41943 82.8 114.8 1012.02 31.1 61.4 100.2 100.2 2.01 2.85 3.86 1.191 40.7 46.3 1.43 1.108 1.945E-052.749E-02100243.8 38.7 408.9 52.5 103.4 75.2 0.709 44099 86.3 119.5 1112.02 35.0 62.9 100.3 100.2 2.

15、61 3.65 4.96 1.188 46.5 49.0 1.83 1.103 1.958E-052.768E-02100250.1 44.3 428.6 50.0 113.7 82.2 0.709 49878 94.3 131.8 1212.02 39.0 64.4 100.4 100.2 3.49 4.80 6.55 1.191 53.7 51.7 2.40 1.100 1.970E-052.786E-02100258.1 51.4 451.7 47.5 126.3 90.7 0.708 57376 104.1 147.5 計算舉例（以第一組為例）：測量點表壓： kPa測量點密度： 測量點

16、流量：工作點溫度： 工作點表壓： kPa工作點密度： 工作點粘度、熱導率、比熱容均由純物質(zhì)化學性質(zhì)查詢軟件查出工作點流量： 工作點氣速： 熱流量： W對數(shù)平均溫差：給熱系數(shù)：努賽爾數(shù)：普朗特數(shù)：雷諾數(shù)： ， 2.空氣強化傳熱給熱系數(shù)實驗數(shù)據(jù)（加入靜態(tài)混合器）蒸汽壓力：1.00kPa，=0.00kPa，=0.00kPa，=,壁溫=100.3，=0.62，=。（二）空氣強化傳熱給熱系數(shù)原始數(shù)據(jù)：序號頻率/Hz進口氣溫t1/出口氣溫t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa測量點表壓p/kPa測量點密度/kgm-3測量點流量qv/m3h-1工作點溫度t/工作點

17、表壓p/kPa工作點密度/kgm-3工作點粘度/Pas工作點熱導率 /Wm-1-1工作點比熱容 cp/Jkg-1-1工作點流量qv/m3h-1工作點氣速u/ms-1熱流量Q/W對數(shù)平均溫差tm/給熱系數(shù)1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4標準值112.02 32.4 70.5 100.4 100.4 0.18 1.23 1.32 1.157 12.4 51.5 0.62 1.081 1.969E-052.785E-021.002E+0313.2 11.7 151.7 46.4 43.4 31.2 0.708 12849 35.8 44.5 212.02 31.9 70.

18、3 100.3 100.3 0.32 2.02 2.18 1.168 16.4 51.1 1.01 1.087 1.967E-052.782E-021.002E+0317.6 15.6 204.8 46.6 58.3 41.9 0.709 17235 48.1 56.3 312.02 31.6 70.3 100.3 100.3 0.41 2.48 2.69 1.175 18.5 51.0 1.24 1.090 1.967E-052.782E-021.002E+0320.0 17.7 234.4 46.7 66.6 47.9 0.709 19571 54.9 62.4 412.02 31.5 7

19、0.5 100.4 100.4 0.50 2.94 3.19 1.181 20.4 51.0 1.47 1.092 1.967E-052.782E-021.002E+0322.1 19.5 261.5 46.7 74.3 53.4 0.709 21669 61.3 67.7 512.02 31.9 70.6 100.2 100.2 0.68 3.93 4.27 1.192 23.7 51.3 1.97 1.096 1.968E-052.784E-021.002E+0325.7 22.8 304.0 46.3 87.2 62.6 0.709 25368 71.9 76.8 612.02 32.6

20、 70.7 100.2 100.1 0.79 4.47 4.87 1.196 25.5 51.7 2.24 1.098 1.970E-052.786E-021.002E+0327.8 24.6 323.1 45.9 93.5 67.1 0.708 27364 77.0 81.6 712.02 33.1 70.9 100.2 100.0 0.91 5.13 5.59 1.203 27.3 52.0 2.57 1.100 1.972E-052.789E-021.002E+0329.8 26.4 345.0 45.5 100.6 72.2 0.708 29425 82.9 86.4 812.02 3

21、3.9 71.0 100.2 100.1 0.98 5.46 5.95 1.204 28.3 52.5 2.73 1.101 1.974E-052.792E-021.002E+0330.9 27.4 351.5 45.2 103.2 74.0 0.708 30513 84.9 89.0 912.02 34.7 71.2 100.2 99.8 1.20 6.64 7.24 1.215 31.1 53.0 3.32 1.105 1.976E-052.796E-021.002E+0334.2 30.3 384.5 44.5 114.6 82.0 0.708 33886 94.1 96.8 1012.

22、02 36.3 72.0 100.2 99.6 1.43 7.87 8.59 1.224 33.9 54.2 3.94 1.108 1.982E-052.804E-021.002E+0337.4 33.1 412.0 43.2 126.4 90.2 0.708 37024 103.5 103.9 1112.02 38.9 73.3 100.2 99.4 1.61 8.79 9.60 1.225 35.9 56.1 4.40 1.106 1.990E-052.817E-021.002E+0339.8 35.2 421.5 41.2 135.7 96.3 0.708 39132 110.6 108

23、.6 1212.02 41.8 74.2 100.2 99.6 1.71 9.31 10.17 1.220 37.1 58.0 4.66 1.102 1.999E-052.830E-021.002E+0341.1 36.3 408.3 39.6 136.7 96.6 0.708 40074 110.9 110.7 計算舉例（以第一組為例）：測量點表壓： kPa測量點密度： 測量點流量：工作點溫度： 工作點表壓： kPa工作點密度： 工作點粘度、熱導率、比熱容均由純物質(zhì)化學性質(zhì)查詢軟件查出工作點流量： 工作點氣速： 熱流量： W對數(shù)平均溫差：給熱系數(shù)：努賽爾數(shù)：普朗特數(shù)：雷諾數(shù)： ， 由以上數(shù)據(jù)

24、可作出Nu/Pr0.4 與Re關(guān)系圖，如下： 實驗結(jié)果討論（1）從圖中可以看出，不管傳熱是否被強化，Nu/Pr0.4Re關(guān)系曲線的線性都非常好，說明當流體無相變時，用量綱分析法推導出的對流傳熱準數(shù)關(guān)系式Nu=ARemPrn（在強制對流即忽略Gr影響時）的準確性是很好的。（2）從圖中可以看出，在相同的雷諾數(shù)下，加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器時的大，因為Pr和熱導率在實驗條件下變化很小，由Nu=d/知，加混合器強化傳熱后，傳熱膜系數(shù)變大。說明增大加熱流體的湍動程度可以強化傳熱。（3）實驗中加入混合器后，空氣的出口溫度明顯變高，但孔板壓降則迅速降低，說明實驗中，傳熱效果的提高是以增大流動阻力為代價的。（4）由 及 可知，直線斜率即為雷諾數(shù)Re的指數(shù)，而截距即為lgA,將未強化時的Nu/Pr0.4Re的關(guān)系曲線進行擬合得=0.0179；m=0.7959，與公認的關(guān)聯(lián)式有一點偏差。（5）將加混合器強化時的Nu/Pr0.4Re的關(guān)系曲線進行擬合得=0.0297；m=0.7903。七、思考題：1、本實驗中管壁溫度應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：接近蒸汽溫度。管壁溫度應(yīng)接近于蒸汽溫度。對于定態(tài)傳熱過程，Q=KA=1A1(T-Tw)= 2A2(t-tw)。實驗過程中，銅管換熱壁很薄且熱導率很大，則可以近似的看做管壁兩側(cè)溫度基本不變，