传热膜系数测定实验

传热膜系数测定实验一．实验摘要本实验以套管换热器为研究对象，以冷空气及热蒸汽为介质，冷空气走黄铜管内，即管程，热蒸汽走环隙，即壳程，研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程。通过测得的一系列温度及孔板压降数值，分别求得正常条件和加入静态混合器后的强化条件下的对流传热膜系数及Nu，做出l（gNu/P0.r）～lg的图像，分析出传热膜系数准数关联式4NuARemPr0.4中的A和m值。关键词：对流传热NuPrReA二．实验目的123、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法；、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；、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．实验原理黄铜管内走冷空气，管外走100℃的热蒸汽，壁内侧热阻1/远远大于壁阻、垢阻及外侧热阻，因此研究传热的关键问题是测算，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：NuARemmPrnGrp(1-1)对于强制湍流有：NuARePrn(1-2)用图解法对多变量方程进行关联，要对不同变量Re和Pr分别回归。本实验可简化上式，即取n0.4（流体被加热）。在两边取对数，得到直线方程为NulgPrlgAmlgRe(1-3)0.4在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A，即NuPr0.4ReA(1-4)mCdud其中Re,Prp,Nu实验中改变空气的流量，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，进而求得Nu值。牛顿冷却定律为QAtm(1-5)其中——传热膜系数，W/(m2℃)；Q——传热量，W；A——总传热面积，mtm——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2；QWCtt/3600VCtt/3600(1-6)p21p21其中W——质量流量，kg/h；C——冷空气的比定压热容，J（/kg℃）；pt,t——冷空气的进，出口温度，℃；12——定性温度下流体密度，V——冷空气体积流量，mkg/m3；3/h。S空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V与孔板流量计压降Δp的关系为V26.2p0.54(1-7)p——孔板流量计压降，kPa；式中，V——空气流量，m3/h。四．实验装置和主要仪器设备169-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，-水蒸气入口壁温，7-水蒸气出口壁温，8-不凝性气体放空阀，-冷凝水回流管，10-蒸汽发生器，11-补水漏斗，12-补水阀，13-排水阀1、设备说明本实验空气走内管，蒸汽走管隙（玻璃管）。内管为黄铜管，其内径为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、出口的铂电阻应置于进、出管得中心。测量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。本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100m、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读取，并实验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。、流程说明本实验装置流程图如上所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量以后，进入换热3/h。2((3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。放气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，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。五．实验操作记录和注意事项12、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3～2/3。、按下总电源开关，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，接通蒸汽发生器的发热电源，保持放气阀打开，调整好热电偶位置。3、用计算机控制风机频率为50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；再每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12～13次。45、将静态混合器插入管中，并将其固定，再次调整好热电偶温度计，将风机频率调回0Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12～13次。5、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场，给蒸汽发生器灌水。六．流程图调节风机频率，从50Hz开始调节，直到孔板流将得到的数据进行拟合，得到lg电脑上打开操作软件，等壁温升至100°C时按下绿色按钮，启动风机。（Nu/Pr0.4）～量计的压差为启动蒸汽发生器的绿色按钮。lgRe的图像，分析出传热膜系数准数关联式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。0.2kPa,每次调节频率后等壁温温度稳定后再记录数据，一共得到10组数据。七．实验数据表格和计算示例表格1传热膜系数测定实验原始数据空气入口温度空气出口温度壁温对数平均温度定性温度t1/℃t2/℃T/℃WΔt/℃mt/℃23333333229.801.602.702.802.701.800.800.309.708.7058.7060.5061.7062.4062.8063.3063.8064.4065.3067.7099.90100.00100.0099.9054.3852.6351.4450.8750.7750.8350.9350.7650.5349.4644.2546.0547.2047.6047.7547.5547.3047.3547.5048.20100.00100.00100.00100.00100.10100.20计算示例：（以第一组数据为例）t2t158.7029.80t54.38℃m99.9029.8099.9058.70TWTWt1lnlnt21tt129.8058.7044.25℃t1222表格2物性常数计算数据表热导率λ[W/(m•℃)]黏度密度定压比热容μ[Pa•S]ρ[kg/m3]Cp[J/(kg•℃]0000000000.02779.02793.02802.02805.02806.02805.02803.02803.02804.028101.931E-051.940E-051.945E-051.947E-051.948E-051.947E-051.945E-051.946E-051.946E-051.950E-051.1671.1611.1561.1561.1561.1601.1641.1651.1681.1721005100510051005100510051005100510051005计算示例：（以第一组数据为例）8.845106t124.326103t11.28848.845101.167kg/m7.6818105t0.024395629.8024.32610329.801.288437.681810544.250.0243950.02779W/(m℃)0.047078t17.228106006.04707844.2517.22811.931105PaS表格3传热量与传热膜系数计算表压降体积流量传热量传热面积A/m传热膜系数Δp/kPaVs[m3/h]Q/W2α[W/(m2•℃)]543322110.06.38.74.15.60.10.43.03.6962.8858.1753.4148.6843.8939.1131.7826.6221.44592.24544.65500.06465.06426.51398.89340.68295.35248.850.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.07540144.46137.24128.92121.24111.41104.0788.7277.1865.320.2211.57147.530.0754039.56计算示例：（以第一组数据为例）V26.2p0.5426.25.060.5462.88m/h3SQVctt/3600Sp211592.24WAdl3.140.021.20.07540m.16762.88100558.7029.80/36002QAtm0.0754054.38592.24144.46W/(m2℃)表格4无因次数群计算表NuPrReNu/Pr0.4103.9462580.6982670.6978590.6976010.6975110.6974780.6975220.6975780.6975670.6975330.69737767221.561549.056158.551120.146086.441206.233613.928198.322748.812290.5120.0052829113.474799106.273309499.842789491.7118260485.7127438773.1137910163.5972760153.8040500332.5249477298.2667222.0167586.4444569.4030964.2110583.3047725.0646496.5844508.15812498776542计算示例：（以第一组数据为例）du4V462.881.16767221.5d3.140.021.931105ReScp50051.931100.6982670.027791PrNud144.460.02103.9462580.02779八．实验结果作图及分析0.430y=0.0241x0.7678R²=0.9988Re10,000.00得到系数A0.0241m0.7678九．误差分析Nu0.023Re0.8Pr0.4，实验结果与之有一定误差的主化工原理课本上介绍的公式为要原因：（1）蒸汽所在的玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，从而降低了传热系数。2）在进行传热热量计算时，为了简化实验计算，近似以代替总传热系数K，即令（QAt。m（3）改变压降后，度数时间间隔太短，从而传热体系未达到稳定状态，造成读数与实际情况不相符。十．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：管壁温度应接近于蒸汽温度。因为水蒸气对流给热系数（5500～500）远大于空气的对流给热系数（10～100），所以水蒸汽与管壁的传热速率空气与管壁间的传热速率大得多，因此管壁温度更接近于蒸汽温度。2、管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？当空气速度增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？答：（1）管内空气流动速度将会对传热膜系数造成改变。（（2）当空气速度增加时，空气离开热交换器时的温度(出口温度t)将降低。23）因为空气流量增加会有更多的空气参与热交换，而水蒸气的冷凝量是一定的，那么相同的热量就被更多的冷空气分享，虽然空气速度增大时其湍流程度增加，增强传热效果，但是因为空气对留给热系数相对而言很小，所以影响不大，故空气离开热交换器时，温度降降低。3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响？答：肯定有影响。不同压强的饱和蒸汽温度不同，,由于本实验总传热系数K用膜传热系数做近似，当蒸汽压强变化，T,T,t,t都会发生相应改变，从而导致对数平均温差即平均推1212动力tm发生变化。当总传热量不变时，K必然发生变化，即变化，则的关联式变化。.本实验可采取哪些措施强化传热？6答：强化传热就是通过人工干预，比如搅拌来提高热量传递速度。12.增大传热面积，比如使用肋片散热.增大扰流，比如增加表面粗糙度十一．参考文献[1]杨祖荣．化工原理实验[M]．第二版．北京：化学工业出版社，2014：43-46，98-105．[2]丁忠伟，刘丽英，刘伟．化工原理[M]．上册．北京：高等教育出版社，2014：5-52．[3]陈