传热膜系数测定实验

传热膜系数测定实验1一、实验题目传热膜系数测定实验二、实验摘要本实验利用传热实验室第6套实验装置，通过空气走内管，水蒸气走环隙的换热系统，测量流量qv，空气进出口温度t,管壁温度T等，以牛顿冷却定律为原理，计算出传热系数α。并通过作图法确定了对流传热准数关系式中的系数A和指数m（加热时n取0.4），得到关联式。实验还通过在内管中加入静态混合器的办法强化了传热，并重新测定了α、A和m。将不加静态混合器与加入静态混合器的关联式进行比较，进而得出强化传热与非强化传热的差异。关键词：传热系数α、系数A、指数m、Re、Nu、Pr三、实验目的及任务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。四、实验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：pnmGrANuPrRe对于强制湍流而言，Gr数可以忽略，即nmANuPrRe本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数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，得到直线方程：RelglgPrlg4.0mANu传热膜系数测定实验2在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即：mNuARePr4.0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。应用计算机辅助手段，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。其特征数定义式分别为：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：mtAQ式中：α——传热膜系数，W/(m²·℃)；Q——传热量，W；A——总传热面积，m2；∆𝑡𝑚——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：3600/3600/12s12ttCVttWCQpp式中：W——质量流量，kg/h；Cp——流体比定压热容，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传热膜系数测定实验3式中Δp——孔板流量计压降，kpa；𝑉𝑠——空气流量，m3/h。五、实验装置套管式换热实验装置和流程1-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6-水蒸气入口壁温7-水蒸气出口壁温8-不凝性气体放空阀9-冷凝水回流管10-蒸汽发生器11-补水漏斗12-补水阀13-排水阀实验介质：水蒸气、空气。研究对象：套管换热器内管：黄铜材质，∅27×3.5mm,有效长度1.2m；外管：硬质钢化玻璃，∅57×3.5mm.可视长度0.7m；静态混合器：正、反螺旋结构交替排列，共6节，可自由放入内管。仪器仪表：风机，XGB-11，最大静风压17kpa，最大流量100m3·h-1；蒸汽发生器，1.5kw，可根据蒸汽用量的大小自动调整加热；孔板流量计，d0=20.0mm,精度等级4；温度计Pt100、热电偶，0-200℃,精度等级分别为0.2、0.5；孔板压差传感器，WNKB8型，0-20kpa,精度等级0.2；显示仪表：AI-708等，精度等级0.1传热膜系数测定实验4变频仪：西门子MM420型控制系统：控制电柜+电脑+数据采集软件，380VAC+VAC。六、实验操作要点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。检查电机和离心泵是否运转正常。2、打开电机的电源开关，观察电机和离心泵的运转情况，如无异常，就可切断电源，准备在实验时使用。3、打开电脑运行传热实验软件并熟悉使用。4、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮），通过改变频率来调节流量。5、将空气流量控制在某一值，待仪表数值稳定后，记录数据（每组数据需稳定至少3min，以减小实验误差），改变频率，重复实验，记录8~10组数据。观察两壁温数据是否相近，壁温数据相近则实验数据正常。6、做强化传热实验时，先通过电脑停风机，再向上拔出口温度计，然后旋转放入混合器并用细线固定，最后将温度计顶端放回中心位置，实验方法同上。7、实验结束后通过电脑关闭风机及加热器，先向上拔出温度计，再旋转取出混合气放好，最后将空气出口温度计放回原位。六、实验数据与整理1、空气强制湍流给热系数实验数据（l=1.25md=0.02m）序号空气入口温度/℃空气出口温度/℃壁温1/℃壁温2/℃管路压降Δp/kPa孔板压降Δp/kPa122.8061.8099.6099.800.830.54224.4062.1099.6099.701.030.70326.0062.4099.6099.701.260.87428.4063.0099.6099.701.491.05529.3063.0099.7099.701.741.27632.2064.0099.8099.602.001.48734.6065.0099.8099.602.271.71837.6066.3099.7099.602.561.95940.1067.3099.7099.602.852.211043.3068.7099.7099.603.152.47根据空气进出口温度，求得空气平均温度，然后查空气在平均温度下的物性数据可得下表：传热膜系数测定实验5序号密度ρ/kg*m-3比定压热容Cp/kJ*(kg*K)-1热导率λ/W*(m*K)-1粘度μ/×10-5Pa*s11.191.00140.02581.8421.191.00150.02591.8431.181.00150.0261.8541.171.00160.02621.8651.181.00160.02631.8761.161.00170.02651.8871.151.00180.02671.8981.141.0020.02691.9191.131.00210.0271.92101.121.00220.02731.93经计算后所得表格如下：Δtmqv/m3*h-1u/m*s-1Q/Wα/(W*m2*K-1)NuNu/(Pr0.4)RePr55.1418.7816.61243.3256.1843.5349.86216150.71254.2521.6119.11269.9363.3648.8755.99247010.71253.4124.3021.49290.6469.2953.2060.96274310.71152.0626.9023.78303.2374.1656.5864.84299210.71151.7329.8126.36329.2681.0461.6770.68332800.71149.9032.3828.63331.1984.5063.8173.14352130.71148.3035.0030.95339.9689.6367.2477.09375810.71146.2137.5833.23341.2894.0369.9880.24396620.71044.5740.2035.55343.3698.1072.5483.18418430.71042.3842.6937.75336.91101.2274.2285.13436220.710计算过程如下所示(以第一组数据为例)：⑴根据牛顿冷却定律计算给热系数α空气平均温度t=t1+t22=22.8+61.82=42.3℃对数平均温度∆𝑡𝑚=(𝑇1−t1)−(𝑇2−𝑡2)ln(𝑇1−𝑡1)(𝑇2−𝑡2)=(99.6−22.8)−(99.8−61.8)ln(99.6−22.8)(99.8−61.8)=55.14℃由孔板流量计计算得到空气的体积流量0.5426.2sVp=26.2×0.540.54=18.78m3/h传热量的计算3600/3600/12s12ttCVttWCQpp1.19×18.783600×1001.4×(61.8−22.8)=243.32W传热膜系数测定实验6传热系数α=𝑄∆𝑡𝑚𝐴=243.3255.14×𝜋×1.25×0.02=56.18𝑊/(𝑚2.𝐾)⑵根据量纲分析法计算α雷诺数216151084.119.161.16020.0Re5-du努塞尔准数53.430258.0020.018.56dNu普朗特准数712.00258.01084.14.1001Pr5-Cp94.51712.053.43Pr4.04.0Nu2、加静态混合器给热系数实验数据序号空气入口温度/℃空气出口温度/℃壁温1/℃壁温2/℃管路压降Δp/kPa孔板压降Δp/kPa137.3076.3099.6099.801.520.21235.9077.2099.8099.802.000.28334.9077.2099.8099.702.530.36434.6077.1099.7099.703.110.45534.8077.1099.6099.703.710.54635.8077.1099.6099.704.380.65737.3077.1099.6099.705.060.75839.4077.5099.6099.705.760.87根据空气进出口温度，求得空气平均温度，然后查空气在平均温度下的物性数据可得下表：序号密度ρ/kg*m-3比定压热容Cp/kJ*(kg*K)-1热导率λ/W*(m*K)-1粘度μ/×10-5Pa*s11.141.00190.02691.9021.141.00190.02681.9031.151.00180.02671.8941.151.00180.02671.8951.151.00180.02671.89传热膜系数测定实验761.141.00190.02671.9071.141.00190.02691.9081.131.00200.02701.91经计算后所得表格如下：Δtmqv/m3*h-1u/m*s-1Q/Wα/(W*m2*K-1)NuNu/(Pr0.4)RePr39.8011.289.97139.3344.5833.2038.07119250.71139.7413.1811.65172.9455.4241.4347.50140260.71140.0315.0913.34203.5864.7648.5555.66161610.71140.1717.0215.05231.1373.2654.9663.01182760.71140.0618.7816.61253.6380.6160.4469.29201400.71139.7020.7618.36272.7687.4865.4275.01221280.71039.1522.4319.83282.7591.9568.4978.53237130.71038.0924.3021.49291.4897.4372.1782.76254030.710加静态混合器后，根据量纲分析法计算α，同（2）中计算方式。七、实验结果与结论根据计算后的实验数据表分别做出“空气强制湍流给热系数（不加静态合器）”和加“静态混合器”后的Nu/pr0.4与Re双对数关系图如下：10000200003000040000406080Nu/Pr4Re未加静态混合器加静态混合器未加混合器拟合加混合器拟合传热膜系数测定实验81、从图中可以看出，在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr0