北京化工大學(xué)傳熱實(shí)驗(yàn)報告

1、傳熱膜系數(shù)的測定摘要：在化工領(lǐng)域中，傳熱膜系數(shù)與傳熱系數(shù)對能量傳遞效率有非常顯著的影響，對傳熱膜系數(shù)及傳熱系數(shù)的考察，廣泛應(yīng)用于不同反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，在提高能量利用效率方面上具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)采用套管換熱器，以100的水蒸氣冷凝來加熱空氣，通過測定空氣進(jìn)出口溫度和孔板壓降來計(jì)算傳熱膜系數(shù)，并通過加入螺旋片進(jìn)行強(qiáng)化傳熱。通過不同流量下的參數(shù)的測定，利用origin軟件計(jì)算準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中系數(shù)a和指數(shù)m，得出其準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式。通過兩次實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化傳熱是以增加機(jī)械能損耗為代價，因而在工程領(lǐng)域需要綜合考慮機(jī)械能和傳熱效率，降低工程流體輸送成本。 關(guān)鍵詞： 傳熱膜系數(shù) 傳熱系數(shù) origin 準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式基本

2、理論：對流傳熱的核心問題時求算傳熱膜系數(shù)，當(dāng)流體無相變時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為： （1）對于強(qiáng)制湍流而言，數(shù)可忽略，即 （2）在本文中，采用origin軟件對上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的指數(shù)、和系數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解。該方法中，要求對不同變量的re和pr分別回歸。本實(shí)驗(yàn)測取流體被加熱過程中的各參數(shù)，因而上述式子中的，這樣式(2)便成為單變量方程，兩邊同時去對數(shù)得： （3）利用origin軟件對其作圖，采用雙對數(shù)坐標(biāo)，利用線性函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，即可很好的求解出自變量對的線性關(guān)系，最終擬合結(jié)果的和分別對應(yīng)上述關(guān)系式中的與。對于方程式的關(guān)聯(lián)，首先要有、re、pr的數(shù)據(jù)組。其特征數(shù)定義式分別為實(shí)驗(yàn)中通過改

3、變空氣的流量，以改變re值，根據(jù)定性溫度（空氣進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值）計(jì)算相應(yīng)的pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進(jìn)而求得的值。牛頓冷卻定律為： （4）式中傳熱膜系數(shù)，傳熱量，傳熱面積，管壁溫度與關(guān)內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差， 傳熱量可由下式求得 （5）式中質(zhì)量流量，流體的比定壓熱容，流體進(jìn)出口溫度，定性溫度下流體密度，流體體積流量，空氣的體積流量由孔板體積流量計(jì)測得，其流量與孔板流量計(jì)壓降的關(guān)系為： （6）式中孔板流量計(jì)壓降， 流體體積流量，空氣的流速為： （7）流體管路阻力損失為： （8）式中流體管路阻力損失，管路壓降，流體密度，實(shí)驗(yàn)裝置：1.設(shè)備說明：本實(shí)驗(yàn)空氣走

4、內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，其內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電極（pt100）和熱電偶測得。測量空氣進(jìn)、出口溫度的鉑電極應(yīng)置于進(jìn)、出管的中心。測量壁溫用一支鉑電極和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端?？装辶髁坑?jì)的壓差和流過換熱管的壓降由兩個壓差傳感器測得。實(shí)驗(yàn)室使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計(jì)，加熱功率為1.5kw。風(fēng)機(jī)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(shí)驗(yàn)裝置采用ascom5320型壓力傳感器，測量范圍為020kpa。(2)顯示儀表在實(shí)驗(yàn)中所有溫度

5、和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表直接讀取，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點(diǎn)分別為：孔板壓降、管壓降、進(jìn)口溫度、出口溫度和兩個壁溫。3.流程說明：本實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計(jì)計(jì)量后，進(jìn)入換熱管內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱。空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁客ㄟ^電腦控制的流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進(jìn)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。放氣閥門用于排放不冷凝氣體。在銅管之前應(yīng)設(shè)有一定長度的穩(wěn)定段，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)。操作要點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)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

6、確開啟按鈕。 檢查蒸汽發(fā)生器的水位，使其保持在水罐高度的1/21/3。 打開電源總開關(guān)。 實(shí)驗(yàn)開始時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動風(fēng)機(jī)，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，打開放氣閥。 將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后（3分鐘），記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量（810次），重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器，再停風(fēng)機(jī)，清理現(xiàn)場。注意事項(xiàng)：a 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中要合理取點(diǎn)，以保證數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻。c 切記沒改變一個流量后，應(yīng)

7、等到度數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)：孔板壓降管路壓降進(jìn)口出口壁溫1（）壁溫2（）3.64.130.262.6100.1100.13.13.534.265.4100.1100.22.63.035.466.4100.2100.12.12.535.466.9100.1100.21.72.034.967.1100.2100.21.31.734.067.2100.2100.21.01.332.967.3100.1100.20.71.032.267.6100.1100.40.50.731.267.9100.0100.30.30.530.468.5100.0100.2表1.直管相關(guān)數(shù)據(jù)表孔板壓降管路

8、壓降進(jìn)口出口壁溫1（）壁溫2（）1.6 9.6 36.2 77.5 100.1 99.9 1.4 8.2 38.7 79.0 100.2 100.1 1.1 7.1 39.7 80.0 100.0 100.2 0.9 5.9 39.7 80.0 100.2 100.0 0.7 4.8 39.1 79.9 100.3 100.1 0.6 3.8 38.2 79.9 100.2 100.1 0.5 2.9 37.1 80.0 100.2 100.1 表2.混合管相關(guān)數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)處理：本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理由如下幾個步驟完成：步驟1：文獻(xiàn)1給出了各個相應(yīng)溫度下的干空氣的物性參數(shù)，選取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如附錄1所示

9、；步驟2：利用求取各個流量下流體的平均溫度，并利用線性插值，求得各個平均溫度下的相應(yīng)物性參數(shù)，線性插值具體過程如附錄2所示：步驟3：利用平均壁溫和流體進(jìn)出口溫度求得各流量下的，其過程見附表2所示；步驟4：利用式（6），式（7）求得對應(yīng)的流量和流速；步驟5：利用式（5），式（4）求得各流量對應(yīng)下的傳熱膜系數(shù)步驟6：利用、re、pr數(shù)據(jù)組的定義式，求得各流量下的、re、pr值步驟7：利用origin對對作圖，并利用其中的擬合命令求解得到對應(yīng)的與；步驟8：利用式（8）對直管和混合管分別計(jì)算其在不同流速下的阻力損失。上述步驟1-6中涉及到的中間數(shù)據(jù)和最終結(jié)果如下所示：流量流速密度比熱容熱導(dǎo)率粘度52.

10、4046.331.1061.00527.9619.448.0142.451.0941.00528.2219.643.5338.491.0901.00528.3019.639.1134.581.0891.00528.3219.734.7830.751.0901.00528.3119.730.4426.911.0911.00528.2819.626.0623.041.0931.00528.2519.621.7819.251.0931.00528.2319.617.6315.591.0951.00528.2019.613.4311.871.0951.00528.2019.6prre52.03128.

11、240.69891.7552757105.9348.70119.590.69884.744740297.8747.58109.880.69877.654270989.6847.26100.920.69871.273832382.3147.3991.540.69864.673411074.6947.6982.170.69858.112991667.1248.0172.510.69851.342568359.3048.2062.150.69844.032148750.8548.3052.110.69836.951742842.6848.1641.340.69829.321328333.86表3.直

12、管處理中間數(shù)據(jù)流量流速密度比熱容熱導(dǎo)率粘度34.0030.061.0701.00528.7119.931.3027.671.0641.00528.8520.027.8524.631.0601.00528.9220.124.9022.021.0601.00528.9220.122.2719.691.0621.00528.9020.119.5217.261.0631.00528.8620.117.6315.591.0651.00528.8320.0prre39.63134.810.69893.9032269108.4337.78126.230.69887.5029377101.0336.63115

13、.520.69879.892599792.2336.63103.270.69871.422324082.4537.0392.590.69864.092082573.9937.2982.490.69857.161830465.9937.6176.100.69852.791657260.95表4.混合管中間處理數(shù)據(jù)步驟7中所得的圖如下圖2所示：圖2. 與re關(guān)系圖上圖origin擬合分析結(jié)果如下表5所示：equationy = a + b*xadj. r-square0.99980.9976valuestandard error直管intercept-1.884560.01757直管slope0.

14、828770.00393混合管intercept-1.948590.07732混合管slope0.884680.01771步驟8中結(jié)果如表6，表7以及圖3所示：流速46.33 42.45 38.49 34.58 30.75 26.91 23.04 19.25 15.59 11.87 3681 3173 2706 2277 1872 1512 1171 887.2 630.4 411.0 表6.直管阻力損失與流量關(guān)系表流速30.06 27.67 24.63 22.02 19.69 17.26 15.59 8978 7708 6657 5545 4540 3603 2752 表7.混合管阻力損失和

15、流量關(guān)系表圖3.直管與混合管阻力損失比較結(jié)果與討論：1.從表5結(jié)果所示，在直管下，在混合管下， 經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，直管的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式分別為：混合管的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式為：2.從表6，表7和圖3可知，混合管的空氣阻力損失明顯比直管大。綜合上述結(jié)論可知，流體流動的傳熱效率的增加是以機(jī)械能的損失為代價，在工程中，應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)因素。在避免大的機(jī)械能損失前提下，提高流體傳熱效率，減少成本。參考文獻(xiàn)：1陳敏恒.化工原理(上冊).化學(xué)工業(yè)出版社.第三版.北京:2011.6:2682楊祖榮.化工原理實(shí)驗(yàn).化學(xué)工業(yè)出版社.北京:2011.8:60-63附錄1.干空氣物性參數(shù)溫度密度比熱容熱導(dǎo)率粘度401.1281.00527.4519.1501.0931.00528.2419.6601.0601.00528.9320.1附錄2.一維插值過程：已知相鄰的兩組數(shù)據(jù),求之間的所對應(yīng)的值，其具體式子如下：求解過程：式中平均對數(shù)溫度 分別為冷、熱流體溫度 壁溫 1. 本實(shí)驗(yàn)中壁溫應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：從本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)（表1,2）可知，壁溫基本為100左右，更加接近于蒸汽溫度。本實(shí)驗(yàn)傳熱系數(shù)方程為：k為總的傳熱系數(shù)，是空氣的傳熱系數(shù)，是水蒸氣的傳熱系數(shù)，是銅管厚度，是銅的導(dǎo)熱系數(shù)，為污垢熱阻。因和金屬