傳熱膜系數(shù)測定的探究資料

1、傳熱膜系數(shù)測定的探究學院化學工程學院專業(yè)化學工程與工藝班級化實1101姓名張策同組人何鵬李佳邱寶成學號2011011167摘要本實驗選用牛頓冷卻定律作為對流傳熱實驗的測試原理 ，并通過 建立不同體系的傳熱系統(tǒng)，即水蒸汽一空氣傳熱系統(tǒng)，分別對普通管 換熱器和強化管換熱器進行了強制對流傳熱實驗研究。另，本實驗確定了在相應條件下冷流體對流傳熱膜系數(shù)的關(guān)聯(lián)式。此實驗方法可以 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)生器等組成的自動化程度較高的裝置， 讓空氣走內(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，計算了傳熱膜系數(shù) a并

2、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 A和m。關(guān)鍵詞：傳熱，傳熱膜系數(shù)目錄第1章引言4.第2章實驗原理及實驗設計5.2.1實驗原理及裝置概述5實驗原理5.實驗裝置7.2.2實驗設計及流程8第3章實驗數(shù)據(jù)處理9.3.1傳熱膜系數(shù)的測定（未強化）9實驗數(shù)據(jù)記錄（未強化） 9傳熱膜實驗物性計算（未強化） 9傳熱膜實驗準數(shù)計算（未強化） 113.2傳熱膜系數(shù)的測定（強化后） 12實驗數(shù)據(jù)記錄（強化后）12傳熱膜實驗物性計算（強化后） 13傳熱膜實驗準數(shù)計算（強化后） 133.3方程

3、準數(shù)處理 14第4章數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論154.1數(shù)據(jù)分析15數(shù)據(jù)擬合15結(jié)果比較164.2思考性問題18第1章引言在工業(yè)生產(chǎn)中，要實現(xiàn)熱量的交換，須采用一定的設備，此種交 換的設備稱為換熱器?；どa(chǎn)中所指的換熱器，常指間壁式換熱器, 它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開，熱流體將熱傳到壁面的另一 側(cè)（對流給熱），通過堅壁內(nèi)的熱傳遞再由間壁的另一側(cè)將熱傳遞給 冷流體。從而使熱流體物流被冷卻，冷流體被加熱，滿足化工生產(chǎn)中 對冷物流或熱物流溫度的控制要求。對流給熱的核心問題是求算傳熱 膜系數(shù)。第2章實驗原理及實驗設計2.1實驗原理及裝置概述? 實驗原理對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，當流體無相變

4、時對流傳熱準數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：Nu A Rem Prn Grp對于強制湍流而言，Gr準數(shù)可以忽略，故Nu A Rem Prnm、n和本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù) 系數(shù)A。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在用圖解法對多變量方程進行關(guān)聯(lián)時， 要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實 驗可簡化上式，即取n = 0.4 （流體被加熱）兩邊取對數(shù)，即得到直線方程:Nu ig 0-4 ig a Pr在雙對數(shù)坐標中作圖，找出直線斜率，點的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù) A，Numlg Re即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一即:A PRem用圖解法，根據(jù)實驗點確定直線位置有一定的人為性

5、。 而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應用微機，對多變量方程進行一次回歸，就能同時得到A、 m、 n。對于方程的關(guān)聯(lián)，首先要有 Nu、Re Pr的數(shù)據(jù)組。其準數(shù)定義式分別為:Re 如，Pr ，Nu 上實驗中改變空氣的流量以改變 Re準數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進、出口 溫度的算術(shù)平均值）計算對應的 Pr準數(shù)值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同 流速下的傳熱膜系數(shù)a值進而算得Nu準數(shù)值。牛頓冷卻定律為：Q A tm式中:a傳熱膜系數(shù)，W/(m2：C);Q傳熱量，W;A總傳熱面積m2;Atm管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，C。傳熱量可由下式求得：Q qmCpt2 ti /3600VSC

6、pt2 ti /3600式中：qm質(zhì)量流量，kg/h;Cp流體定壓比熱，J/(kg C)；ti、t2流體進、出口溫度C ；P定性溫度下流體密度，kg/m3;Vs流體體積流量，m3h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計測得，其流量 Vs與孔板流量計壓降 巾的關(guān) 系為VS 262 p0.54式中耶孔板流量計壓降，kPa；Vs空氣流量，m3/h。? 實驗裝置1. 設備說明本實驗空氣走內(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置于進出管的中心。測得管壁溫度用 一支鉑電阻和

7、一支熱電偶分別固定在管外壁兩端。 孔板流量計的壓差由壓差傳感 器測得。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)隙中的水蒸氣換

8、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。銅 管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應。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2.2實驗設計及流程1. 實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設備的對應關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2. 檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持

9、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（8 10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。a. 實驗前，務必使蒸汽發(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

10、量后，應等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。第3章實驗數(shù)據(jù)處理3.1傳熱膜系數(shù)的測定（未強化）? 實驗數(shù)據(jù)記錄（未強化）序號空氣入口溫度t/C空氣出口溫度t2/ C壁溫Tw1/C壁溫Tw2/ C孔板壓降A(chǔ)pkPa管路壓降4）2/kPa136.2063.4099.899.13.813.27237.3064.4099.999.13.372.93337.2064.8099.999.12.852.51436.4065.0099.899.22.342.12535.3064.90100.099.31.901.76634.3065.0099.899.31.581.50733.2064.8099.899.31.401.

11、35832.4064.7099.999.31.211.20931.5064.6099.999.41.051.061030.8064.70100.099.40.890.94表1實驗數(shù)據(jù)記錄表（未強化）?3.1.2傳熱膜實驗物性計算（未強化）序流里空氣定性溫度平均壁溫空氣密度空氣粘度空氣熱容導熱系數(shù)號Vs/(m3 h-1)tm/CTw/Cp/(kg m-3)M(mPa s)Cp/(kJ kg-1 K-1)”(W m-1 K-1)153.9549.8099.451.1450.01961.0310.0282250.4950.8599.501.1410.01961.0300.0283346.1251.0

12、099.501.1410.01971.0300.0283441.4650.7099.501.1440.01961.0300.0283537.0550.1099.651.1480.01961.0300.0282633.5449.6599.551.1510.01961.0310.0282731.4249.0099.551.1550.01961.0310.0281829.0448.5599.601.1580.01951.0310.0281926.9048.0599.651.1610.01951.0310.02811024.6047.7599.701.1640.01951.0310.0280表2傳熱膜

13、實驗物性計算表（未強化）F面以第1組數(shù)據(jù)為例，介紹各參數(shù)的求解過程:(其中，管內(nèi)徑d=0.02m,(1)定性物性的計算管長為l=1.25m,下同。)空氣定性溫度：tmt1t236.2063.4022平均壁溫：T wT w1Tw299.899.12 2流量計算：Vs26.2 p0.54 26.2 3.8o49.80 C099.45 C4 53.95m3/h(2)定性溫度下物性的計算 空氣密度計算：1.2715 0.0035 t 1.2715 0.0035 36.2 1.144&g/m3 (采用進口溫度計算) 空氣粘度計算：(1.71 0.005 tm) 105 (1.71 0.005 4

14、9.80) 105 1.9590 105Pa s 空氣導熱系數(shù)的計算：(2.4513 0.0074 tm) 102 (2.4513 0.0074 49.80) 102 0.02819W m1 K 1 空氣熱容計算：Cp 8.3145 (3.653 1.337 10 3t3.29410 6t21.913 10 9t30.2763 1012t4)/298.3145 (3.653 1.337 1 0 349.803.2941 0 6 49.8021.913 1 0 949.803124110.2763 1049.80 )/291.03053kJ kg K? 傳熱膜實驗準數(shù)計算（未強化）序號流速u/(

15、m s-1)傳熱速率Q/W對數(shù)平均溫度tm/C傳熱膜系數(shù)a（W m-2 K-1）雷諾數(shù)Re普朗特數(shù)Pr努賽爾數(shù)Nu147.73480.948.4126.4530000.715989.68244.67446.847.4120.0500000.715784.85340.80415.847.2112.1450000.715679.27436.68388.347.4104.3410000.715773.79532.78360.448.195.4370000.715967.62629.67339.448.389.4330000.716063.47727.80328.448.985.5310000.716

16、160.80825.69311.149.480.3290000.716357.12923.80296.149.875.7270000.716453.941021.76278.050.170.7250000.716550.38表3傳熱膜實驗準數(shù)計算表（未強化）F面以第1組數(shù)據(jù)為例，介紹各參數(shù)的求解過程: 流速計算:4Vsd24 53.95120.02360047.73m/s 傳熱速率計算:VsCp(t2 ti)1.144853.9511030.53(63.4036.20)480.901 W3600 對數(shù)平均溫度計算:tm(Tw1匕)(Tw2t?)lnZ(Twt2)(99.8 36.2) (99.

17、1 63.4)(99.8 36.2)In(99.1 63.4)48.448s C 給熱系數(shù)計算:QA tm480.9010.02 1.25 48.448126.447W/(m K 1) 雷諾數(shù)計算:Redu0.02 47.73 1.09720.00001959053463（此時空氣的密度以定性溫度為基準。） 普朗特準數(shù)計算:PrCp103°.53 0.000019590 0.71590.028198 努賽爾準數(shù)計算:Nu126.4470.020.028198=89.48463.2傳熱膜系數(shù)的測定（強化后）將管內(nèi)加入靜態(tài)混合器后，重復上述步驟，進行實驗數(shù)據(jù)測定及處理。?實驗數(shù)據(jù)記錄（強

18、化后）序號空氣入口溫度t1/C空氣出口溫度t2/C壁溫Tw1/C壁溫Tw2/C孔板壓降A(chǔ)p1/kPa管路壓降4）2/kPa129.6077.3099.899.60.301.61229.5076.7099.799.50.442.23329.6076.1099.699.40.562.76430.2075.6099.799.40.753.54531.4075.4099.899.40.964.40633.1075.4099.899.31.185.33735.9075.8099.899.31.426.32839.0076.3099.999.31.687.37表4實驗數(shù)據(jù)記錄表（強化后）? 322傳熱膜實

19、驗物性計算（強化后）序流里空氣定性溫度平均壁溫空氣密度空氣粘度空氣熱容導熱系數(shù)號Vs/(m3 h-1)tm廠CTw/Cp/(kg m-3)M(mPa s)Cp/(kJ kg-1 K-1)”(W m-1 K-1)113.6853.4599.701.1680.01981.0290.0285216.8253.1099.601.1680.01981.0300.0284319.1652.8599.501.1680.01971.0300.0284422.4352.9099.551.1660.01971.0300.0284525.6353.4099.601.1620.01981.0290.0285628.6

20、554.2599.551.1560.01981.0290.0285731.6655.8599.551.1460.01991.0290.0286834.6757.6599.601.1350.02001.0280.0288表5傳熱膜實驗物性計算表（強化后）?3.2.3傳熱膜實驗準數(shù)計算（強化后）序流速傳熱速率對數(shù)平均溫度傳熱膜系數(shù)雷諾數(shù)普朗特數(shù)努賽爾數(shù)號u/(m s-1)Q/Wtm/Ca(W m-2 K-1)RePrNu112.10217.941.966.3130000.715046.59214.88265.242.280.0160000.715156.26316.95297.642.589.11

21、90000.715262.71419.84339.542.8101.2220000.715171.17522.67374.642.5112.2250000.715078.82625.34400.441.9121.8280000.714885.39728.01413.740.6129.9300000.714490.71830.67419.339.1136.5330000.714094.87表6傳熱膜實驗準數(shù)計算表（強化后）注：以上數(shù)據(jù)計算過程及相應算法均和 3.1相同。3.3方程準數(shù)處理對于強制湍流而言，Nu A Rem Prn用圖解法和最小二乘法計算上述準數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。流體被

22、加熱時，取0.4。故，可將上述方程化為ig NU4 IgA mlgRe在雙對數(shù)坐標中以為縱坐標，以Re為橫坐Pr .。Pr .標作圖。將數(shù)據(jù)進一步處理：NuPrNu/Pr0.4Re89.70.7159102.55300084.90.715797.05000079.30.715690.64500073.80.715784.44100067.60.715977.33700063.50.716072.53300060.80.716169.53100057.10.716365.32900053.90.716461.62700050.40.716557.625000表7準數(shù)整理表（未強化）NuPrNu/

23、Pr°.4Re46.60.715053.31300056.30.715164.31600062.70.715271.71900071.20.715181.42200078.80.715090.12500085.40.714897.72800090.70.7144103.83000094.90.7140108.633000表8準數(shù)整理表（強化后）第4章數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論4.1數(shù)據(jù)分析? 數(shù)據(jù)擬合將3表7與表8所處理的數(shù)據(jù)繪制在雙對數(shù)坐標系中，如下圖:959085804.75r70uN650.66055L0.4! Nu/Pr250003000035000400004500050000Re

24、:Nu/Pr0.4擬合曲線-0.40.40.20.02000030000400005000060000Re Regular Residuali nil-0.2圖2 Nu/Pr°4 Re擬合曲線（未強化）圖3 Nu/Pr0.4 Re殘差分析（未強化）從Nu/Pr0.4 Re擬合曲線可看出，在雙對數(shù)坐標系下，Nu/Pr0.4 Re的關(guān)系基本上為線性關(guān)系，即lg （Nu/Pr0.4）與IgRe的線性關(guān)系。從殘差圖可看出，所有實驗數(shù)據(jù)的殘差在數(shù)值上均在（-0.4,0.6）區(qū)間內(nèi)。此區(qū)間在（-2,2）內(nèi)，說明，所有的試驗點的可靠性均符合要求。如圖4、5。在強化后的Nu/Pr°4 Re

25、的擬合圖及殘差圖依然可以分析得到，此時的數(shù)據(jù)在雙對數(shù)坐標下仍然符合線性關(guān)系，且所有試驗點均可靠11010090800.4-Nu/PrNu/Pr0.4擬合曲線-Regular Residual4 PUN70a -16050-21000015000200002500030000 35000Re圖4 Nu/Pr0.4 Re擬合曲線（強化后）1000020000Re30000圖5 Nu/Pr0.4 Re殘差分析（強化后）? 結(jié)果比較1. 將強化前后的數(shù)據(jù)在同一雙對數(shù)坐標系下擬合:140120100806020000ReNu/Pr0.4未強化實驗值Nu/Pr0.4強化后實驗值Nu/Pr0.4未強化擬合曲

26、線Nu/Pr0.4強化后擬合曲線4010000300004000050000 60000圖6強化前后Nu/Pr0.4 Re對比未強化強化后截距IgA-1.56726-1.61227斜率m0.752980.80381A0.0270.024表9強化前后擬合結(jié)果由表9的數(shù)據(jù)可得出該實驗對對流傳熱準數(shù)關(guān)聯(lián)式參數(shù)的測量結(jié)果，從而得到該方程為：未強化：Nu 0.027 Re0.75 Pr0.4強化后：Nu 0.024 Re0.80 Pr0.42. 結(jié)果討論與誤差分析(1) 從圖2、4、6中可以看出，不管傳熱是否被強化，Nu/Pr0.4 Re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和熱導率入在實驗條件下變化很小，由Nu= a/入知，加混 合器強化傳熱后，傳熱膜系數(shù)a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