傳熱膜系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)報(bào)告北京化工大學(xué)化工原理試驗(yàn)

1、傳熱膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告北京 化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)傳熱膜系數(shù)測(cè)定摘要：選用牛頓冷卻定律作為對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)的測(cè)試原理,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(duì)普通管換熱器和強(qiáng)化管換熱器進(jìn) 行了強(qiáng)制對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)研究.確定了在相應(yīng)條件下冷流體對(duì)流傳熱膜系數(shù)的關(guān) 聯(lián)式.此實(shí)驗(yàn)方法可以測(cè)出蒸汽冷凝膜系數(shù)和管內(nèi)對(duì)流傳熱系數(shù).本實(shí)驗(yàn)采用 由風(fēng)機(jī)、孔板流量計(jì)、蒸汽發(fā)生器等組成的自動(dòng)化程度較高的裝置,讓空氣走 內(nèi)管,蒸汽走環(huán)隙,用計(jì)算機(jī)在線采集與限制系統(tǒng)測(cè)量了孔板壓降、進(jìn)出口溫 度和兩個(gè)壁溫,計(jì)算了傳熱膜系數(shù)a ,并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)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(yàn)

2、關(guān)聯(lián)式.實(shí)驗(yàn)還通過在內(nèi)管 中參加混合器的方法強(qiáng)化了傳熱,并重新測(cè)定了a、A和m一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)a及傳熱系數(shù)K的測(cè)定方法；2、通過實(shí)驗(yàn)掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)提升對(duì)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解,并分析影響a的因素,了解工程上強(qiáng)化傳熱的舉措.二、根本原理對(duì)流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù),當(dāng)流體無相變時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：Nu A Rem Prn GrpD對(duì)于強(qiáng)制湍流而言,Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略,故m nNu A Re Pr2本實(shí)驗(yàn)中,可用圖解法和最小二乘法計(jì)算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)m n和系數(shù)Ao用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí),要對(duì)不同變量R

3、e和Pr分別回歸.本實(shí)驗(yàn)可簡(jiǎn)化上式,即取n=0.4 流體被加熱.這樣,上式即變?yōu)閱巫兞糠匠? 在兩邊取對(duì)數(shù),即得到直線方程： Nu(3)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作圖,找出直線斜率,即為方程的指數(shù)R1在直線上任取一點(diǎn)的lg / lg A mlg Re Pr函數(shù)值代入方程中,那么可得到系數(shù) A,即:Nu0.4 m(4)Pr Re用圖解法,根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)確定直線位置有一定的人為性.而用最小二乘法回歸, 可以得到最正確關(guān)聯(lián)結(jié)果.應(yīng)用微機(jī),對(duì)多變量方程進(jìn)行一次回歸,就能同時(shí)得 到 A、m n.對(duì)于方程的關(guān)聯(lián),首先要有 Nu> Re Pr的數(shù)據(jù)組.其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為:ReduPrCpNu實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量以改變

4、 Re準(zhǔn)數(shù)的值.根據(jù)定性溫度(空氣進(jìn)、出口溫度 的算術(shù)平均值)計(jì)算對(duì)應(yīng)的Pr準(zhǔn)數(shù)值.同時(shí),由牛頓冷卻定律,求出不同流速 下的傳熱膜系數(shù)a值進(jìn)而算得Nu準(zhǔn)數(shù)值.牛頓冷卻定律：Q A tm(5)式中：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(duì)數(shù)平均溫差,C傳熱量 可由下式求得：Q W Cp t2 t1 /3600 V Cpt2 t1 /3600(6)式中：W 質(zhì)量流量,kg/h；Cp流體定壓比熱,J/(kg ' C)；t 1、t 2 流體進(jìn)、出口溫度C；-定性溫度下流體密度,kg/m 3；V流體體積流量,m3/h o空氣的體積流量由孔

5、板流量計(jì)測(cè)得,其流量Vs與孔板流量計(jì)壓降 A p的關(guān)系為Vs26.2 p0.54式中 A p孔板流量計(jì)壓降,kPa；Vs空氣流量,m/h.三、裝置說明1、設(shè)備說明本實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為1.25m.空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由鋁電阻(Pt100)和熱 電偶測(cè)得.測(cè)量空氣進(jìn)出口溫度的鋁電阻應(yīng)置于進(jìn)出管的中央.測(cè)得管壁溫度 用一支鉆電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端.孔板流量計(jì)的壓差由壓差 傳感器測(cè)得.實(shí)驗(yàn)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 1.5kw0風(fēng)機(jī)采用XG加漩渦氣泵,最大壓力17.50kpa,最

6、大流量lOOmVh. 2、采集系統(tǒng)說明(1)壓力傳感器本實(shí)驗(yàn)裝置采用ASCOM5320壓力傳感器,其測(cè)量范圍為 020kpa.(2)顯示儀表在實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)的在線采集與限制,測(cè)量點(diǎn)分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個(gè)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)入換熱器內(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.空氣的流量由空氣流量調(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,用于消除端效 應(yīng).銅管兩端用塑料管與管路相連,用于消

7、除熱效應(yīng).67 M 4圖47.套管式換熱實(shí)驗(yàn)裝置和流程1一風(fēng)機(jī)；2蘢板流量計(jì)* 3空氣漉酸調(diào)節(jié)閩* 4一空氣人口他溫點(diǎn)；5空氣出口招損點(diǎn)； &一水蒸氣入口里溫* 7水黑氣出UM溫：8不段性氣體放空鯽j 9一冷般水回盤管t1%蕉汽發(fā)生騫,U鐘點(diǎn)漏中衛(wèi)一補(bǔ)永聘】3俳琳科四、操作流程1、實(shí)驗(yàn)開始前,先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對(duì)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,使其保持在水罐高度的1/22/3.3、翻開總電源開關(guān)紅色按鈕熄滅,綠色按鈕亮,以下同.4、實(shí)驗(yàn)開始時(shí),關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥,啟動(dòng)風(fēng)機(jī),并接通蒸汽發(fā)生器的加熱 電源,翻開放氣閥.5、將空氣流量限制在某一值.待儀表數(shù)值

8、穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù),改變空氣流量8 10次,重復(fù)實(shí)驗(yàn),記錄數(shù)據(jù).6、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,先停蒸汽發(fā)生器電源,再停風(fēng)機(jī),清理現(xiàn)場(chǎng).注意：a 、實(shí)驗(yàn)前,務(wù)必使蒸汽發(fā)生器液位適宜,液位過高,那么水會(huì)溢入蒸汽套 管；過低,那么可能燒毀加熱器.b 、調(diào)節(jié)空氣流量時(shí),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 、切記每改變一個(gè)流量后,應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測(cè)取數(shù)據(jù).五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理本實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑為0.020m,有效長(zhǎng)度為1.25m.原始數(shù)據(jù)：廳P空氣進(jìn)口空氣出口進(jìn)口壁溫T1出口壁溫T2孔板壓降5溫度h C溫度12 c(C)(C)A p (

9、kPa)130.2059.60100.1099.803.81231.1060.50100.1099.903.43331.9061.80100.30r 100.303.03432.3062.60100.50100.402.69532.4063.40100.40100.402.22632.5064.00100.40100.501.89732.4064.60100.40100.501.47832.0065.40100.40100.601.05931.6066.30100.40100.700.671031.0066.80100.40100.900.20表1.傳熱膜系數(shù)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)序 號(hào)定性溫 度t (

10、C)密度p(kg/m3)黏度N(NPa s)比定壓熱容Cp(J , kg-1 K1)導(dǎo)熱系數(shù) 入(W- m -K1)體積流量 qv(n3 h-1)質(zhì)量流量-1qm(kg h )144.901.158319.3889 110050.027953.9562.49245.801.162419.384210050.027950.9859.25346.851.159419.4336 110050.028047.6755.27447.451.157919.461910050.028044.7151.77547.901.157519.483010050.028140.3046.65648.251.15711

11、9.4995 110050.028136.9542.75748.501.157519.511310050.028132.2637.34848.701.159019.520710050.028126.9031.18948.951.160519.5325 110050.028221.1024.491049.901.162819.577210050.028210.9912.77表2.傳熱膜系數(shù)試驗(yàn)參數(shù)以第8組數(shù)據(jù)為例,計(jì)算如下:空氣定性溫度 t= (ti+t2)/2= (35+65.4) /2=48.70 C密度 p =8.845 X 10-6 x 112-4.326 乂 10-3 x 11+1.2

12、884=8.845 X 10-6 x322-4.326 x 10-3x 32+1.2884=1.1590 kg/m 3黏度 p = (0.047078 Xt+17.228 ) X 10-6= (0.047078 X48.70+17.228 )X 10-6=1.95207 x 10-5=19.5207 p Pa s比定壓熱容 Cp=1005 J kg-1 K1導(dǎo) 熱系數(shù) =7.6818 X 10-5 x t+0.024395=7.6818 X 10-5 x48.70+0.024395=0.0281 W - m- K1體積流量 qv=26.2 p0.54=26.2 X 1.050.54=26.90

13、 m3 h-1質(zhì)量流量 q卡qvX p =26.90 X 1.159031.18 =31.18 kg h-1J*六 丁 P對(duì)數(shù)平 均溫差A(yù) t m(C)傳熱量Q/W傳熱膜 系數(shù)a/-2(w,m C-1)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr努賽 爾準(zhǔn)數(shù)Nu?uPr0153.03478.0114.8 :570240.697982.395.0252.95486.3117.0540840.697983.896.8352.03461.4113.0503220.697780.793.2451.58437.9108.2 1470600.697577.189.1550.94403.7101.0423650.697471

14、.983.1650.52376.094.8 387930.697467.577.9750.19335.785.2 1338610.697360.670.0849.85290.774.3282580.697352.861.0949.44237.361.1221860.697243.450.21048.05134.835.7 1115450.697025.329.3表3.準(zhǔn)數(shù)處理表以第8組數(shù)據(jù)為例計(jì)算:對(duì)數(shù)平均溫差 tm=ln? -?1? -?殳65.40-32.00:?3?0.4-32.00 , 100.4-65.40=49.85 C傳熱量 Q=qCp ( 12-t 1) /3600=31.18

15、 x 1005 x ( 65.40-32.00 )/3600=290.7W傳熱膜系數(shù) =Q/(A - Atm)A=兀 dl=3.14 X 0.02 X1.25=0.0785_ _ _. 一 一_-2 一 -1=290.7/(0.0785 X49.85) =74.3w m C雷諾準(zhǔn)數(shù)Re4=空"-=28260n d 心 3600 義 3.14 義 0.02 義 19.5207 -6 10普朗特準(zhǔn)數(shù) Pr=CpjL=1005 x 19.5207 XT0 =0.6982入0.0281M g J、4皿 一 ad 74.3 X 0.02 一八八努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu=T=52.9?uPr 0.452.

16、90.6982 0.4=61.1六、結(jié)果討論：(1)從圖中可以看出,不管傳熱是否被強(qiáng)化,Nu/Pr0.4Re關(guān)系曲線的線性都非常好,說明當(dāng)流體無相變時(shí),用量綱分析法推導(dǎo)出的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式 Nu=ARePrn (在強(qiáng)制對(duì)流即忽略 Gr影響時(shí))的準(zhǔn)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/Pr04值比未加混合器時(shí)的大,由于Pr和熱導(dǎo)率入在實(shí)驗(yàn)條件下變化很小,由 Nu=a d/人知,加 混合器強(qiáng)化傳熱后,傳熱膜系數(shù)a變大.說明增大加熱流體的湍動(dòng)程度可以強(qiáng) 化傳熱.(3)實(shí)驗(yàn)中參加混合器后,空氣的出口溫度明顯變高,但孔板壓降那么迅速降低, 說明實(shí)驗(yàn)中,傳熱效果的提升是

17、以增大流動(dòng)阻力為代價(jià)的.由Nu ARem Prn一 Nu及l(fā)g ur lg A mlg Re可知,直線斜率即為雷諾數(shù) Re的指數(shù),而截距即為Pr?lgA,m=0.7733,A=0.0217,經(jīng)對(duì)數(shù)處理得 a =0.0217-?Re07733 Pr04,與公認(rèn)的關(guān)聯(lián)式 0.023 Re08 Pr04 有一點(diǎn)偏差.七、誤差卬析系統(tǒng)誤差,人為操作所造成的誤差,在數(shù)據(jù)處理過程中有效值得取舍帶來 的誤差等等.八、思考題1、本實(shí)驗(yàn)中管壁溫度應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：壁溫接近于蒸氣的溫度.可推出此次實(shí)驗(yàn)中總的傳熱系數(shù)方程為11d2 d2 d21R1R2K 1 d1d1 dm2其中K是總的傳熱系

18、數(shù),a1是空氣的傳熱系數(shù),a2是水蒸氣的傳熱系數(shù),6是銅管的厚度,入是銅的導(dǎo)熱系數(shù),R、R為污垢熱阻.因R、R和金屬壁的熱阻較小,可忽略不計(jì),那么 Tg tw,于是可推導(dǎo)出1T Tw 2 Tw t 1 1顯然,壁溫Tw接近于給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度,對(duì)于此實(shí)驗(yàn),可知壁溫接 近于水蒸氣的溫度.2、管內(nèi)空氣流速對(duì)傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣流速增大時(shí),空氣離開熱交換器時(shí)的溫度將升高還是降低？為什么？答：傳熱膜系數(shù)將變大,但空氣離開熱交換器時(shí)的溫度將降低.由傳熱膜傳熱 系數(shù)的方程易知：傳熱膜系數(shù)a與速度 u的0.8次方成正比,因而流速增大時(shí), a變大.由傳熱平衡方程r qmi qm2Cp2e ti),知流速增大,即qm2增 大后,t2減小,及空氣離開熱交換器時(shí)的溫度降低.3、如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)a的關(guān)聯(lián)有無影響？答：沒有影響.由于本實(shí)驗(yàn)采用的是量綱分