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)

1、(3)mi在直線上任取一點(diǎn)的(4)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(guò)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(guò)作圖確定了傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的

2、系數(shù)A和指數(shù)mn取0.4,得到了半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式.實(shí)驗(yàn)還通過(guò)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mi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(guò)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)mn的方法；3、通過(guò)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(wèn)題是求算傳熱膜系數(shù),當(dāng)流體無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的一般形式為：NuARemPrnGrp1對(duì)于強(qiáng)制湍流而言,Gr準(zhǔn)數(shù)可以忽略,故NuARemPrn2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)mn和系數(shù)Ao用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)

3、時(shí),要對(duì)不同變量Re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：Nu1g07IgAmlgRePr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)函數(shù)值代入方程中,那么可得到系數(shù)A,即：aNuA0.4mPrRe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、min.對(duì)于方程的關(guān)聯(lián),首先要有NuRaPr的數(shù)據(jù)組.其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為：duCpdRe,Pr,Nu實(shí)驗(yàn)中改變空氣的流量以改變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

4、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：QAtm(5)式中：傳熱膜系數(shù),W/(m2C)；Q傳熱量,W;A總傳熱面積mj.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：QWCpt2t1/3600VCpt2t1/3600式中：W質(zhì)量流量,kg/h;Cp流體定壓比熱,J/(kgC)；t1、t2流體進(jìn)、出口溫度C；-定性溫度下流體密度,kg/m3；V流體體積流量,m3/ho空氣的體積流量由孔板流量計(jì)測(cè)得,其流量Vs與孔板流量計(jì)壓降A(chǔ)p的關(guān)系為Vs26.2p0.54式中Ap孔板流量計(jì)壓降,kPa；Vs空氣流量,m/h.三、裝置說(shuō)明1、設(shè)備說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)空氣走內(nèi)管,蒸汽走環(huán)隙(玻璃

5、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)得管壁溫度用一支鋁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1.5kw.風(fēng)機(jī)采用XGB漩渦氣泵,最大壓力17.50kpa,最大流量100m3/h.2、采集系統(tǒng)說(shuō)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

6、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(shuō)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,用于消除熱效應(yīng).61Z4圖47.疊管式換覿宴髓裝式和流程一風(fēng)機(jī)i2一蘢板流ftth3一空氣流址調(diào)節(jié)閥；4一空氣人口他溫點(diǎn)5空氣出口招揪點(diǎn)&一水蒸入口壁濕*7水麋氣出口捱瑞：8落強(qiáng)性氣體放空網(wǎng)t9梅徽水回4ft管；U蒸汽發(fā)生器

7、1一耗水常斗*一補(bǔ)永Rh13一排水腳四、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)值穩(wěn)定后,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).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(guò)高,那么水會(huì)溢入蒸汽套管；過(guò)低,那么可能燒毀加熱器.b、調(diào)節(jié)空氣流

8、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)口溫度Lc空氣出口溫度12c進(jìn)口壁溫T1(C)出口壁溫T2(C)孔板壓降A(chǔ)p(kPa)130.2059.60100.10P99.803.81231.1060.50100.1099.903.43331.9061.80100.30100.303.03432.3062.60100.50100.402.69532.4063.40100.40

9、100.402.22632.5064.00100.40100.501.89732.4064.60100.40100.501.47832.0065.40100.40100.601.05931.6066.30100.40100.700.671031.0066.80100.40100.900.20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(C)密度p(kg/m3)黏度小(世Pas)比定壓熱容Cp(Jkg-1K1)導(dǎo)熱系數(shù)入(WmK1)體積流量qv(nmh-1)質(zhì)量流量-1qm(kgh)144.901.158319.3889:10050.027953.9562.49245.801.162419.384

10、210050.027950.9859.25346.851.159419.433610050.028047.6755.27447.451.157919.461910050.028044.7151.77547.901.157519.483010050.028140.3046.65648.251.157119.499510050.028136.9542.75748.501.157519.5113:10050.028132.2637.34848.701.159019.520710050.028126.9031.18948.951.160519.5325110050.028221.1024.491049

11、.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=(tF/2=(35+65.4)/2=48.70C密度p=8.845X10-6x112-4.326X10-3x11+1.2884=8.845X10-6x322-4.326X10-3x32+1.2884=1.1590kg/m3黍日度w=(0.047078Xt+17.228)X10-6=(0.047078X48.70+17.228)X106=1.95207x105=19.5207pPas比定壓熱容Cp=1005Jkg-1-K1導(dǎo)熱系數(shù)=7.6818X10-5xt

12、+0.024395=7.6818X10-5x48.70+0.024395=0.0281W-m-K-1體積流量qv=26.2p0.54=26.2乂1.050.54=26.90m3h-1質(zhì)量流量qm=qvXp=26.90X1.159031.18=31.18kgh-1廳p對(duì)數(shù)平均溫差A(yù)tm(C)傳熱量Q/W傳熱膜系數(shù)a(wm2C-1)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu?uPr0.4153.03478.0114.8I570240.697982.395.0252.95486.3117.0,540840.697983.896.8352.03461.4113.01503220.697780.793.2

13、451.58437.9108.2470600.697577.189.1550.94403.7101.01423650.697471.983.1650.52376.094.8i387930.697467.577.9750.19335.785.2I338610.697360.670.0849.85290.774.3282580.697352.861.0949.44237.361.1221860.697243.450.21048.05134.835.7:115450.697025.329.3表3.準(zhǔn)數(shù)處理表以第8組數(shù)據(jù)為例計(jì)算:對(duì)新平土勺潟芳At-?-?2-65.40-32.00.4985.八J奴十

14、石頜左tm?!-?1=100.4-32.00=49.85L1n?q-?2?1?0.4-65.40(65.40-32.00)傳熱量Q=qCp(12-ti)/3600=31.18x1005x/3600=290.7W傳熱膜系數(shù)=Q/(Atm)A=dl=3.14x0.02x1.25=0.0785=290.7/(0.0785X49.85)=74.3w-2-1mC雷諾準(zhǔn)數(shù)ReTtdp.4X31.183600X3.14X0.02X19.5207-6=28260普朗特準(zhǔn)數(shù)Pr=Cp上=入0.0281努賽爾準(zhǔn)數(shù)Nu=7竺一金=52.9入0.0281?u52.9:病k61Pr0.4圖2.04Re關(guān)系曲線Pr0.4

15、1005X19.5207X槍八八八八八=0.6982六、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(shuō)明當(dāng)流體無(wú)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/Pr0.4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=ad/人知,加混合器強(qiáng)化傳熱后,傳熱膜系數(shù)a變大.說(shuō)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(shuō)明實(shí)驗(yàn)中,傳熱效果的

16、提升是以增大流動(dòng)阻力為代價(jià)的.由NuARemPrn一Nu及l(fā)g訂lgAmlgRe可知,直線斜率即為雷諾數(shù)Re的指數(shù),而截距即為PrlgA,m=0.7733,A=0.0217,經(jīng)對(duì)數(shù)處理得a=0.0217泄產(chǎn)十產(chǎn),與公認(rèn)的關(guān)聯(lián)式0.023Re0Pr0有一點(diǎn)偏差.七、誤差.析系統(tǒng)誤差,人為操作所造成的誤差,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中有效值得取舍帶來(lái)的慶左守守0八、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11d2d2d21-R1R2K1d1d1dm2其中K是總的傳熱系數(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

17、度,入是銅的導(dǎo)熱系數(shù),R、R2為污垢熱阻.因R、R2和金屬壁的熱阻較小,可忽略不計(jì),那么Tstw,于是可推導(dǎo)出1TTw2Twt11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rqm1qm2Cp2.2t1),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(wú)影響？答：沒(méi)有影響.由于本實(shí)驗(yàn)采用的是量綱分析法,蒸氣的壓強(qiáng)變化會(huì)同時(shí)反響