1、传热膜系数测定实验报告北京化工大学化工原理实验作者 :日期：传热膜系数测定摘要：选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理 , 通过建立不同体系的传热系统 , 即水蒸汽空气传热系统、 分别对普通管换热器和强化管换热器进行了强制对流传热实验研究。 确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。 本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置 , 让空气走内管 , 蒸汽走环隙 , 用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、 进出口温度和两个壁温 , 计算了传热膜系数 , 并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数 A 和
2、指数 m（取 0.4) ，得到了半经验关联式。实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热 , 并重新测定了 、 A 和 m。一、实验目的、掌握传热膜系数 及传热系数K 的测定方法；、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 的因素 , 了解工程上强化传热的措施。二、基本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 :NuA Rem Pr n Gr p（）对于强制湍流而言,Gr准数可以忽略，故NuA Re mPr n（2）数本实验中 , 可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联
3、式中的指数A。m、n 和系用图解法对多变量方程进行关联时 , 要对不同变量 e 和 r 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 , 即得到直线方程 :lg Nulg A m lg RePr 0.4（3）在双对数坐标中作图 , 找出直线斜率 , 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，即:ANu0.4RemPr(4 ）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。应用微机, 对多变量方程进行一次回归, 就能同时得到 A、m、。对于方程的关联 , 首
4、先要有 Nu、Re、 Pr 的数据组。其准数定义式分别为：du,Cp，dRePrNu实验中改变空气的流量以改变算术平均值）计算对应的 r 的传热膜系数 值进而算得牛顿冷却定律：Re准数的值。根据定性温度 ( 空气进、出口温度的准数值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下 Nu 准数值。QAtm（）式中：传热膜系数 ,W/(m2 ） ;传热量 ,W ;A 总传热面积 2 。 m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 :QW C p t2t1 / 3600VC p t2t1 / 3600(6)式中：W质量流量 , g/ ；C 流体定压比热， J (kg );1、 2流体进、出口
5、温度 ;定性温度下流体密度，kg/m 3 ；流体体积流量 , /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p的关系为Vs26.2 p0.54(7 ）式中p孔板流量计压降，kPa;3 s空气流量， m/h 。三、装置说明1、设备说明本实验空气走内管 , 蒸汽走环隙（玻璃管 ) 。内管为黄铜管，内径为 0.02 ，有效长度为 1.25m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻 ( t 0)和热电偶测得。 测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材
6、料制成，装有玻璃液位计, 加热功率为31.5k 。风机采用 XGB型漩涡气泵， 最大压力 7. 0p，最大流量 100m/h 。、采集系统说明（）压力传感器本实验装置采用 A OM5320型压力传感器，其测量范围为 02。（ 2）显示仪表在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取 , 并实现数据的在线采集与控制 , 测量点分别为 : 孔板压降、进出口温度和两个壁温。3、流程说明本实验装置流程如图 1 所示，冷空气由风机输送 , 经孔板流量计计量后 , 进入换热器内管 ( 铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热，空气被加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。 蒸汽由蒸汽发生器上
7、升进入套管环隙， 与内管中冷空气换热后冷凝 , 再由回流管返回蒸汽发生器 , 用于消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。四、操作流程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。2、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的/ 3。3、打开总电源开关 ( 红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同) 。、实验开始时 , 关闭蒸汽发生器补水阀 , 启动风机，并接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀。、将空气流量控制在某一值。 待仪表数值稳定后， 记录数据 , 改变空气流量（ 10 次) ，重复实验，记录数据。6、实验结束后 , 先停蒸汽发生器电源，再停风机,
8、清理现场。注意 :a 、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适， 液位过高 , 则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。b 、调节空气流量时 , 要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从 0 开始 , 最低不小于 01p。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。c 、切记每改变一个流量后 , 应等到读数稳定后再测取数据。五、实验数据处理本实验内管内径为0.020m, 有效长度为 .25m。原始数据 :序号空气进口温空气出口温进口壁温出口壁温 T2孔板压降1)（）度 t1 度 t2（130.2059.6010.109 80231.1 60.5 10. 99 031.906.801 .3010
9、0.304 2.3062. 010 50 00.405 263 0100. 0104062.5 4001 0100. 0732.406 . 0100.4010 50832. 65 40100. 0100.6 931 666.3000.40100 0 03.0066.80 00. 010.90表 1传热膜系数实验原始数据序定性温密 度 黏度比定压 导热 系数体积 流量号 度（ k( 热容 3-qv （ m h（） ） s）p（k (WmK-1 )-1 K-1 )p( kPa ) .813. 3 .032.6 .221.891. 71 050 67 .20质 量 流 量(kg h-1 ）1 .38
10、0 115839 005.0 7953952.4 1. 19345.04421 0.02 950.9 59. 531.46.5 .1594361 000287. 755 7419.4 47 451.15799 0050.0280447151.7751.1 14 04705300.0 8140 066564. 1. 75949951005 008136.9542 5 0 501.15751951130. 2 1322637. 1. 9.5248.70010050.028126.901.180. 28.951.16059.5325100521.1024.4919.91. 619.577810050
11、.028 1 . 91 77表 2. 传热膜系数试验参数以第 8 组数据为例 , 计算如下 :空气定性温度 t= （t 1+t 2） =(35+ 5.4 ）/ =48.70 密度 884 10- 12432610-3 t +1.288 8.8 5 0-6 22- .326 10-3 321.2 8=11590 k /m黏度 =(0.0 7078t+17.2 8） 0 =(0.047078 4 .70+1.228 ） 10-6 .95207 105=19. 27a比定压热容 Cp=105 J kg- K-1导热系数 =.6818 10 t 0 0243957 81 10-5 8.70+0 043
12、95=0.0281 mK-1体积流量 qv2.2 p 54 . 0 543-1=26.=2.9mh质量流量m=q = .90 115031.1 =31.18 kg1序号对 数平传 热传 热 膜雷 诺 准普 朗 特努赛?u均 温差量 Q/系 数 数 R准 数 尔准Pr0.4t -数 Nu(w m（ ) - )1 5 478 0114.85702406979 2.395.021 .0.696.52. 5486354084983. 32.061.0.9 1050 20 6977.2489515. 10 . 70600.6975.150.50.9 403.7101.04 36597471. 83 13
13、76.69750. 2 .83879467.579730.6.5.19 785.23381736 .684. 29 .2 20. . 7352.861.09250.49. 47.36.122180.69723101.48.054.8 . 154597025. .3表 3. 准数处理表以第 8 组数据为例计算 :对数平均温差t =?-? 65.40-32.00= 49.85 12= 100.4-32.00? -?ln 11? -?100.4-65.4012传热量 Q=q p（tt) 3600=31.18 105(65.40-3 .0 )/m2160 20.7W传热膜系数 Q/(A t )A= l
14、 .14 0.02 1.25 0.078 =-190.7 （ 0.078 49. 5)=74.3w m4 qm4 31.18=8260雷诺准数 Re=-6 d 3600 3.14 0.0219.5207 10普朗特准数 Pr=Cp 1005 19.5207-610 =.6 820.0281 d74.3 0.02?u=52.9=611努赛尔准数 Nu=2.9Pr 0.40.40.02810.69821000.0y = 0.0217x 0.7733100.010.010000100000?u图 2. Pr 0.4 Re关系曲线六、结果讨论：（ 1) 从图中可以看出， 不管传热是否被强化， N Pr
15、 0.4 Re关系曲线的线性都非常好 , 说明当流体无相变时, 用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式Numn（在强制对流即忽略 Gr 影响时）的准确性是很好的。AReP(2 ）从图中可以看出, 在相同的雷诺数下，加混合器后的Nu/Pr 0.4值比未加混合器时的大, 因为P和热导率在实验条件下变化很小，由Nu / 知 , 加混合器强化传热后， 传热膜系数变大。 说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。(3) 实验中加入混合器后 , 空气的出口温度明显变高， 但孔板压降则迅速降低， 说明实验中，传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。由 N uA Re m Pr n 及lg Nulg Am lg
16、 Re可知，直线斜率即为雷诺数 Re 的指数，而截距即为Pr0.4?0.7733P0.4，与公认的 A, =0.7733,A= .021 , 经对数处理得 .0217 eRe0.8 Pr0.4 有一点偏差。?关联式0.023七、误差分析d系统误差 , 人为操作所造成的误差 , 在数据处理过程中有效值得取舍带来的误差等等。八、思考题1、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：壁 温接 近于 蒸气 的温 度 。 可推出 此次 实验中总 的传 热系数方 程为11d2R1d2d2R 21Kd1d1dm12其中 K 是总的传热系数 , 1 是空气的传热系数， 2 是水蒸气的传热系数， 是
17、铜管的厚度，是铜的导热系数, 1、R2 为污垢热阻。因 R1、R2 和金属壁的热阻较小，可忽略不计 , 则 Tw tw, 于是可推导出1TTw2Twt11显然 , 壁温 w 接近于给热系数较大一侧的流体温度, 对于此实验 , 可知壁温接近于水蒸气的温度。2、管内空气流速对传热膜系数有何影响?当空气流速增大时 , 空气离开热交换器时的温度将升高还是降低?为什么 ?答：传热膜系数将变大， 但空气离开热交换器时的温度将降低。由传热膜传热系数的方程易知： 传热膜系数与速度u 的 0.8 次方成正比， 因而流速增大时， 变大。由传热平衡方程rqm1qm 2Cp 2(t2t1 ) , 知流速增大 , 即
18、qm2 增大后 , t 2 减小，及空气离开热交换器时的温度降低。3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验, 对的关联有无影响？答 : 没有影响。因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数 Re、流量 qv、传热膜系数、努塞尔准数 Nu等数据上，可以得到不同 Re值下的 Nu/Pr .4 值，所以仍然可以进行关联。、本实验可采取哪些措施强化传热?答：本实验可从以下三个方面来强化传热:(1) 增加总传热系数 Ka 增大流速减小管径 ;b 内管加填充物； c. 增加内管的粗糙度； . 防止空气等非冷凝气体随水蒸气一起进入外管；. 防止有垢层产生（在此实验中影响较小） ；(2) 增加传热推动力t a. 增大外管压强 , 提高水蒸气温度 ( 效果不大 );(3 ）增加传热面积Aa 内管采用波纹管； . 内管加翅片 ( 同时 , 总传热系数 K 也增大 ) 。
