北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称：传热膜系数测定实验
班 级：化实1001
学 号：（小学号）
姓 名：
同 组 人：
实验日期：2012.12.6
传热膜系数测定实验
一、摘要
本实验以套管换热器为研究对象，以冷空气及热蒸汽为介质，冷空气走黄铜管内，即管程，热蒸汽走环隙，即壳程，研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程。通过测得的一系列温度及孔板压降数值，分别求得正常条件和加入静态混合器后的强化条件下的对流传热膜系数α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的图像，分析出传热膜系数准数关联式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。
关键词：对流传热 Nu Pr Re α A
二、目的及任务
1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法；
2、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α的因素，了解工程上强化传热的措施。
三、基本原理
黄铜管内走冷空气，管外走100℃的热蒸汽，壁内侧热阻1/α远远大于壁阻、垢阻及外侧热阻，因此研究传热的关键问题是测算α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：
对于强制湍流有： 
用图解法对多变量方程进行关联，要对不同变量Re和Pr分别回归。本实验可简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。在两边取对数，得到直线方程为
在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点函数值代入方程中，则可得到系数A，即
其中 
实验中改变空气的流量，以改变Re值。根据定性温度计算对应的Pr值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu值。
牛顿冷却定律为 
其中α——传热膜系数，W/(m2?℃)；
Q——传热量，W；
A——总传热面积，m2；
Δtm——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
其中W——质量流量，kg/h；
Cp——冷空气的比定压热容，J/（kg?℃）；
t1,t2——冷空气的进，出口温度，℃；
ρ——定性温度下流体密度，kg/m3；
Vs——冷空气体积流量，m3/h。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V与孔板流量计压降Δp的关系为
式中，Δp——孔板流量计压降，kPa；
V——空气流量，m3/h。
四、装置和流程
套管式换热实验装置和流程
1-风机，2-孔板流量计，3-空气流量调节阀，4-空气入口测温点，5-空气出口测温点，
6-水蒸气入口壁温，7-水蒸气出口壁温，8-不凝性气体放空阀，
9-冷凝水回流管，10-蒸汽发生器，11-补水漏斗，12-补水阀，13-排水阀
1、 设备说明
本实验空气走内管，蒸汽走管隙（玻璃管）。内管为黄铜管，其内径为0.020m，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（Pt100）和热电偶测得。测量空气进、出口的铂电阻应置于进、出管得中心。测量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。
本实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为1.5kW。风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力17.50kPa，最大流量100m3/h。
2 、采集系统说明
(1) 压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kPa。
(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读取，并实验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
本实验装置流程图如下所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量以后，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。放气阀门用于排放不凝性气体，在铜管之前设有一定长度的稳定段，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。
五、操作要点
1、检查蒸汽发生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3～2/3。
2、按下总电源开关，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，接通蒸汽发生器的发热电源，保持放气阀打开，调整好热电偶位置。
3、用计算机控制风机频率为50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；再每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12～13次。
4、将静态混合器插入管中，并将其固定，再次调整好热电偶温度计，将风机频率调回50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12～13次。
5、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场，给蒸汽发生器灌水。
六、数据处理
原始数据如下表：孔板流量计参数c1=26.2,c2=0.54,换热器管长与管径：l=1.25（m），d=0.02（m）
表1.原始数据记录表
数据计算示例：由于本试验温度变化较大，所以需要分别求出各温度下气体的特性参数，内插过程如下：以第一组为例：
定性温度t=(t1+t2）/2=(24.1+55.1)/2=39.6℃
定压比热容Cp=1005(J/kg.K)
热导率λ=0.0267+0.0009*9.6/10=0.027564(W/m.K)
密度ρ=1.165-(0.165-0.128)*9.6/10=1.12948(kg/m3)
黏度μ=18.6+(19.1-18.6)*9.6/10=19.08(μpa.s)
以下为计算过程：仍以第一组为例
对数平均温度△tm=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1）] =[(100.7-55.1)-(99.9-24.1)]/ln[(100.7-55.1)/(99.9-24.1)]=59.42653
换热面积A=πdl
=3.14*1.25*0.02A=0.079m2
冷空气体积流量Vs=26.2△p0.54=26.2*3.490.54
=51.45493（m3/s)
流速u=Vs/(3600*πd2/4)
=51.45493/(3600*3.14/4*0.0262）
=45.51923（m/s)
传热膜系数α=ρVsCp(t2-t1)/(3600*A*△tm)
=1.12948*51.45493*(55.1-24.1)/(3600*0.079*59.42653)
=107.113
各个准数计算：
Nu=αl/λ=107.113*1.25/0.027564=77.734024
Pr=Cpμ/λ=1005*19.08*106/0.027564=0.695668
Re=ρdu/μ=1.12948*1.25*45.51923/(19.08*10-6)=53892.09
Nu/Pr0.4=77.734024/0.6956680.4=89.87735
按照以上方法将实验数据处理如下表所示：
表2.空气特性参数内插结果结果一览表
表3.对流传热膜系数处理结果一览表
图1.Nu/Pr0.4 ~Re在双对数坐标下的关系图
七、实验结论及误差分析
1． 软件线性拟合的直线见上图，由origin趋势线拟合可得，lgNu/pr0.4 =0.77566lgRe-1.70558，R=0.99592,Nu/pr0.4=0.0197Re0.77566
2．化工原理课本上介绍的公式为Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4 ，实验结果与之有一定误差的主要原因：
（1）蒸汽所在的玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，从而降低了传热系数。
（2）在进行传热热量计算时，为了简化实验计算，近似以α代替总传热系数K，即令Q=αAΔtm。
（3）改变压降后，度数时间间隔太短，从而传热体系未达到稳定状态，造成读数与实际情况不相符。
3.影响α的因素及强化传热措施
由课本公式 可知
可知α与以下性质有关：流体流动的速度；流体的对流状况；流体的种类；流体的性质；传热面的形状、位置和大小。
强化传热的措施主要有：
强化传热就是通过人工干预，比如搅拌来提高热量传递速度。
1.增大传热面积，比如使用肋片散热
2.增大扰流，比如增加表面粗糙度
（速变大时坦，工作点下移，流量变大增大而减小，；值
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：管壁温度应接近于蒸汽温度。因为水蒸气对流给热系数α（5500～500）远大于空气的对流给热系数α（10～100），所以水蒸汽与管壁的传热速率空气与管壁间的传热速率大得多，因此管壁温度更接近于蒸汽温度。
2、管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？当空气速度增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？
答：（1）管内空气流动速度将会对传热膜系数造成改变。
（2）当空气速度增加时，空气离开热交换器时的温度(出口温度t2)将降低。
（3）因为空气流量增加会有更多的空气参与热交换，而水蒸气的冷凝量是一定的，那么相同的热量就被更多的冷空气分享，虽然空气速度增大时其湍流程度增加，增强传热效果，但是因为空气对留给热系数相对而言很小，所以影响不大，故空气离开热交换器时，温度降降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响？
答：肯定有影响。不同压强的饱和蒸汽温度不同，,由于本实验总传热系数K用膜传热系数α做近似，当蒸汽压强变化，T1T2t1t2都会发生相应改变，从而导致对数平均温差即平均推动力Δtm发生变化。当总传热量不变时，K必然发生变化，即α变化，则α的关联式变化。
4、试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数
答：空气一侧：假设 α1=100W/m2·K，水蒸汽一侧：假设 α2=10000 W/m2·K，空气一侧热阻为 1/100 欧，水蒸气一侧热阻为 1/10000 欧，所以： K=1/100+1/10000=101/10000，空气一侧热阻占总热阻的百分数为(1/100)/(1/01/10000)=99%
实验完成日期： 20##年 12月 7日
第二篇：传热实验报告
题目
有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，其界面尺寸如图1所示，假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化极小，可以近似的忽略不计。计算:
(1).砖墙截面上的温度分布；
(2).垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。
已知：内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃，砖墙导热系数λ=0.53W/m·℃
一、实验目的
(1). 学习数值模拟的原理和边界条件的处理；
(2).通过数值模拟求出物体的温度场；
(3).比较实际值与数值模拟结果之间的异同。
二、实验原理
已知当导热系数为常数时，对均匀的网络，二维稳态导热的差分方程为
公式1
公式2
Fortran90/95可以用于数字模拟，通过一定的控制结构，以一定的循环方式可以得到与实际结果相当接近的结果，这正是我们这里需要使用的。
在进行数字模拟的过程中我们先设定一个温度场的初场，假设均为0℃ ，然后在相应的边界点上建立边界条件。通过（公式1）可以建立中间点的温度场，通过（公式2）可以建立绝热边界上的温度场。
1．等温边界条件是最简单的情况，相应于热系统的等温边界只要是在数字模拟时，让边界上的各个点都等于某个固定值即可。
2.对于绝热条件，可以证明只要
2T(i-1,j)+T(i,j+1)+T(i,j-1)-4T(i,j)=0
即可使边界得到类似。
3.对于热流边界条件则只要
T(i,j+1)+T(i,j-1)+2T(i-1,j)+2hl/λT(i+1)-(4+2hl/λ)T(i,j)=0
经过上述变化之后，我们就能通过数字模拟对二维导热物体温度场进行模拟，从而得到我们想要的结果。
三、 实验过程
1. 问题简化
对于烟囱或者墙角的稳态导热问题，由于其具有对称性，因而可以取1/4部分进行研究。在对称面上a、b上，可认为符合绝热条件。在其内外表面上c、d上，则形成恒壁温条件。
因此，墙角或烟囱的1/4部分的四个边界条件均为已知，对于角点再具体分析，则可分别列出满足各点要求的差分方程。由联立的差分方程组进行迭代计算，则可得到各点的近似温度值。
2. 差分方程
2.1外部角点
2.2内部角点
2.3平直边界上节点
2.4网格节点示意
说明：1）本实验不存在内热源
2）等温边界条件不存在对流换热
3. 程序设计结果
利用上述原理，Fortran90程序如下：（截屏）
3. 数值计算结果：
温度分布:
30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00 30.00
30.00 28.96 27.94 26.95 26.04 25.27 24.72 24.36 24.15 24.02 23.96 23.92 23.90 23.89 23.89 23.89
30.00 27.94 25.90 23.89 22.00 20.40 19.31 18.64 18.26 18.04 17.93 17.87 17.84 17.82 17.82 17.82
30.00 26.96 23.89 20.81 17.78 15.13 13.57 12.73 12.29 12.06 11.93 11.87 11.84 11.82 11.82 11.82
30.00 26.05 22.02 17.80 13.32 8.90 7.23 6.53 6.20 6.04 5.96 5.92 5.90 5.89 5.89 5.89
30.00 25.30 20.44 15.18 8.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
30.00 24.74 19.34 13.61 7.25 0.00
30.00 24.38 18.67 12.76 6.54 0.00
30.00 24.17 18.29 12.32 6.22 0.00
30.00 24.05 18.09 12.10 6.07 0.00
30.00 24.00 18.01 12.01 6.01 0.00
与热电比拟结果很接近，说明两种模拟方法均可行。
导热量：
外壁面：59.07681W/m
内壁面：59.06147W/m
4. 等温线绘制：
四、 实验总结
通过本次数值模拟实验我了解了传热学数值模拟的一般过程，对此有了更加直观的认识，也体会到数值模拟在现代热力计算中的方便快捷之处。不仅如此，我还进一步熟悉二维稳态温度场的分布特点和Fortran90在数值模拟方面的应用方法。