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α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m（n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α、A和m。

一、    实验目的

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。

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：

             （1）       

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

                                   （2）

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。

用图解法对多变量方程进行关联时，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）。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：

                       （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A，即：

                               （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、n。

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为：

              ,   ,                     

实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。

牛顿冷却定律：

                                       （5）

式中：

    α——传热膜系数，[W/(m²·℃)]；

    Q——传热量，[W]；

    A——总传热面积[m²]。

   Δt_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：

         （6）

式中：

    W——质量流量，[kg/h]；

    Cp——流体定压比热，[J/(kg·℃)]；

    t₁、t₂——流体进、出口温度[℃]；

    ρ——定性温度下流体密度，[kg/m³]；

    V——流体体积流量，[m³/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Δp的关系为

                       （7）

式中  Δp——孔板流量计压降，kPa；

Vs——空气流量，m³/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0.020m，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1/2～2/3。

3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。

4、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。

5、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（8～10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，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0.1kpa。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1.25m。

原始数据：

表1.传热膜系数实验原始数据

                        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=（t₁+t₂）/2=（35+65.4）/2=48.70℃

密度ρ=8.845×10^-6×t₁²-4.326×10^-3×t₁+1.2884=8.845×10^-6×32²-4.326×10^-3×32+1.2884=1.1590 kg/m³

黏度μ=（0.047078×t+17.228）×10^-6=（0.047078×48.70+17.228）×10^-6=1.95207×10^-5=19.5207μPa·s

比定压热容Cp=1005 J·kg^-1·K^-1

导热系数=7.6818×10^-5×t+0.024395=7.6818×10^-5×48.70+0.024395=0.0281 W·m·K^-1

体积流量q_v=26.2Δp^0.54=26.2×1.05^0.54=26.90 m³·h^-1

质量流量q_m=q_v×ρ=26.90×1.159031.18 =31.18 kg·h^-1

                               表3.准数处理表

以第8组数据为例计算：

对数平均温差Δt_m==℃

传热量Q=q_mCp（t₂-t₁）/3600=31.18×1005×（65.40-32.00）/3600=290.7W

传热膜系数α=Q/(A·Δt_m)              A=πdl=3.14×0.02×1.25=0.0785                    

            =290.7/（0.0785×49.85）=74.3w·m^-2·℃^-1

雷诺准数Re===28260

普朗特准数Pr===0.6982

努赛尔准数Nu===52.9    ==61.1

                        图2.~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，Nu/Pr^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Nu=ARe^mPrⁿ（在强制对流即忽略Gr影响时）的准确性是很好的。

（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Pr和热导率λ在实验条件下变化很小，由Nu=αd/λ知，加混合器强化传热后，传热膜系数α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。由及可知，直线斜率即为雷诺数Re的指数，而截距即为lgA,m=0.7733,A=0.0217,经对数处理得α=0.0217Re^0.7733Pr^0.4，与公认的关联式有一点偏差。

七、误差分析

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

其中K是总的传热系数，α1是空气的传热系数，α2是水蒸气的传热系数，δ是铜管的厚度，λ是铜的导热系数，R₁、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

显然，壁温Tw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α与速度u的0.8次方成正比，因而流速增大时，α变大。由传热平衡方程 ，知流速增大，即增大后，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α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q_v、传热膜系数α、努塞尔准数Nu等数据上，可以得到不同Re值下的Nu/Pr^0.4值，所以仍然可以进行关联。

4、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K

      a.增大流速减小管径；

      b.内管加填充物；

      c.增加内管的粗糙度；

      d.防止空气等非冷凝气体随水蒸气一起进入外管；

      e.防止有垢层产生（在此实验中影响较小）；

(2)增加传热推动力Δtm

  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A

      a.内管采用波纹管；

      b.内管加翅片（同时，总传热系数K也增大）。

第二篇：散热器热工性能实验报告

实验二  散热器性能实验

一、实验目的

1、通过实验了解散热器热工性能测定方法及低温水散热器热工实验装置的结构。

2、测定散热器的散热量Q，计算分析散热器的散热量与热媒流量G和温差的关系。

二、实验装置

1.水位指示管 2.左散热器  3. 左转子流量计 4. 水泵开关及加热开关组5. 温度压差巡检仪  6.温度控制仪表  7. 右转子流量计  8. 上水调节阀  9.右散热器 10. 压差传感器 11.温度测点T1、T2、T3、T4

图1散热器性能实验装置示意图

三、实验原理

本实验的实验原理是在稳定的条件下测定出散热器的散热量：

Q=GC_P（t_g-t_h）       [kJ/h]

式中：G——热媒流量，  kg/h；

C_P——水的比热， kJ/Kg.℃；     

t_g、t_h——供回水温度， ℃。

散热片共两组:一组散热面积为：1m²

                               二组散热面积为：0.975 m²

上式计算所得散热量除以3.6即可换算成[W]。

低位水箱内的水由循环水泵打入高位水箱，被电加热器加热，并由温控器控制其温度在某一固定温度波动范围，由管道通过转子流量计流入散热器中，经其传热将一部分热量散入房间，降低温度后的回水流入低位水箱。流量计计量出流经每个散热器在温度为t_g时的体积流量。循环泵打入高位水箱的水量大于散热器回路所需的流量时，多余的水量经溢流管流回低位水箱。

四、实验步骤

1、测量散热器面积。

2、系统充水，注意充水的同时要排除系统内的空气。

3、打开总开关，启动循环水泵,使水正常循环。

4、将温控器调到所需温度（热媒温度）。打开电加热器开关，加热系统循环水。

5、根据散热量的大小调节每个流量计入口处的阀门，使之流量、温差达到一个相对稳定的值，如不稳定则须找出原因，系统内有气应及时排除，否则实验结果不准确。

6、系统稳定后进行记录并开始测定：

当确认散热器供、回水温度和流量基本稳定后，即可进行测定。散热器供回水温度t_g与t_h及室内温度t均采用pt100.1热电阻作传感器，配数显巡检测试仪直接测量，流量用转子流量计测量。温度和流量均为每10分钟测读一次。

G_t=L/1000=L·10^-3 m³/h

式中：L——转子流量计读值； l/h；

G_t——温度为t_g时水的体积流量；m³/h

G=G_t·ρ_t         （kg/h）

式中：G——热媒流量，（kg/h）；

ρ_t——温度为t_g时的水的密度，（kg/ m³）。

7、改变工况进行实验：

a、改变供回水温度，保持水量不变。

b、改变流量，保持散热器平均温度不变。

即保持

        恒定

8、求散热器的传热系数K

根据Q=KA（t_p-t₀）   

其中：Q——为散热器的散热量，W

      K——散热器的传热系数，W/m².℃

      A ——散热器的面积，一种为0.975 m²，另一种为1 m²

        t_p ——供回水平均温度，℃

t₀ ——室内温度，℃

9、实验测定完毕：

a、关闭电加热器；

b、停止运行循环水泵；

c、检查水、电等有无异常现象，整理测试仪器。

五、注意事项

1、测温点应加入少量机油，以保持温度稳定；

2、上水箱内的电热管应淹没在水面下时，才能打开，本实验台有自控装置；但亦应经常检查。

六、实验内容及数据处理

1、实验数据记录及结果

2、计算过程

七、思考题

1．分析实验误差产生的原因？

2．如何减小或避免实验误差？