传热膜系数的测定

摘要：在化工领域中，传热膜系数与传热系数对能量传递效率有非常显著的影响，对传热膜系数及传热系数的考察，广泛应用于不同反应器的设计，在提高能量利用效率方面上具有重要意义。本实验采用套管换热器，以100℃的水蒸气冷凝来加热空气，通过测定空气进出口温度和孔板压降来计算传热膜系数，并通过加入螺旋片进行强化传热。通过不同流量下的参数的测定，利用origin软件计算准数关系式中系数A和指数m，得出其准数关系式。通过两次实验对比发现，强化传热是以增加机械能损耗为代价，因而在工程领域需要综合考虑机械能和传热效率，降低工程流体输送成本。

关键词： 传热膜系数 传热系数 origin 准数关系式

基本理论：

对流传热的核心问题时求算传热膜系数，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：

                                            （1）

对于强制湍流而言，数可忽略，即

                                                （2）

在本文中，采用origin软件对上述准数关系式中的指数、和系数进行计算机求解。

该方法中，要求对不同变量的Re和Pr分别回归。本实验测取流体被加热过程中的各参数，因而上述式子中的，这样式(2)便成为单变量方程，两边同时去对数得：

                                           （3）

利用origin软件对其作图，采用双对数坐标，利用线性函数对数据进行拟合，即可很好的求解出自变量对的线性关系，最终拟合结果的和分别对应上述关系式中的与。

对于方程式的关联，首先要有、Re、Pr的数据组。其特征数定义式分别为

实验中通过改变空气的流量，以改变Re值，根据定性温度（空气进出口温度的算术平均值）计算相应的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，进而求得的值。

牛顿冷却定律为：

                                                    （4）

式中——传热膜系数，

——传热量，

——传热面积，，

——管壁温度与关内流体温度的对数平均温差， 

传热量可由下式求得

                           （5）

式中——质量流量，

——流体的比定压热容，

——流体进出口温度，

——定性温度下流体密度，

——流体体积流量，

空气的体积流量由孔板体积流量计测得，其流量与孔板流量计压降的关系为：

                                                   （6）

式中——孔板流量计压降，

 ——流体体积流量，

空气的流速为：

                                                       （7）

流体管路阻力损失为：

                                                           （8）

式中——流体管路阻力损失，

——管路压降，

——流体密度，

实验装置：

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，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极（Pt100）和热电偶测得。测量空气进、出口温度的铂电极应置于进、出管的中心。测量壁温用一支铂电极和一支热电偶分别固定在管外壁两端。孔板流量计的压差和流过换热管的压降由两个压差传感器测得。

实验室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，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、管压降、进口温度、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，进入换热管内管（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。空气的流量通过电脑控制的流量调节阀调节。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冷凝气体。在铜管之前应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。

操作要点：

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  检查蒸汽发生器的水位，使其保持在水罐高度的1/2～1/3。

③  打开电源总开关。

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（3分钟），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，再停风机，清理现场。

注意事项：

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．切记没改变一个流量后，应等到度数稳定后再测取数据。

数据处理

原始数据：

表1.直管相关数据表

表2.混合管相关数据表

数据处理：

本实验的数据处理由如下几个步骤完成：

步骤1：文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数，选取其中部分数据如附录1所示；

步骤2：利用求取各个流量下流体的平均温度，并利用线性插值，求得各个平均温度下的相应物性参数，线性插值具体过程如附录2所示：

步骤3：利用平均壁温和流体进出口温度求得各流量下的，其过程见附表2所示；

步骤4：利用式（6），式（7）求得对应的流量和流速；

步骤5：利用式（5），式（4）求得各流量对应下的传热膜系数

步骤6：利用、Re、Pr数据组的定义式，求得各流量下的、Re、Pr值

步骤7：利用origin对对作图，并利用其中的拟合命令求解得到对应的与；

步骤8：利用式（8）对直管和混合管分别计算其在不同流速下的阻力损失。

上述步骤1-6中涉及到的中间数据和最终结果如下所示：

表3.直管处理中间数据

表4.混合管中间处理数据

步骤7中所得的图如下图2所示：

图2. 与Re关系图

上图origin拟合分析结果如下表5所示：

步骤8中结果如表6，表7以及图3所示：

表6.直管阻力损失与流量关系表

表7.混合管阻力损失和流量关系表

图3.直管与混合管阻力损失比较

结果与讨论：

1.从表5结果所示，在直管下，在混合管下， 经过数据转换后，直管的对流传热准数关系式分别为：

混合管的对流传热准数关系式为：

2.从表6，表7和图3可知，混合管的空气阻力损失明显比直管大。综合上述结论可知，流体流动的传热效率的增加是以机械能的损失为代价，在工程中，应综合考虑各项因素。在避免大的机械能损失前提下，提高流体传热效率，减少成本。

参考文献：

[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268

[2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63

附录1.干空气物性参数

附录2.

 

一维插值过程：

已知相邻的两组数据,求之间的所对应的值，其具体式子如下：

 

求解过程：

式中——平均对数温度 

——分别为冷、热流体温度 

——壁温 

1.      本实验中壁温应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？

答：从本实验的数据（表1,2）可知，壁温基本为100℃左右，更加接近于蒸汽温度。本实验传热系数方程为：

K为总的传热系数，是空气的传热系数，是水蒸气的传热系数，是铜管厚度，是铜的导热系数，为污垢热阻。因和金属壁热阻较小，可忽略不计，则，所以：

壁温接近于传热系数较大的一侧，水蒸气传热系数大，所以壁温更接近蒸汽。

2.      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：对α关联基本无影响。压强的变化会反应在流量qv，蒸汽密度，以及进出口的温度变化上，所以不会影响到对α的关联。

3.      以空气为介质的传热实验中雷诺数Re应如何计算？

答：雷诺数，流速通过孔板压降以及相应的公式求得。而管径为常数，而空气在不同温度下的粘度和密度，需要通过查表求得几个关键温度下的相应值，并利用内插法求得。内插法的具体过程附录2已给出。

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。