北京化工大学传热膜系数测定实验报告

时间:2024.7.17

北 京 化 工 大 学

        

                                                                                          

传热膜系数测定实验

班级:化工1001班      姓名:李泽洲       学号:2010011015

同组人:杨政鸿、陈双全

一、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、蒸汽发生器等装置,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。

二、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。

三、实验原理

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:

            

对于强制湍流而言,Gr准数可以忽略,故

                                   

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:

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:

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:

                                        

式中:

    α——传热膜系数,[W/(m²·℃)];

    Q——传热量,[W];

    A——总传热面积[m2²]。

   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:

         

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/m3³];

V——流体体积流量,[m3³/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

式中  Δp——孔板流量计压降,kpa;

Vs——空气流量,m3/h。

四、实验装置

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

本实验装置流程如下图所示,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。

图1 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、不凝气体放空阀; 9、冷凝水回流管; 10、蒸气发生器; 11、补水漏斗; 12、补水阀; 13、排水阀

五、实验操作

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。

六、实验数据记录及处理

本实验内管内径为0.020m,有效长度为1.25m。

(一)直管传热

原始数据

首先求得空气平均温度,然后查空气平均温度下空气的物性数据表可得下表:

经数据处理可得下表:

以第一组数据为例,计算如下:

空气平均温度

对数平均温度

空气流量   

传热量       

传热膜系数  w/(m2·℃)

努塞尔准数 

普朗特准数 

雷诺数     

(二)加混合器

原始数据:

用相同的方法可查得物性:

经数据处理可得下表:

以第一组数据为例,计算如下:

空气平均温度

对数平均温度

空气流量   

传热量       

传热膜系数  w/(m2·℃)

努塞尔准数 

普朗特准数 

雷诺数     

由以上数据可作出Nu/Pr^0.4 与Re关系图,如下:

实验结果讨论※

(1)从图中可以看出,不管传热是否被强化,Nu/Pr0.4~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=ARemPrn(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/Pr0.4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。

(4)由 及 可知,直线斜率即为雷诺数Re的指数,而截距即为lgA,将未强化时的Nu/Pr0.4~Re的关系曲线进行拟合得α=0.0179;m=0.7959,与公认的关联式有一点偏差。

(5)将加混合器强化时的Nu/Pr0.4~Re的关系曲线进行拟合得α=0.0297;m=0.7903。

七、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qv、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/Pr0.4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:传热膜系数测定实验报告


北 方 民 族 大 学

学生实验报告

院(部): 化学与化学工程

姓 名: 郭俊雄 学 号: 20082995 专 业: 化学工程与工艺 班 级: 081 同组人员: 林艺明、 胡鹏、 秦开勉 课程名称: 化工原理实验 实验名称: 传热膜系数测定实验 实验日期: 2010.11.4 批阅日期: 成 绩: 教师签名:

北方民族大学教务处制

实验名称:传热膜系数测定实验

一、 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;

4. 测定套管换热器的静压损失与雷诺损失的关系。

二、 基本原理

mnp对流传热的核心问题是求算传热膜系数α,当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为:Nu?ARePrGr

对于强制湍流而言。Gr数可忽略,即

Nu?ARemPrn

本实验中,可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数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,得到直线方程为

lgNu?lgA?mlgRe Pr0.4

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带入方程中,则可得系数A,即

A?Nu 0.4mPrRe

用图解法,根据实验点确定直线位置有一定人为性。而用最小二乘法回归,可得到最佳关联结果。应用计算机辅助手段,对多变量方程进行一次回归,就能的道道A、m、n。

对于方程的关联,首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其特征数定义式分别为

Re?du?

?,Pr?Cp?

?,Nu??d ?

实验中改变空气的流量,以改变Re值。根据定性温度(空气进、出口温度的算数平均值)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

Q=αA△tm

2式中α——传热膜系数,W/(m.℃);

Q——穿热量,W;

A——总传热面积,m2;

△tm ——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差,℃。

穿热量可由下式求得

Q?Wcp(t2?t1)/3600??Vscp(t2?t1)/3600

式中W——质量流量,kg/h;

cp——流体的比定压热容,J/(kg.℃);

t1,t2——流体进、出口温度,℃;

ρ——定性温度下流体密度,kg/m3;

Vs——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与孔板流量计压差△p的关系式为 Vs=26.2△p0.54

式中△p——孔板流量计压降,kPa;

Vs——空气流量,m3/h。

三、 装置和流程

1. 设备说明

本实验空气走内管,蒸汽走环隙。内管为黄铜管,其管径为Ф(25×2)mm,有效长度为

1.25m。空气进出口温度和壁温分别由铂电阻和热电偶测得。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的两端。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,最大鸭梨17.50kPa,最大流量100 m3/h。

2. 采集系统说明

(1) 压力传感器

本实验装置采用ASCOM5320型鸭梨传感器,其测量范围为0—20kPa。

(2) 显示仪表

本实验中所有温度和压差均由人工智能仪表读取,测量点分别为:孔板压降,进出口温度,壁温。

3. 流程说明

流程图如下:

传热膜系数测定实验报告

1、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水口 4、补水阀 5、排水阀

6、套管换热器 7、放气阀 8、冷凝水回流管 9、空气流量调节阀

10、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机

四、

1. 2. 3. 4.

操作要点

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。 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。 打开总电源开关。

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(10组数

据),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。

五、 数据处理

原始数据记录如下:

表1.直管传热数据记录表

传热膜系数测定实验报告

表2.强化传热数据记录表

传热膜系数测定实验报告

传热系数相关计算(以表1第一组数据为例):

△tm =

(96.7?49.6)?(96.7?76.2)(tw?t1)?(tw?t2)

℃==34.33℃

w1lnln

(96.7?76.2)(tw?t2)

查取空气物性数据:

Cp=1008 KJ·Kg-1·K-1

-3

定性密度ρm= 1.078 Kg·m 定性温度下Pr :0.701

-3

入口密度ρin =1.128 Kg·m

定性粘度μ=0.198×10 Pa·s

-1-1

定性热导率λ=0.0284 W·m·K

-4

Vs?26.2?p0.54=26.2×1.230.54 m3?h?1=29.30 m3?h?1

Q??inVsCp(t2?t1)/3600=1.078×29.30×1008×(72.6-49.6)/3600=203.40 J·s-1

??

Nu=

203.40Q-2-1

= =71.89 W·m·KA?tm3.14?0.021?1.25?34.33

?d71.89?0.021

==53.16

0.0284?

4qm4?mVs4?1.078?29.30===26879 ?d?3600?d?3600?3.14?0.021?0.198?10?4

Re=

相关计算结果如下:

传热膜系数测定实验报告

传热膜系数测定实验报告

强化传热系数计算结果表

六、

实验结论及误差分析

相关数据关联曲线如下:

传热膜系数测定实验报告

由图可知:

强化传热前,A=0.0317,m=0.7448,n=0.4 则Nu=0.0317Re0.7448Pr0.4

强化后拟合结果:A=0.0493,m=0.7491,n=0.4 则Nu=0.0493Re0.7491Pr0.4

传热膜系数测定实验报告

误差分析:

系统误差,人为操作所造成的误差,读取数据时的跳跃值取其一也可导致误差,在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。

七、 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:接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)>>a(空气)。

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:传热系数α正比于流速,故当空气流速增大时传热系数亦增大,由Q=WCP(t2-t1)/3600=ρVScP(t2-t1)/3600,当Vs增大且维持Q恒定时,温差随着减小,即出口温度降低。

3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验,对的关联有无影响?

mn答:由公式Nu=ARePr,发现其变量均与压强的值无关,故采用不同的蒸汽压无影响。

4.试估算空气一侧的热阻的百分数。

答:忽略污垢热阻时,热阻计算主要为111??,则空气热阻比例为K?1?

1??0.96,即热阻主要表现为空气热阻。 ?0.0280.6836.本实验可采取哪些措施强化传热?

答:提高空气流速,内管加入填充物或采用螺纹管。

编者:郭俊雄

2010.11.06

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