传热膜系数测定的探究资料

1、传热膜系数测定的探究学院化学工程学院专业化学工程与工艺班级化实1101姓名张策同组人何鹏李佳邱宝成学号2011011167摘要本实验选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理 ，并通过 建立不同体系的传热系统，即水蒸汽一空气传热系统，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。另，本实验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 a并

2、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 a A和m。关键词：传热，传热膜系数目录第1章引言4.第2章实验原理及实验设计5.2.1实验原理及装置概述5实验原理5.实验装置7.2.2实验设计及流程8第3章实验数据处理9.3.1传热膜系数的测定（未强化）9实验数据记录（未强化） 9传热膜实验物性计算（未强化） 9传热膜实验准数计算（未强化） 113.2传热膜系数的测定（强化后） 12实验数据记录（强化后）12传热膜实验物性计算（强化后） 13传热膜实验准数计算（强化后） 133.3方程

3、准数处理 14第4章数据分析与结果讨论154.1数据分析15数据拟合15结果比较164.2思考性问题18第1章引言在工业生产中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交 换的设备称为换热器。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器, 它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到壁面的另一 侧（对流给热），通过坚壁内的热传递再由间壁的另一侧将热传递给 冷流体。从而使热流体物流被冷却，冷流体被加热，满足化工生产中 对冷物流或热物流温度的控制要求。对流给热的核心问题是求算传热 膜系数。第2章实验原理及实验设计2.1实验原理及装置概述? 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

4、时对流传热准数关联式的一般形式为：Nu A Rem Prn Grp对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故Nu A Rem Prnm、n和本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数 系数A。这样，上式即变为单变量方程，在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）两边取对数，即得到直线方程:Nu ig 0-4 ig a Pr在双对数坐标中作图，找出直线斜率，点的函数值代入方程中，则可得到系数 A，Numlg Re即为方程的指数m。在直线上任取一即:A PRem用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性

5、。 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:Re 如，Pr ，Nu 上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a值进而算得Nu准数值。牛顿冷却定律为：Q A tm式中:a传热膜系数，W/(m2：C);Q传热量，W;A总传热面积m2;Atm管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，C。传热量可由下式求得：Q qmCpt2 ti /3600VSC

6、pt2 ti /3600式中：qm质量流量，kg/h;Cp流体定压比热，J/(kg C)；ti、t2流体进、出口温度C ；P定性温度下流体密度，kg/m3;Vs流体体积流量，m3h。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 巾的关 系为VS 262 p0.54式中耶孔板流量计压降，kPa；Vs空气流量，m3/h。? 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，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

7、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 020kPa。（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

8、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2.2实验设计及流程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

9、在水罐高度的1/22/3。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。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

10、量后，应等到读数稳定后再测取数据。第3章实验数据处理3.1传热膜系数的测定（未强化）? 实验数据记录（未强化）序号空气入口温度t/C空气出口温度t2/ C壁温Tw1/C壁温Tw2/ C孔板压降ApkPa管路压降4）2/kPa136.2063.4099.899.13.813.27237.3064.4099.999.13.372.93337.2064.8099.999.12.852.51436.4065.0099.899.22.342.12535.3064.90100.099.31.901.76634.3065.0099.899.31.581.50733.2064.8099.899.31.401.

11、35832.4064.7099.999.31.211.20931.5064.6099.999.41.051.061030.8064.70100.099.40.890.94表1实验数据记录表（未强化）?3.1.2传热膜实验物性计算（未强化）序流里空气定性温度平均壁温空气密度空气粘度空气热容导热系数号Vs/(m3 h-1)tm/CTw/Cp/(kg m-3)M(mPa s)Cp/(kJ kg-1 K-1)”(W m-1 K-1)153.9549.8099.451.1450.01961.0310.0282250.4950.8599.501.1410.01961.0300.0283346.1251.0

12、099.501.1410.01971.0300.0283441.4650.7099.501.1440.01961.0300.0283537.0550.1099.651.1480.01961.0300.0282633.5449.6599.551.1510.01961.0310.0282731.4249.0099.551.1550.01961.0310.0281829.0448.5599.601.1580.01951.0310.0281926.9048.0599.651.1610.01951.0310.02811024.6047.7599.701.1640.01951.0310.0280表2传热膜

13、实验物性计算表（未强化）F面以第1组数据为例，介绍各参数的求解过程:(其中，管内径d=0.02m,(1)定性物性的计算管长为l=1.25m,下同。)空气定性温度：tmt1t236.2063.4022平均壁温：T wT w1Tw299.899.12 2流量计算：Vs26.2 p0.54 26.2 3.8o49.80 C099.45 C4 53.95m3/h(2)定性温度下物性的计算 空气密度计算：1.2715 0.0035 t 1.2715 0.0035 36.2 1.144&g/m3 (采用进口温度计算) 空气粘度计算：(1.71 0.005 tm) 105 (1.71 0.005 4

14、9.80) 105 1.9590 105Pa s 空气导热系数的计算：(2.4513 0.0074 tm) 102 (2.4513 0.0074 49.80) 102 0.02819W m1 K 1 空气热容计算：Cp 8.3145 (3.653 1.337 10 3t3.29410 6t21.913 10 9t30.2763 1012t4)/298.3145 (3.653 1.337 1 0 349.803.2941 0 6 49.8021.913 1 0 949.803124110.2763 1049.80 )/291.03053kJ kg K? 传热膜实验准数计算（未强化）序号流速u/(

15、m s-1)传热速率Q/W对数平均温度tm/C传热膜系数a（W m-2 K-1）雷诺数Re普朗特数Pr努赛尔数Nu147.73480.948.4126.4530000.715989.68244.67446.847.4120.0500000.715784.85340.80415.847.2112.1450000.715679.27436.68388.347.4104.3410000.715773.79532.78360.448.195.4370000.715967.62629.67339.448.389.4330000.716063.47727.80328.448.985.5310000.716

16、160.80825.69311.149.480.3290000.716357.12923.80296.149.875.7270000.716453.941021.76278.050.170.7250000.716550.38表3传热膜实验准数计算表（未强化）F面以第1组数据为例，介绍各参数的求解过程: 流速计算:4Vsd24 53.95120.02360047.73m/s 传热速率计算:VsCp(t2 ti)1.144853.9511030.53(63.4036.20)480.901 W3600 对数平均温度计算:tm(Tw1匕)(Tw2t?)lnZ(Twt2)(99.8 36.2) (99.

17、1 63.4)(99.8 36.2)In(99.1 63.4)48.448s C 给热系数计算:QA tm480.9010.02 1.25 48.448126.447W/(m K 1) 雷诺数计算:Redu0.02 47.73 1.09720.00001959053463（此时空气的密度以定性温度为基准。） 普朗特准数计算:PrCp103°.53 0.000019590 0.71590.028198 努赛尔准数计算:Nu126.4470.020.028198=89.48463.2传热膜系数的测定（强化后）将管内加入静态混合器后，重复上述步骤，进行实验数据测定及处理。?实验数据记录（强

18、化后）序号空气入口温度t1/C空气出口温度t2/C壁温Tw1/C壁温Tw2/C孔板压降Ap1/kPa管路压降4）2/kPa129.6077.3099.899.60.301.61229.5076.7099.799.50.442.23329.6076.1099.699.40.562.76430.2075.6099.799.40.753.54531.4075.4099.899.40.964.40633.1075.4099.899.31.185.33735.9075.8099.899.31.426.32839.0076.3099.999.31.687.37表4实验数据记录表（强化后）? 322传热膜实

19、验物性计算（强化后）序流里空气定性温度平均壁温空气密度空气粘度空气热容导热系数号Vs/(m3 h-1)tm厂CTw/Cp/(kg m-3)M(mPa s)Cp/(kJ kg-1 K-1)”(W m-1 K-1)113.6853.4599.701.1680.01981.0290.0285216.8253.1099.601.1680.01981.0300.0284319.1652.8599.501.1680.01971.0300.0284422.4352.9099.551.1660.01971.0300.0284525.6353.4099.601.1620.01981.0290.0285628.6

20、554.2599.551.1560.01981.0290.0285731.6655.8599.551.1460.01991.0290.0286834.6757.6599.601.1350.02001.0280.0288表5传热膜实验物性计算表（强化后）?3.2.3传热膜实验准数计算（强化后）序流速传热速率对数平均温度传热膜系数雷诺数普朗特数努赛尔数号u/(m s-1)Q/Wtm/Ca(W m-2 K-1)RePrNu112.10217.941.966.3130000.715046.59214.88265.242.280.0160000.715156.26316.95297.642.589.11

21、90000.715262.71419.84339.542.8101.2220000.715171.17522.67374.642.5112.2250000.715078.82625.34400.441.9121.8280000.714885.39728.01413.740.6129.9300000.714490.71830.67419.339.1136.5330000.714094.87表6传热膜实验准数计算表（强化后）注：以上数据计算过程及相应算法均和 3.1相同。3.3方程准数处理对于强制湍流而言，Nu A Rem Prn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。流体被

22、加热时，取0.4。故，可将上述方程化为ig NU4 IgA mlgRe在双对数坐标中以为纵坐标，以Re为横坐Pr .。Pr .标作图。将数据进一步处理：NuPrNu/Pr0.4Re89.70.7159102.55300084.90.715797.05000079.30.715690.64500073.80.715784.44100067.60.715977.33700063.50.716072.53300060.80.716169.53100057.10.716365.32900053.90.716461.62700050.40.716557.625000表7准数整理表（未强化）NuPrNu/

23、Pr°.4Re46.60.715053.31300056.30.715164.31600062.70.715271.71900071.20.715181.42200078.80.715090.12500085.40.714897.72800090.70.7144103.83000094.90.7140108.633000表8准数整理表（强化后）第4章数据分析与结果讨论4.1数据分析? 数据拟合将3表7与表8所处理的数据绘制在双对数坐标系中，如下图:959085804.75r70uN650.66055L0.4! Nu/Pr250003000035000400004500050000Re

24、:Nu/Pr0.4拟合曲线-0.40.40.20.02000030000400005000060000Re Regular Residuali nil-0.2图2 Nu/Pr°4 Re拟合曲线（未强化）图3 Nu/Pr0.4 Re残差分析（未强化）从Nu/Pr0.4 Re拟合曲线可看出，在双对数坐标系下，Nu/Pr0.4 Re的关系基本上为线性关系，即lg （Nu/Pr0.4）与IgRe的线性关系。从残差图可看出，所有实验数据的残差在数值上均在（-0.4,0.6）区间内。此区间在（-2,2）内，说明，所有的试验点的可靠性均符合要求。如图4、5。在强化后的Nu/Pr°4 Re

25、的拟合图及残差图依然可以分析得到，此时的数据在双对数坐标下仍然符合线性关系，且所有试验点均可靠11010090800.4-Nu/PrNu/Pr0.4拟合曲线-Regular Residual4 PUN70a -16050-21000015000200002500030000 35000Re图4 Nu/Pr0.4 Re拟合曲线（强化后）1000020000Re30000图5 Nu/Pr0.4 Re残差分析（强化后）? 结果比较1. 将强化前后的数据在同一双对数坐标系下拟合:140120100806020000ReNu/Pr0.4未强化实验值Nu/Pr0.4强化后实验值Nu/Pr0.4未强化拟合曲

26、线Nu/Pr0.4强化后拟合曲线4010000300004000050000 60000图6强化前后Nu/Pr0.4 Re对比未强化强化后截距IgA-1.56726-1.61227斜率m0.752980.80381A0.0270.024表9强化前后拟合结果由表9的数据可得出该实验对对流传热准数关联式参数的测量结果，从而得到该方程为：未强化：Nu 0.027 Re0.75 Pr0.4强化后：Nu 0.024 Re0.80 Pr0.42. 结果讨论与误差分析(1) 从图2、4、6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和热导率入在实验条件下变化很小，由Nu= a/入知，加混 合器强化传热后，传热膜系数a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