传热膜系数测定的探究

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

2、了传热膜系数，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、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5l 2.1 实验原理及装置概述5Ø 2.1.1 实验原理5Ø 2.1.2 实验装置7l 2.2 实验设计及流程8第3章 实验数据处理9l 3.1 传热膜系数的测定（未强化）9Ø 3.1.1 实验数据记录（未强化）9Ø 3.1.2 传热膜实验物性计算（未强化）9Ø 3.1.3 传热膜实验准数计算（未强化）11

3、l 3.2 传热膜系数的测定（强化后）12Ø 3.2.1 实验数据记录（强化后）12Ø 3.2.2 传热膜实验物性计算（强化后）13Ø 3.2.3 传热膜实验准数计算（强化后）13l 3.3 方程准数处理14第4章 数据分析与结果讨论15l 4.1 数据分析15Ø 4.1.1数据拟合15Ø 4.1.2结果比较16l 4.2 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

4、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l 2.1 实验原理及装置概述Ø 2.1.1 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n0.4（流体被加热）。这样，上式即变为单变量方程

5、，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值进而算得Nu准数值。 牛顿冷却定律为：式中： 传热膜系数，W/(m

6、8;·)； Q传热量，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，。 传热量可由下式求得：式中： qm质量流量，kg/h； Cp流体定压比热，J/(kg·)； t1、t2流体进、出口温度； 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与孔板流量计压降p的关系为式中 p孔板流量计压降，kPa； Vs空气流量，m3/h。Ø 2.1.2 实验装置² 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

7、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 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

8、板压降、进出口温度和两个壁温。² 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

9、；12-补水阀；13-排水阀l 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（810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

10、。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。第3章 实验数据处理l 3.1 传热膜系数的测定（未强化）Ø 3.1.1 实验数据记录（未强化）序号空气入口温度t1/空气出口温度t2/壁温Tw1/壁温Tw2/孔板压降p1/kPa管路压降p2/kPa136.20 63.40 99.8 99.1 3.81 3.27 237.30 64.40 99.9 99.1 3.37 2.93 337.20 64.80 99.9 99.1 2.85 2.

11、51 436.40 65.00 99.8 99.2 2.34 2.12 535.30 64.90 100.0 99.3 1.90 1.76 634.30 65.00 99.8 99.3 1.58 1.50 733.20 64.80 99.8 99.3 1.40 1.35 832.40 64.70 99.9 99.3 1.21 1.20 931.50 64.60 99.9 99.4 1.05 1.06 1030.80 64.70 100.0 99.4 0.89 0.94 表1 实验数据记录表（未强化）Ø 3.1.2 传热膜实验物性计算（未强化）序号流量Vs/(m3·h-1)空

12、气定性温度tm/平均壁温Tw/空气密度/(kg·m-3)空气粘度/(mPa·s)空气热容Cp/(kJ·kg-1·K-1)导热系数/(W·m-1·K-1)153.95 49.80 99.45 1.145 0.0196 1.031 0.0282 250.49 50.85 99.50 1.141 0.0196 1.030 0.0283 346.12 51.00 99.50 1.141 0.0197 1.030 0.0283 441.46 50.70 99.50 1.144 0.0196 1.030 0.0283 537.05 50.10 9

13、9.65 1.148 0.0196 1.030 0.0282 633.54 49.65 99.55 1.151 0.0196 1.031 0.0282 731.42 49.00 99.55 1.155 0.0196 1.031 0.0281 829.04 48.55 99.60 1.158 0.0195 1.031 0.0281 926.90 48.05 99.65 1.161 0.0195 1.031 0.0281 1024.60 47.75 99.70 1.164 0.0195 1.031 0.0280 表2 传热膜实验物性计算表（未强化）下面以第1组数据为例，介绍各参数的求解过程：（其中

14、，管内径d=0.02m，管长为l=1.25m，下同。）（1）定性物性的计算1 空气定性温度：2 平均壁温：3 流量计算：（2） 定性温度下物性的计算1 空气密度计算：（采用进口温度计算）2 空气粘度计算：3 空气导热系数的计算：4 空气热容计算：Ø 3.1.3 传热膜实验准数计算（未强化）序号流速u/(m·s-1)传热速率Q/W对数平均温度tm/传热膜系数/(W·m-2·K-1)雷诺数Re普朗特数Pr努赛尔数Nu147.73 480.9 48.4 126.4 53000 0.7159 89.68 244.67 446.8 47.4 120.0 50000

15、 0.7157 84.85 340.80 415.8 47.2 112.1 45000 0.7156 79.27 436.68 388.3 47.4 104.3 41000 0.7157 73.79 532.78 360.4 48.1 95.4 37000 0.7159 67.62 629.67 339.4 48.3 89.4 33000 0.7160 63.47 727.80 328.4 48.9 85.5 31000 0.7161 60.80 825.69 311.1 49.4 80.3 29000 0.7163 57.12 923.80 296.1 49.8 75.7 27000 0.7

16、164 53.94 1021.76 278.0 50.1 70.7 25000 0.7165 50.38 表3 传热膜实验准数计算表（未强化）下面以第1组数据为例，介绍各参数的求解过程：1 流速计算：2 传热速率计算：3 对数平均温度计算：4 给热系数计算：5 雷诺数计算：（此时空气的密度以定性温度为基准。）6 普朗特准数计算： 7 努赛尔准数计算： l 3.2 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。Ø 3.2.1 实验数据记录（强化后）序号空气入口温度t1/空气出口温度t2/壁温Tw1/壁温Tw2/孔板压降p1/kPa管路压降p2/

17、kPa129.60 77.30 99.8 99.6 0.30 1.61 229.50 76.70 99.7 99.5 0.44 2.23 329.60 76.10 99.6 99.4 0.56 2.76 430.20 75.60 99.7 99.4 0.75 3.54 531.40 75.40 99.8 99.4 0.96 4.40 633.10 75.40 99.8 99.3 1.18 5.33 735.90 75.80 99.8 99.3 1.42 6.32 839.00 76.30 99.9 99.3 1.68 7.37 表4 实验数据记录表（强化后）Ø 3.2.2 传热膜实验

18、物性计算（强化后）序号流量Vs/(m3·h-1)空气定性温度tm/平均壁温Tw/空气密度/(kg·m-3)空气粘度/(mPa·s)空气热容Cp/(kJ·kg-1·K-1)导热系数/(W·m-1·K-1)113.68 53.45 99.70 1.168 0.0198 1.029 0.0285 216.82 53.10 99.60 1.168 0.0198 1.030 0.0284 319.16 52.85 99.50 1.168 0.0197 1.030 0.0284 422.43 52.90 99.55 1.166 0.01

19、97 1.030 0.0284 525.63 53.40 99.60 1.162 0.0198 1.029 0.0285 628.65 54.25 99.55 1.156 0.0198 1.029 0.0285 731.66 55.85 99.55 1.146 0.0199 1.029 0.0286 834.67 57.65 99.60 1.135 0.0200 1.028 0.0288 表5 传热膜实验物性计算表（强化后）Ø 3.2.3 传热膜实验准数计算（强化后）序号流速u/(m·s-1)传热速率Q/W对数平均温度tm/传热膜系数/(W·m-2·K-

20、1)雷诺数Re普朗特数Pr努赛尔数Nu112.10 217.9 41.9 66.3 13000 0.7150 46.59 214.88 265.2 42.2 80.0 16000 0.7151 56.26 316.95 297.6 42.5 89.1 19000 0.7152 62.71 419.84 339.5 42.8 101.2 22000 0.7151 71.17 522.67 374.6 42.5 112.2 25000 0.7150 78.82 625.34 400.4 41.9 121.8 28000 0.7148 85.39 728.01 413.7 40.6 129.9 30

21、000 0.7144 90.71 830.67 419.3 39.1 136.5 33000 0.7140 94.87 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。l 3.3 方程准数处理对于强制湍流而言，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。流体被加热时，取n0.4。故，可将上述方程化为。在双对数坐标中以为纵坐标，以Re为横坐标作图。 将数据进一步处理：NuPrNu/Pr0.4Re89.7 0.7159 102.5 53000 84.9 0.7157 97.0 50000 79.3 0.7156 90.6 45000 73.8 0

22、.7157 84.4 41000 67.6 0.7159 77.3 37000 63.5 0.7160 72.5 33000 60.8 0.7161 69.5 31000 57.1 0.7163 65.3 29000 53.9 0.7164 61.6 27000 50.4 0.7165 57.6 25000 表7 准数整理表（未强化）NuPrNu/Pr0.4Re46.6 0.7150 53.3 13000 56.3 0.7151 64.3 16000 62.7 0.7152 71.7 19000 71.2 0.7151 81.4 22000 78.8 0.7150 90.1 25000 85.

23、4 0.7148 97.7 28000 90.7 0.7144 103.8 30000 94.9 0.7140 108.6 33000 表8 准数整理表（强化后）第4章 数据分析与结果讨论l 4.1 数据分析Ø 4.1.1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：图2 Nu/Pr0.4Re拟合曲线（未强化） 图3 Nu/Pr0.4Re残差分析（未强化）从Nu/Pr0.4Re拟合曲线可看出，在双对数坐标系下，Nu/Pr0.4Re的关系基本上为线性关系，即lg（Nu/Pr0.4）与lgRe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)

24、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/Pr0.4Re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。图4 Nu/Pr0.4Re拟合曲线（强化后） 图5 Nu/Pr0.4Re残差分析（强化后）Ø 4.1.2结果比较² 1. 将强化前后的数据在同一双对数坐标系下拟合：图6 强化前后Nu/Pr0.4Re对比未强化强化后截距lgA-1.56726-1.61227斜率m0.752980.80381A0.027 0.024 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：强化后：² 2. 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/Pr0.4Re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