对流传热系数的测定

1、-对流传热系数的测定作者:日期:对流传热系数的测定一、实验目的和要求（必填 ）?二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 ？?六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得、实验目的和要求1.掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法,了解影响传热系数的因素和强化传2.3.热的径。把测得的数据整理成 Nu B?Ren形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。、实验内容和原理在实际生产中，大量情况采用的是间壁式换热方式进行换热,就是冷、热流体之间有一固体壁面,两流体分别在固体壁面的

2、两侧流动，不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。本实验主要研究汽一气综合换热，包括普通管和强化管。其中，水蒸气和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。1.空气在普通和强化传热管内对流传热系数的测定间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。冷流体与固体壁面的对数平均温差可由式（3）计算:tFig ure 1间壁式传热过程示意图(8间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有QmiCp1 T1-T2m2Cp2 t2-b

3、 aAT -Tw Ma A2 tw -1 mKA Atm?(1)式中：Q传热量，J/s ；分别为热流体、冷流体的质量流量,kg /S ；,J/(kg?C)；,W/ m2TTW M、ttw m分别为热流体、冷流体与固体壁面的对数平均温差,C ；Cp1、Cp2分别为定性温度下热流体、冷流体的比热Ti、T2分别为热流体的进、出口温度，C ；t1、t2 分别为冷流体的进、出口温度, ；1、2分别为热流体、冷流体与固体壁面的对流传热系数2、A 分别为热流体、冷流体测的传热面积，m ;K 以传热面积A为基准的总传热系数，w/(m2?c)；2A 传热面积， m ；Atm 冷、热流体的对数平均温差,C 。热流

4、体与固体壁面的对数平均温差可由式(2)计算:式中:Tw1、Tw2 分别为热流体进、出口处热流体侧的壁面温度,T-Tw mT1 -Tw!T2 - TW2T2 -TW2tw-t mtW1 t1tw2 - t2InJwrltW2 t2?(3)式中：tw1、tw2分别为冷流体进、出口处冷流体侧的壁面温度,热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算:-T2- t1InUT2 -t1(4)冷流体（空气）质量流量m2可由式（5）计算：m2 V P式中：V3空气实际体积流量，m /s ;0 空气在孔板处的密度，kg/m3。本实验中0即为空气在进口温度下对应的密度。无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度

5、0当作1 kg/m3时的读数，因此，如空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式（6）进行校正:?V式中:V 无纸记录仪上显示的空气的体积流量,m3/s。在本装置的套管加热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。当内管材料导热性能很好，即值很大，且管壁厚度较薄时，可认为Tw1 tW1 ,Tw2 QtW2,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得:?( 7)?m2Cp2 t2 - t1a2A2 tW -t mm2Cp2 t? -t1aA tw-t m1实验中测出紫铜管的壁温tW1、tW2 ；冷流体的进出口温度t1、t2,并查取t平均-t1t2下冷流2体对

6、应的Cp2、实验用紫铜管的长度I、内径d2, A2d2l和冷流体的质量流量m2,即可计算出一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上通，下面常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面的对流传热系数介绍其他测定对流传热系数a的实验方法。近似法求算空气侧对流传热系数a以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为2a d11_ bd_ d2d+ Rs2 + + Rs1 +a乃 md1?( 9)式中:d1、d2 分别为换热管的外径、内径,m ；dm 换热管的对流平均直径,b 换热管的壁厚，m ；m2 ? K/W 。换热管材料的导热

7、系数,Rsi、Rs2分别为换热管外侧、内侧的污垢热阻,总传热系数K可由式(1)求得:Qm2Cp2 t2 7A AtmA Atm(10)1Cp2、传热面积A,即可实验测定m2、t1、t2、T1、T2,并查取t平均=2(t1 +t2)下冷流体对应的由上式计算得到总传热系数用本装置进行实验时，考虑忽略换热管两端的污垢热阻、铜管热阻和水对流传热系数远大于空气 对流传热系数，则由式(9)得,由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法测得的 2的准确性就越高。2. 准数方程式?Nu= O.O23Re0.8 Prn1)?2 )对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为:式

8、中：Nu 努赛尔数， Nu=上生,无因次；入d2u PRe 雷诺数，Re=，无因次；CP2 口Pr普兰特数，Pr = J，无因次。入上式适用范围为：Re二1.0 X104 1.2 X105, Pr二0.7 120,管长与管内径之比 L/d 60。当流体被加热时n= 0.4,流体被冷却时n= 0.3。式中:定性温度下空气的导热系数W /( m C)；u 空气在换热管内的平均流速 ，m / S；定性温度下空气的密度，kg./m3 ；Nu - Re直线,确定定性温度下空气的黏度，Pa?s。故由实验获取的实验数据计算出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu= BRen的拟合方程，并与公认的经验公式

9、进行对比，以验证实验结果。、主要仪器设备本实验的装置图如图所示，实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温 度传感器、智能显示仪表等构成。空气一水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气经孔板流量计进入套管换热器内管，流量经变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。7 ,Fig U re 2横管对流传热系数测定实验装置流程图表格 错误！不能识别的开关参数。横管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表名称符号单位冷流体流量Vm3/h冷流体进口温度11C普通管冷流体出口温度t 2c强化管冷流体出

10、口温度t2c蒸汽发生器内蒸汽温度T1c普通管热流体进口端壁温T W1c普通管热流体出口端壁温Tw2c普通管外蒸汽温度Tc加强管热流体进口端壁温TWc加强管热流体出口端壁温twc加强管外蒸汽温度T c备注紫铜管规格 19X 1.5 mm ,即内径为1 6 mm,有效长度为9 8 0mm,冷流体流量范围:316 m 3/h.四、操作方法和实验步骤1.手动操作1.检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，将蒸汽发生器灌水至液位2 / 3（现场实验实际上为4/ 5）处。2 .打开总电源开关、仪表电源开关，选择管路，并与仪表显示一致后，开启蒸汽发生器，加热。同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在

11、100 C左右。3.等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀，使环隙中的冷凝水不断地排出。4.启动风机，调节风量至最大值进行试实验，然后依次减小空气流量（在普通管的时候，从20m/ h到6m3/h）,确定6个实验点（为了保证对数图像上的等间隔，此时应当选择等比数列）。待流量和热交换稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口壁温以及蒸汽温度（利用电脑软件记录)。5.普通管测好后.切换阀门进行强化管数据测定，方法同步骤4 (强化管确定4个实验点即可),记录4组数据。5.实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95 C

12、以下后，再关闭风机电源，关闭总电源，做好清洁工作。2.自动操作1)?前5步准备工作同上操作(2)打开“综合传热系数测定实验 .M CGS组态文件，进入“综合传热系数测定实验软件”界面,点“综合传热系数测定实验”按钮，进入实验界面?)3)输入正确的“实验批号”、“姓名”、“学号”、“装置号”后，点击“确定”按钮，进入实验。(4)点击“竖管传热系数测定实验”按钮，进入实验。5)?)将鼠标移至“竖管传热系数测定实验”上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现竖管传热系数测定实验主窗口。(6 )点击“普通管实验”或“强化管实验”按钮，选择实验。(7)将鼠标移至“加热器气相温度”的数值上，指针转变为手型。单

13、击鼠标左键，出现加热温度设定窗口。(8)加热温度设定窗口默认初始为手动状态，如上图，按实验要求输入加热温度输出值 ，点击“改变输出值”按钮，调节加热功率，此时，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度。注意：A.此处的加热温度输出值并不是真正的加热温度大小，而是希望输出加热功率占最大功率的百分比，数值在0- 1 0 0之间，低于或高于此范围会按最小值0或最大值100处理。B.输入要求的输出值后，若按回车键，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度，但是数据并没有真正传到实验装置的仪表中。因此，必须用鼠标点击“改变输出值”按钮来实现加热温度的调节。此时，可通过手动先调加热

14、功率为100 %，同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在1 00C左右。等有大量蒸气产生时，打开相应的换热器冷凝水排放阀，再调小功率，满足试验要求的蒸气量即可。? ( 9)点击设定窗口中的“手动”按钮，将加热温度调节切换为自动状态，同样可以达到调节加热温度的效果。此时，“输出”比例填充构件失去作用。与手动状态不同的是,此处输入的设定值为实际加热温度的大小，范围为实际的量程 ，不足或超过量程会按两个最值处理。在确认修改时，仍与手动方式一样，需要点击“改变设定值”按钮。步骤8与步骤9效果相同，但在此实验中，只能用手动;(1 0)将鼠标移至“冷流体流量”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，

15、出现流量设定窗口。?(11)流量控制和加热控制一样。待有大量蒸气冒出时，可以打开风机，手动或自动调节流量(1 2 )等实验数据稳定，点击实验主界面中的“数据采集”按钮，记录数据，也可点击“数据浏览”按钮，浏览历史数据；(1 3)多次改变流量，采集适量数据后，可点击“强化管实验”按钮，进行强化管实验，操作方法同普通管，也可以退出实验，步骤同(14)、(15);(14)待实验完成后，点击“退出”按钮，返回“退出实验”窗口，回到“综合传热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统;(15)回到“综合传热系数测定实验软件”界面,再单击“退出实验”按钮退出实验系统95 C以下后，再关闭风

16、机(16)实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至 电源。关闭总电源，将实验装置恢复原状。五、实验数据记录和处理1、实验原始数据记录表格错误！未定义书签。实验原始数据序号冷流体进口温度右/ C冷流体出口温度t2 / C冷流体流量V(m3/h)蒸汽进口处壁温TW1 / C蒸汽出口处壁温TW2 / C管外蒸汽温度T/ C加热 器汽 相温 度/c管道名称119.2 9 869.1981 9.9506100 .1 8 296.9163.031 01.3 02普通管219 . 2 9870.81 5 .72471 00 . 1 8297.0143. 03101.302普通管319.3

17、9 8721 2.300910 0 .18296 .81 62.9 310 1. 30 2普通管419.5739. 7 7613100 . 1 829 6. 61 83.132101.302普通管519.573. 6 9 87 .5 6 03 51 00.1829 6 .5 23. 0 3101. 2普通管61 9. 574.35. 7 37 56100 . 1 829 6.523 .0 3101.2普通管719. 575.31 4.152898.8 969 9.58 81 0 7.061 01 . 2强化管81 9. 67 7.810.5 1 0499. 09499.5881 0 6.7 5

18、 81 01. 2强化管919. 579.38. 1 740 599.09499.588106 .5541 0 1.2强化管11 0 6.55019.39880 . 0 985. 963 6 69 9.0949 9 .5884101. 2强化管注:表格中阴影部分是普通管的温度传感器坏掉了 ，不过并不影响后续的计算。300K时,空气的定压比热容C p= 1 . 0 0 5 kJ/(kg* K)2、对流传热系数求算表格3对流传热系数求算1序号冷流体进口密度kg/ m3实际冷流体 体积流量(m3/h)实际冷流体质量流量(kg /h )实际冷流体质量流量(k g/s)冷流体进出口 平均温度/c管道名称

19、11 . 2 0 8E+ 001.815E+012.192E+016.090E-034.4 2 5 E +01普通21.20 8 E+001.431 E +011.7 28 E +014 .800 E -0 34 .505 E +01普通31.207 E +001.12 0E + 011. 3 52E+ 013.7 54E-034. 57 0E+ 01普通41.207 E +008. 8 99 E+001.0 7 4E+012. 983E-0 34 .625 E + 01普通51 .2 0 7E+006.8 8 2E +008. 306E+002. 3 0 7 E-034.660E+0 1普通

20、61.2 07E+0 05.2 2 3E+0 06. 3 03 E+001.7 51E- 0 34. 6 90E+0 1普通71. 20 7 E+0 01.288 E +011 . 5 55 E + 014.319E-034.74 0 E+ 01强化81.2 0 6E+009. 569E+0 01. 154E+013 .2 0 7E- 034.87 0 E + 01强化91.2 0 7E+007.441E+008.980E + 002. 4 94 E- 0 34. 940E+0 1强化101. 2 07E+005. 42 8E+006. 553E+001. 82 0E -034.975E+01

21、强化表格3各数据来源说明：冷流体进口密度的求取【kg/m 3】:由PV温度成反比。因此不同温度下的密度可由下式求得其中,0(13)30是空气在0C时的密度，大小为1. 29 3 kg/m ;To为OC的热力学温标 273.1 5 K。具体求解方程如下:1-293?273诜kg/m3(14)实际冷流体体积流量【m/hl：V寸p实际冷流体质量流量【kg/h lm ?v即： 质量=密度*体积流量nRT可知，在一定的压力下，一定质量的气体n定，体积和温度成正比，因此,密度和定性温度取冷流体进出口温度的平均值【Clt 平均=-(t 1+t 2)表格4对流传热系数求算 2序号平均温度下的空气热容kJ/(k

22、g?K)进出口温差/Ctw - t m接触面积rf对流传热系数a2管道名称4. 9 641. 20 0 E +1 .005E+004. 9 90E+0 15. 127E-021E+0102普通管4. 8 521. 00 5 E+0 05 .150E+015.127 E - 0 29. 987E+ 012E+01普通管4 .742E+05. 1 2 7E-01.0 0 5E+005. 2 6 0 E+0 18. 1 64E+ 01312普通管4.6 4 5E+06. 7 3 5 E1.00 5 E +005 .350 E +015.12 7 E- 0241+01普通管5. 349E+ 01.00

23、 5 E+005. 4 20E+0 14 .582E+015. 1 27 E-0251普通管4. 5 3 4E+5.1 2 7 E-04 .14 8 E+01.0 0 5E+005.4 8 0E+ 0160 121普通管4. 6 53 E5. 1 27E- 01.005 E+0 05.580 E +0 11.01 5E +027+012强化管4.45 8E +5. 1 27E-08. 2 0 6E1.005E+005.820E+018012+01强化管4 .3 3 9E5 .1 2 7E- 06.73 9E+1. 0 05E+ 005.9 80E+019+01201强化管4. 2 75E+5.

24、 12 7E5 .0 6 6E+01. 0 05E+ 0 06.070E+011 00 1-021强化管表格4各数据来源说明平均温度下的空气热容 【kJ/(kg?K)】(在计算中注意此处单位为kJ)查化工原理附录表得知。进出口温差C】直接由进出口温度的测量值想减即可。指数平均温差C】tw - t mtW1 -t1tw2 -t2InhlAtW2 -t2A2d2l，其中 d2 16mm,l接触面积的计算：【1020mm，所以 Am2】0.051m2。对流传热系数a2【W/(m2?K)】m2Cp2 t2 t1a A2 tw-t m3. 准数关联式表格 错误！不能识别的开关参数。雷诺数的求取序号d 2

25、实际冷流体体积流量(m3/ h)实际冷流体体积流量(m 3 / s)实际流速m/s空气粘度系数冷流体进口密度kg/m3雷诺数管道名称1.6 00 E1.815 E +015 . 043E-032.5 0 81. 960E-051.2 0 8 E+2.47 3 E102E+010 0+04普通1. 6 0 0E1 . 431 E + 013 .9 71.9 7 7E1. 9 60E-051.20 8 E +1.949E+042-0 25E-03+ 0100普通1.600E 1. 12 0E +3.1 1 0E- 01.547E +1.9 6 0 E- 01. 2 07E+001.52 43020

26、 13015E+04普通1.600E-08.899E+002 .472E-031.229E+011.960E-0 51. 2 0 7E+1 .2 1 1E420 0+ 04普通1.6 006 .88 2 E +1 . 9 1 2E- 09.50 81.9 6 0E 051.2 0 7E+09.36 75E-0 2003E+000E+03普通1. 6 OOE7.2 1 6E+1.9 6 0E -01 .20 7 E+07.109E+ 05.22 3 E+001.4 5 1E-036020 0503普通1. 6 0 OE1 .2 8 8E +3.579E-031 . 7 8 01 .9 6 0E-

27、01 .207E+001.7 53E7020 1E+015+ 04强化2.6 5 8E1 .206E+01.30 2 E+01.600E-029 .56 9 E+001.322E+011 . 96 0 E-0580 304强化1. 6 007.44 1 E+0 02 .0 6 7 E 1 . 0 28E1.960E 051 . 20 7 E+ 01.019E-0203+ 0103E+04强化11 .600E-05.428E + 01 .508 E7 .499E +1. 960E-051. 2 0 7E+07 . 3 90020-030 00E +03强化表格 5数据说明内管半径d 2 ml ,

28、由实验书直接提供。实际冷流体体积流量【rm/h】,已求出。实际流速【m/ s】4Vu nd空气粘度系数【Pa?s】，直接查表可得。冷流体进口密度【kg/ m 31 ,已求岀。雷诺数Re3表格6普兰特准数的计算序号平均温度下的空气热容 kJ/ ( k g*K)空气粘度系数导热系数(查表得知)普兰特数管道名称11. 0 051.96E-0 50.0 2836.96E-04普通管71. 0051.96E-050.02836. 96E-04强化管表格6数据说明平均温度下的空气热容 【k J/ (k g* K)】,查表得。空气粘度系数【Pa?s】，直接查表可得。导热系数【W/(m?K)】,直接查表可得。

29、说明：化工原理书后的附录中，以上三个参数都是以一定因此导致所有数据均为一样。的温度区间给出，本次实验中的定性温度全部落入同一个温度区间,表格 错误味定义书签。 努赛尔数的求取序号d2导热系数（查表得知）努赛尔数（求法1）普兰特数雷诺数努赛尔数（求法2）管道名称1.6 02. 830E6 .7 8 4E +2. 4 736.506E+ 010E-02-020 16.960E-0 1E+041普通2.83 0 E- 06. 960E-01. 949 E +5.378E +21. 600E-0225.647E+0 110 401普通1.60 0 E-2. 8 30E4 . 6 16.9 6 0E 0

30、4.41 8E30 2026E+0111.52 4 E+04+ 01普通1 .600E-03.676E+ 0422.8 3 0E-023.80 8 E+016.960E-0 11.211E+ 0 41普通1.6 0 0E-2. 8 33.02 4 E+06.96 0 E9.367E+ 02. 993E50 20E-021-013+01普通1 .6 06. 96 02 . 4 00 E60E-022.8 3 0E-022. 345E+01E-017.109E+ 0 3+01普通1.600E 2 . 8 3 0 E5 . 76.96 0 E- 01.75 3 E+04.9 42E70 20240E

31、+0114+ 0 1强化2 .830E- 04. 63 9E +6. 96 0 E -1 .302E+03. 89 581.600E-0220 10 14E+01强化1.6 00E2 . 83 .81 0 E+6 .9 6 0 E-3.186E +90230E-020 10 11.013E+040 1强化11. 62 .830 E 2.864E +06.9 6 0E-017 .3 9 0E2.47 6强化000E-02021+0 3E+01表格7数据说明内管半径d2 ml，由实验书直接提供。导热系数【W/（m?K）】I努赛尔数（求法1）Nu=二普兰特数，雷诺数，以上两表均已求出。努赛尔数（求法

32、2）Nu = 0.023Re0.8 Prn，流体被加热时n= 0.4。易知，由方法二求得的努赛尔准数将严格符合幕级数为0.8的曲线（经验公式曲线），而方法一求得的努赛尔准数正是我们需要进行拟合的曲线（实验数据曲线），因此我们将使用方法二作为标准曲线加以对照。4. 准数方程式的作图和拟合处理F ig u re 4对数坐标下的强化管准数曲线拟合注：在以上两图中,R2 = 1的曲线为经验公式曲线，R2 1的曲线为实验曲线。六、实验结果与分析误差计算根据拟合直线得出的 Nu和Re关系为：普通管：Nu =0 .0124R e 0.8524强化管：N u=0.0226Re0。 8036根据定性温度时候的P

33、r值为0 .696，代入经验公式 N U = 0 .023Re 0.8P严，得到Nu=0. 0 199Re、0。8普通管误差： B= ( 0.0199 0.0 1 24)/ 0. 0 1 99 *100 % =37.7% n=(0.8 52 4 -0. 8) /0.8*100%= 6 .5 5%强化管误差： B= ( 0 .0199- 0 .0 226)/ 0 .0199*100%=13.6 % n = ( 0. 8 0 36-0. 8 ”0.8*100%= 0 .45 %，以及取实验测得的各个 Re代入方程，可以得到经验公式对应的经验值和实验值的对比如下表误差:表格 错误！未定义书签。普通管

34、误差表管道名称普通管普通管普通管普通管普通管普通管2 .472 7 E1.9 4 89E+1.211 29.36 7 0E+07. 10 8 6 E +雷诺数+ 040 41.5243E+04E+043036 .78 45. 6466E+4. 61 55E+3. 8080E+3 .02 4努赛尔数1E+0 10 10 1014E+012 .3454E+01努赛尔数(经验6.506 05. 3 779E +4.41 8 1E+013. 6 759 E2.9927E + 02. 4000E+0法)E+0101+0 111相对误差4.2 8%5.00%4. 47%3.59%1 . 0 6%2. 2 7%表格 错误！未定义书签。强化管误差表管道名称强化管强化管强化管雷诺数1 . 7 535E+041.302 0 E+041 .01 2 7E + 0 4努赛尔数5.74 0 4 E+014 .63 9 3E+ 0 13.8101E+01努赛尔数(经验法)4.94 2 0 E+0 13. 89 4 6 E+0 13.1855E