气体强制对流传热膜系数测定

1、实验七 气体强制对流传热膜系数测定一实验目的 1测定空气在圆直管中做强制对流时的传热膜系数，井将测量数据整理成准数关联式。 2学会用实验的方法求出描述过程规律的经验公式。 3了解热电偶和数字温度显示仪的配合使用。二实验原理 依据理论公式推导出可实验测定的参数，再把实验得到的参数值整理计算出相关公式。 1空气传热膜系数测定 空气传热膜系数“”和总传热系数“K”的关系式为：其中传热的黄铜管壁厚=0.001米，导热系数=377W/ m·k， 蒸汽冷凝膜热阻系数2 = 2×104，而空气传热膜系数在100上下，对比之下，和都可忽略不计，因此上式可写成：，即：K=。根据牛顿冷却定律：

2、 Q = KFmtm,可改写为：Q = Fmtm，而传热量Q = VsCp(t出t进)，整理后得： （1）式中：传热膜系数，W / m2·k;Vs一空气的体积流量， m3/s;一流量计处的空气密度， kg/m3;Cp一空气定压比热， Jk g ·k;(t出t进)一进出口处气体温差， ;Fm一换热平均面积 m2;tm管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，。tm = （2）T进热蒸汽温度，;这样，我们就可以通过实验测出相关参数，进而求出空气传热膜系数。2准数Nu和Re的求算 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 （3）本实验中，可

3、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。本实验简化上式，即取n=0.4（流体被加热）。对于一定种类的气体，在很宽的温度和压力变化范围内，Pr值变化很小。例如，对于空气，当温度在5070时，Pr=0.6980.694，可取近似值为：Pr=0.7，这样，上式可写成： 即变为单变量方程，再两边取对数，即得到直线方程：，根据实验数据把NuRe关系标绘在双对数坐标纸上，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，从而确定了准数关联式。用图解法，根据实验点确定直线位置有一定的人为性

4、。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（其计算方法见传热实验相关的计算方法附录）。 对于方程的关联，首先要有Nu、Re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）计算对应的空气定压比热CP，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。各式中的温度值是实验时通过热电偶由数字温度显示仪测量得到的，设备上的温度计因精确度没有校核，所以只是作为监测热电偶正常工作用的。三实验装置及工艺流程图3-7 CHR1传热设备流程图1风机；2孔板流量计；3调节

5、阀；4空气套管；5视镜；6温度计；7热电偶；8安全阀；9压力表；10压差计；11蒸汽阀；12放气旋塞；13疏水器；14测量点转换开关；15数字温度显示仪。本实验装置上装有两套同样的传热实验装置，区别在于套管换热器的组成不同，一条的内管是光滑管，另一条内管为螺纹管，两套侍热实验设备对称的固定在架体的两侧。本装置既装有热电偶又装有温度计，同时测定温度。热电偶为铜康铜热电偶（分度号为T），通过与之相接的XMZ数字温度显示仪，显示测量的温度值，该数显仪可对热电偶冷端进行自动补偿。玻璃温度计作为监测热电偶用，以便及时发现热电偶断线或短路等可能出现的故障。本实验流程如图3-7所示，空气由风机1送入管道，经

6、孔板流量计2，再通过空气流量调节阀3进入套管换热器内管后，与逆流进入外套管的蒸汽换热后排向大气，外套管中没有冷凝的气体由放气旋塞12排出，管内结成的冷凝水由疏水器13排出，分别放在四个不同位置的热电偶的触头，由测量点转换开关14控制，通过数字温度显示仪15分别监测这四个位置处的温度，管内空气压强和流量分别由汞柱压差计和水柱压差计监测读取。四实验步骤1打开水阀，向电热蒸汽发生器加水至液位计上端红线处。2合上电闸，给电热蒸汽发生器供电加热，通过电控制器，控制加热过程，一段时间后电热蒸汽锅炉内水沸腾（由于加热时间较长，以上步骤可由指导教师先做好）。3开启风机1向换热器内管送入空气，再打开蒸汽阀11向

7、换热器外套管送入加热蒸汽，并打开放汽旋塞12，排尽管内积存的空气，直到有蒸汽喷出时，再关小放汽旋塞，便于排出不凝性汽体。4当外套管的蒸汽压稳定在1个表压示值时，开启空气流量调节阀3分别调节流量，使空气流量对应的水柱压差计R值分别稳定在下表给定数值的位置。5在每稳定一个示值的同时，读取其前端进风压差计（其显示单位是cm，如初始值不为0，注意减去初始值）和换热段管子的压差计，改变测量点转换开关的位置，通过热电偶配合数字温度显示仪15分别测量空气进口、空气出口、蒸汽、管壁四点的温度。然后调节空气流量调节阀3，使进气流量改变后再稳定到下一个R值的水柱示值处，并再次重复测定，这样按记录表的要求共测取5组

8、实验数据。6实验结束后，停风机1，断开电热蒸汽锅炉电源，停止加热。请记录实验所需调节空气流量R值：数据组号12345光滑管7570656055螺纹管3025201510五实验注意事项1注意安全，防止触电事故发生。2在实验过程中，电加热蒸汽发生器中的水位不能低于液位计下端的红线，否则螺旋电热器有脱水而被烧坏的危险。因此，实验进行中要注意电加热蒸汽发生器的液位是否正常，如低于下面的红线，应立即加水。六传热实验相关的计算方法空气传热膜系数 Nu努塞尔准数 Re雷诺准数 VS空气体积流量（m3/s）（由流量计测取）空气质量流量(Kg/s) 式中：C空气流量系数（C=0.001233） R流量计示值（m

9、mH2O）流经流量计处的空气密度(Kg/m3) ，可按理想气体定律进行：式中：Pa大气压强（mmHg） Rp计前表压（mmHg） t进进口温度（）Cp空气定压比热（J/Kg·K） Cp= 1005 1009 (t定070)（t定70120）t定定性温度（） t定=（t进+ t出）/2 （）Fm空气换热段铜管的换热面积（m2）Fm=·d·Ld 换热黄铜管的内径为0.0178米L 换热黄铜管的管长为1.224米tm对数平均温差（） tm=T蒸汽温度（）T应以数字温度显示仪测量值为准空气导热系数（W/m·）（t定=4080内）管内空气粘度（N·s/m

10、2即帕/秒）= 1.72×10-5 + 4.77×10-8·t定（t定=0120内）Nu计准数通用关联式的计算值Nu计 = 0.0199Re0.8·t （光滑管）Nu计 = 0.00406 Re1.0175·t （螺纹管）t温度修正系数，当气体被加热时：t=式中：Tf定性温度（K） Tf = 273+ t定TW管壁温度（K） Tw = 273+ t壁相对误差 附：用最小二乘法将实验结果整理成准数关联式的方法最小二乘法的基本原理是在具有同一准度的许多测定数据中求最可信值，这数值与测定值之间的偏差的平方和最小，其精度较高，适宜用微机进行计算。对于可

11、由最小二乘法求m和A，方法是对公式两端取对数，有：，设，则上述关联式变为：，经代入各点数值整理得： 或 上述公式中的、代表实测值，n为测定的次数，将相对误差过大的如±15%以上的实测值去掉，剩下的符合实验数据精度的实测值分别代入上述公式即可求得m、a，再由 可求得A，可整理出准数关联式。七实验数据记录与整理（1）实验记录表实验日期：20 年 月 日黄铜管管型 实验时蒸汽压强 （Kgf/cm2表）实验时室温 （） 实验时大气压强 （KPa）加热管规格：内径0.0178 m 管长： 1.224 m序号计前表压Rp(mmH2O)管子压差P（mmH2O）流量计示值R（mmH2O）数字温度显示仪示值（）温度计示值（）备注进口t进出口t出蒸汽T壁温tw进口出口蒸汽12345（2）数据计算和整理结果统计表序号对数平均温差tm（）定 性温 度t定（）空 气粘 度(帕.秒)空 气密 度(Kg/m3)空气质量