传热膜系数测定实验报告(共13页)

1、对流给热系数测定实验XXX对流给热系数测定实验XXX北 京 化 工 大 学化 工 原 理 实 验 报 告实验名称： 对流给热系数(xsh)测定实验班 级： 姓 名： 学 号： 序 号： 同 组 人： 设备(shbi)型号： 对流给热系数测定(cdng)实验设备-第X套实验日期： 一、摘要(zhiyo)选用牛顿冷却定律(dngl)作为对流传热实验的测试原理,通过(tnggu)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

2、，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，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。二、实验目的1、掌握传热膜系数及传热系数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，并分析影响的因素，了解工程上强化传热的措施。三、实验原理热量的传递方式有传导、对流、辐射三种。流体流经固体表面的传热包含壁面薄层的热传导和主体的热对流，总称为对流给热。计算对流

3、给热过程的热量Q和热流密度q等，通常需先确定给热系数。本实验以间壁式换热器中最简单的套管换热器为研究对象，令壳程走热水蒸汽，管程强制逆流走冷空气，跟据牛顿冷却定律可以测得圆管内空气一侧的给热系数1。进一步可以将无因次准数Nu，Re，Pr等按经验形式联系起来，并回归其中的参数A,a。根据已知A,a的通用关联式确定给热系数，也可达到一定的精度要求，是当前工程上确定的重要方法。牛顿冷却定律： = 式中： 内表面给热系数，W/(m)； 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，；进口温度，；出口(ch ku)温度，； 壁温，；壁温，。其中(qzhng)传热量 ，可由

4、下式求得： 式中： W质量(zhling)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； V流体体积流量，m3/h。通过测量p、t1、t2、tw1、tw2，并根据定性温度（t1+t2）/2和设备尺寸计算Cp1、A1，即可确定1。空气一侧的截面温度变化大于壁和水蒸气侧，测量t1、t2时，温度计要放在管道中心偏上位置且气体湍动程度足够，才能测出空气主体平均温度，否则误差很大。内外表面壁温差别很小，实验中将热电偶温度计焊接在管壁中心，测量出壁面温度tw1、tw2.空气流量通过孔板流量计测得，计算方法如下：测量点体积流量：工作点体积流

5、量：式中：p孔板流量计压降，kpa；空气流量，。强化传热（增加Q）的方法有增加K、A和tm。由于套管换热器内表面热阻 （）远远大于壁阻（）及外表面热阻（滴状冷凝且排除不凝气体等干扰， ），因此向套管内加入静态混合器，可以较大提高 ，明显增加K，增加热流量Q。测量强化后的给热系数的方法以及回归参数A，a的关联式形式同上。强化Q付出的代价是空气在管内流动的阻力损失增大，由于空气可压缩等原因，总能量损失除考虑机械能减少外，还应考虑内能的减少等。四、实验(shyn)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(ni jn)为0.020m，有效长度为1.25m。空气进、出口温度和管壁温

6、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(b l)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

7、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(qt)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、

8、排水阀五、实验(shyn)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(gun x)，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。b、调节空气流量时，要

9、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）空气强制湍流给热系数数据(shj)序号频率/Hz进口气温t1/出口气温t1/壁温1tw,1/壁温2tw,2/孔板压降P孔板/kPa管路压降P管路/kPa测量点表压p/kPa测量点密度/kgm-3测量点流量qv/m3h-1工作点温度t/工作点表压p/kPa工作点密度/kgm-3工作点粘度/Pas工作点热导率 /Wm-1-1工作点比热容 cp/Jkg-

10、1-1工作点流量qv/m3h-1工作点气速u/ms-1热流量Q/W对数平均温差tm/给热系数1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4标准值112.02 21.4 59.4 100.4 100.4 0.24 0.41 0.53 1.190 14.1 40.4 0.21 1.115 1.918E-052.707E-02100215.0 13.3 177.2 57.9 40.6 30.0 0.710 15454 34.4 51.6 212.02 21.6 59.5 100.3 100.4 0.32 0.54 0.70 1.192 16.2 40.6 0.27 1.115 1.91

11、9E-052.708E-02100217.4 15.4 204.2 57.8 46.9 34.6 0.710 17846 39.7 57.9 312.02 21.9 59.6 100.4 100.4 0.39 0.65 0.85 1.192 17.9 40.8 0.33 1.115 1.920E-052.710E-02100219.2 17.0 224.3 57.6 51.7 38.1 0.710 19696 43.7 62.7 412.02 22.9 59.8 100.3 100.4 0.59 0.94 1.24 1.193 22.0 41.4 0.47 1.114 1.923E-052.7

12、14E-02100223.6 20.9 270.0 57.0 62.8 46.3 0.710 24196 53.1 73.9 512.02 23.4 59.6 100.5 100.4 0.79 1.21 1.61 1.195 25.5 41.5 0.61 1.115 1.923E-052.715E-02100227.3 24.2 306.9 57.0 71.4 52.6 0.710 28018 60.3 83.1 612.02 24.2 59.5 100.3 100.3 0.98 1.47 1.96 1.196 28.4 41.9 0.74 1.115 1.925E-052.718E-0210

13、0230.4 26.9 333.4 56.6 78.1 57.5 0.710 31189 65.9 90.6 712.02 25.6 59.8 100.3 100.4 1.19 1.76 2.36 1.195 31.3 42.7 0.88 1.114 1.929E-052.723E-02100233.6 29.7 355.8 55.9 84.4 62.0 0.710 34288 71.1 97.7 812.02 27.7 60.2 100.2 100.3 1.59 2.30 3.10 1.195 36.1 44.0 1.15 1.113 1.935E-052.732E-02100238.8 3

14、4.4 390.9 54.7 94.8 69.4 0.709 39514 79.6 109.4 912.02 29.1 60.5 100.2 100.3 1.80 2.58 3.48 1.194 38.5 44.8 1.29 1.111 1.938E-052.738E-02100241.4 36.6 401.6 53.9 98.8 72.2 0.709 41943 82.8 114.8 1012.02 31.1 61.4 100.2 100.2 2.01 2.85 3.86 1.191 40.7 46.3 1.43 1.108 1.945E-052.749E-02100243.8 38.7 4

15、08.9 52.5 103.4 75.2 0.709 44099 86.3 119.5 1112.02 35.0 62.9 100.3 100.2 2.61 3.65 4.96 1.188 46.5 49.0 1.83 1.103 1.958E-052.768E-02100250.1 44.3 428.6 50.0 113.7 82.2 0.709 49878 94.3 131.8 1212.02 39.0 64.4 100.4 100.2 3.49 4.80 6.55 1.191 53.7 51.7 2.40 1.100 1.970E-052.786E-02100258.1 51.4 451

16、.7 47.5 126.3 90.7 0.708 57376 104.1 147.5 计算(j sun)举例（以第一组为例）：测量点表压： kPa测量点密度(md)： 测量点流量(liling)：工作点温度： 工作点表压： kPa工作点密度： 工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出工作点流量： 工作点气速： 热流量： W对数平均温差：给热系数：努赛尔数：普朗特数：雷诺数： ， 2.空气强化传热给热系数实验(shyn)数据（加入静态混合器）蒸汽(zhn q)压力：1.00kPa，=0.00kPa，=0.00kPa，=,壁温=100.3，=0.62，=。（二）空气(kngq)强化

17、传热给热系数原始数据：序号频率/Hz进口气温t1/出口气温t1/壁温1tw,1/壁温2tw,2/孔板压降P孔板/kPa管路压降P管路/kPa测量点表压p/kPa测量点密度/kgm-3测量点流量qv/m3h-1工作点温度t/工作点表压p/kPa工作点密度/kgm-3工作点粘度/Pas工作点热导率 /Wm-1-1工作点比热容 cp/Jkg-1-1工作点流量qv/m3h-1工作点气速u/ms-1热流量Q/W对数平均温差tm/给热系数1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4标准值112.02 32.4 70.5 100.4 100.4 0.18 1.23 1.32 1.157 12

18、.4 51.5 0.62 1.081 1.969E-052.785E-021.002E+0313.2 11.7 151.7 46.4 43.4 31.2 0.708 12849 35.8 44.5 212.02 31.9 70.3 100.3 100.3 0.32 2.02 2.18 1.168 16.4 51.1 1.01 1.087 1.967E-052.782E-021.002E+0317.6 15.6 204.8 46.6 58.3 41.9 0.709 17235 48.1 56.3 312.02 31.6 70.3 100.3 100.3 0.41 2.48 2.69 1.175

19、18.5 51.0 1.24 1.090 1.967E-052.782E-021.002E+0320.0 17.7 234.4 46.7 66.6 47.9 0.709 19571 54.9 62.4 412.02 31.5 70.5 100.4 100.4 0.50 2.94 3.19 1.181 20.4 51.0 1.47 1.092 1.967E-052.782E-021.002E+0322.1 19.5 261.5 46.7 74.3 53.4 0.709 21669 61.3 67.7 512.02 31.9 70.6 100.2 100.2 0.68 3.93 4.27 1.19

20、2 23.7 51.3 1.97 1.096 1.968E-052.784E-021.002E+0325.7 22.8 304.0 46.3 87.2 62.6 0.709 25368 71.9 76.8 612.02 32.6 70.7 100.2 100.1 0.79 4.47 4.87 1.196 25.5 51.7 2.24 1.098 1.970E-052.786E-021.002E+0327.8 24.6 323.1 45.9 93.5 67.1 0.708 27364 77.0 81.6 712.02 33.1 70.9 100.2 100.0 0.91 5.13 5.59 1.

21、203 27.3 52.0 2.57 1.100 1.972E-052.789E-021.002E+0329.8 26.4 345.0 45.5 100.6 72.2 0.708 29425 82.9 86.4 812.02 33.9 71.0 100.2 100.1 0.98 5.46 5.95 1.204 28.3 52.5 2.73 1.101 1.974E-052.792E-021.002E+0330.9 27.4 351.5 45.2 103.2 74.0 0.708 30513 84.9 89.0 912.02 34.7 71.2 100.2 99.8 1.20 6.64 7.24

22、 1.215 31.1 53.0 3.32 1.105 1.976E-052.796E-021.002E+0334.2 30.3 384.5 44.5 114.6 82.0 0.708 33886 94.1 96.8 1012.02 36.3 72.0 100.2 99.6 1.43 7.87 8.59 1.224 33.9 54.2 3.94 1.108 1.982E-052.804E-021.002E+0337.4 33.1 412.0 43.2 126.4 90.2 0.708 37024 103.5 103.9 1112.02 38.9 73.3 100.2 99.4 1.61 8.7

23、9 9.60 1.225 35.9 56.1 4.40 1.106 1.990E-052.817E-021.002E+0339.8 35.2 421.5 41.2 135.7 96.3 0.708 39132 110.6 108.6 1212.02 41.8 74.2 100.2 99.6 1.71 9.31 10.17 1.220 37.1 58.0 4.66 1.102 1.999E-052.830E-021.002E+0341.1 36.3 408.3 39.6 136.7 96.6 0.708 40074 110.9 110.7 计算(j sun)举例（以第一组为例）：测量点表压： k

24、Pa测量点密度(md)： 测量点流量(liling)：工作点温度： 工作点表压： kPa工作点密度： 工作点粘度、热导率、比热容均由纯物质化学性质查询软件查出工作点流量： 工作点气速： 热流量： W对数平均温差：给热系数：努赛尔数：普朗特数：雷诺数： ， 由以上(yshng)数据可作出Nu/Pr0.4 与Re关系(gun x)图，如下：实验(shyn)结果讨论（1）从图中可以看出，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

25、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和热导率在实验条件下变化很小，由Nu=d/知，加混合器强化传热后，传热膜系数变大。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/Pr0.4Re的关系曲线进行拟合得=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/Pr0.4Re的关系曲线进行拟合得=0.0297；m=0.7903。七、思考题：1、本实验中管壁温度应接近(jijn)蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：接近蒸汽温度。管壁温度应接近于蒸汽温度。对于(duy)定态传热过程，Q=KA=1A1(T-Tw)= 2A2(t-tw)。实验过程(guchng)中，铜管换热壁很薄且热导率很大，则可以近似的看做管壁两侧温度基本不变，即tw=Tw,上式可以简化成可知传热面两侧温差之比等于两侧热阻之比。因为水蒸气对流给热系数1约为10000，空气的对流给热系数2约为100，12，则Tw即壁温总是接近于热阻较小，即对流给热系数较大一侧流体