传热膜系数测定实验报告

学生实验报告

        院（部）：        化学与化学工程                   

姓   名：      闵云超      学  号： 20091400    

专   业：   化学工程与工艺  班  级：    092    

同组人员：  闵云超、宋小玲           

课程名称：       化工原理实验                     

实验名称：       传热膜系数测定实验               

实验日期：    2011/10/13  批阅日期：             

成    绩：                 教师签名：             

北方民族大学教务处制

实验名称：传热膜系数测定实验

一、目的及任务

1.掌握传热膜系数α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α的因素，了解工程上强化传热的措施；

4.测定套管换热器的静压损失与雷诺损失的关系。

二、基本原理

对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为： 

对于强制湍流而言。Gr数可忽略，即

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数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n=0.4(流体被加热)。这样，上式即变为单变量方程，在两边取对数，得到直线方程为

在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点函数值带入方程中，则可得系数A，即

用图解法，根据实验点确定直线位置有一定人为性。而用最小二乘法回归，可得到最佳关联结果。应用计算机辅助手段，对多变量方程进行一次回归，就能的道道A、m、n。

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其特征数定义式分别为

，， 

实验中改变空气的流量，以改变Re值。根据定性温度(空气进、出口温度的算数平均值)计算对应的Pr值。同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu值。

牛顿冷却定律为

Q=αA△tm

式中α——传热膜系数，W/(m2.℃)；

 Q——穿热量，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，℃。

穿热量可由下式求得

式中W——质量流量，kg/h；

  cp——流体的比定压热容，J/(kg.℃)；

 t1,t2——流体进、出口温度，℃；

  ρ——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与孔板流量计压差△p的关系式为

Vs=26.2△p0.54

式中△p——孔板流量计压降，kPa；

Vs——空气流量，m3/h。

三、装置和流程

1.设备说明

本实验空气走内管，蒸汽走环隙。内管为黄铜管，其管径为Ф(25×2)mm，有效长度为1.25m。空气进出口温度和壁温分别由铂电阻和热电偶测得。测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。测量管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁的两端。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，最大鸭梨17.50kPa，最大流量100 m3/h。

2.采集系统说明

(1)压力传感器

本实验装置采用ASCOM5320型鸭梨传感器，其测量范围为0—20kPa。

(2)显示仪表

本实验中所有温度和压差均由人工智能仪表读取，测量点分别为：孔板压降，进出口温度，壁温。

3.流程说明

流程图如下：

1、蒸汽发生器   2、蒸汽管    3、补水口     4、补水阀    5、排水阀

6、套管换热器   7、放气阀     8、冷凝水回流管   9、空气流量调节阀

10、压力传感器     11、孔板流量计        12、空气管      13、风机

四、操作要点

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1/2—2/3。

3.打开总电源开关。

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(10组数据)，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。

五、数据处理

原始数据记录如下：

表1.直管传热数据记录表

△tm =℃=40.17

查取空气物性数据：

Cp=1.0072 KJ·Kg-1·K-1

定性密度ρm= 1.1118 Kg·m-3

定性粘度μ=0.198×10-4  Pa·s

定性热导率λ=0.027 W·m-1·K-1

Pr=Cp*u/λ=0.716

=26.2×2.410.54 =42.13

=1.1118×42.13×1.0072×1000x（72.6-49.6）/3600=363.003J·s-1

= 115.11  W·m-2·K-1

Nu==85.27

Re===43163

相关计算结果如下：

直管传热

相关数据关联曲线如下：

由图可知：

强化传热前，m=0.7781  lgA=-1.6145,则A=0.0243

则Nu=0.024Re0.7781Pr0.4

强化后拟合结果：m=0.7349，lg=-1.1977，则 A=0.0634

则Nu=0.063Re0.7349Pr0.4

误差分析：

系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的跳跃值取其一也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。

七、思考题

1.本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度？为什么？

答：接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)>>a(空气)。

2.管内空气流速对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？

答：传热系数α正比于流速，故当空气流速增大时传热系数亦增大，由Q=WCP(t2-t1)/3600=ρVScP（t2-t1）/3600，当Vs增大且维持Q恒定时，温差随着减小，即出口温度降低。

3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对的关联有无影响？

答：由公式Nu=ARemPrn，发现其变量均与压强的值无关，故采用不同的蒸汽压无影响。

4.试估算空气一侧的热阻的百分数。

答：忽略污垢热阻时，热阻计算主要为，则空气热阻比例为，即热阻主要表现为空气热阻。

6.本实验可采取哪些措施强化传热？

答：提高空气流速，内管加入填充物或采用螺纹管。

编者：闵云超

  2011/10/13