北 京 化 工 大 學(xué)實 驗 報 告課程名稱： 化工原理實驗 實驗日期： 2010.12.13班 級： 化工0809 姓 名： 師丹彤同 組 人： 馮敏、孫程、許世佩 裝置號： 2號裝置傳熱膜系數(shù)測定實驗一、摘要本實驗使用套管換熱器進(jìn)行換熱實驗，由風(fēng)機(jī)、孔板流量計、蒸汽發(fā)生器等組成整套實驗裝置，讓空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙，用計算機(jī)在線采集與控制系統(tǒng)測量孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩端壁溫，由此計算傳熱膜系數(shù)，并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m（n取0.4），得到了半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。實驗還通過在內(nèi)管中加入靜態(tài)混合器的辦法強(qiáng)化了傳熱，并重新測定了、A和m。整個實驗進(jìn)展順利，成功完成了相關(guān)任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目的。關(guān)鍵詞:傳熱膜系數(shù) 準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式 半經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式 二、實驗?zāi)康募叭蝿?wù)1、掌握傳熱膜系數(shù)及傳熱系數(shù)K的測定方法；2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；3、通過實驗提高對準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響的因素，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施。三、基本原理對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，當(dāng)流體無相變時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為：對于強(qiáng)制湍流而言，Gr數(shù)可忽略，即本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式，即取n=0.4（流體被加熱）。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取多?shù)，得到直線方程為在雙對數(shù)坐標(biāo)中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即用圖解法，根據(jù)實驗點確定直線位置有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計算機(jī)輔助手段，對多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時得到A、m、n。對于方程的關(guān)聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準(zhǔn)數(shù)定義式分別為： ，實驗中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度（空氣進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值）計算對應(yīng)的Pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進(jìn)而求得Nu值。牛頓冷卻定律為式中 傳熱膜系數(shù)，W/（m2）；傳熱量，；總傳熱面積，m2；tm管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，。傳熱量可由下式求得：式中 W質(zhì)量流量，kg/h；Cp流體的定壓比熱容，J/（kg）；t1、t2流體進(jìn)、出口溫度，；定性溫度下流體密度，kg/m3；Vs流體體積流量，m3/h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計測得，其流量與孔板流量計壓降P的關(guān)系為式中 P孔板流量計壓降，KPa，Vs空氣流量，m3/h。四、裝置和流程1、設(shè)備說明本實驗空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m?？諝膺M(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100）和熱電偶測得。測量空氣進(jìn)出口溫度的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)出管的中心。測得管壁溫度用一支鉑電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端?？装辶髁坑嫷膲翰钣蓧翰顐鞲衅鳒y得。實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kw。風(fēng)機(jī)采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kpa，最大流量100m3/h。2、采集系統(tǒng)說明（1）壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為020kpa。（2）顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表直接讀取，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程如下圖所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計計量后，進(jìn)入換熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱，空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進(jìn)入套管環(huán)隙，與內(nèi)管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器，用于消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。圖1 套管式換熱實驗裝置和流程1、風(fēng)機(jī)； 2、孔板流量計； 3、空氣流量調(diào)節(jié)閥； 4、空氣入口測溫點； 5、空氣出口測溫點； 6、水蒸氣入口壁溫； 7、水蒸氣出口壁溫； 8、不凝氣體放空閥； 9、冷凝水回流管； 10、蒸氣發(fā)生器； 11、補(bǔ)水漏斗； 12、補(bǔ)水閥； 13、排水閥五、實驗操作要點1、實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/22/3。3、打開總電源開關(guān)（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實驗開始時，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動風(fēng)機(jī)，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱電源，打開放氣閥。5、將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)頻率改變空氣流量，保證孔板壓降不小于0.2kPa，重復(fù)實驗810次，記錄數(shù)據(jù)。6、實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風(fēng)機(jī)，清理現(xiàn)場。六、注意事項1、實驗前，務(wù)必使蒸汽發(fā)生器液位合適，液位過高，則水會溢入蒸汽套管；過低，則可能燒毀加熱器。2、調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀數(shù)不應(yīng)從0開始，最低不小于0.2kpa。實驗中要合理取點，以保證數(shù)據(jù)點均勻。3、切記每改變一個流量后，應(yīng)等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。七、實驗數(shù)據(jù)處理1、傳熱膜系數(shù)的測定（未加靜態(tài)混合器）：（空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙，內(nèi)管內(nèi)徑d=0.020m ；有效長度l=1.25m）表1 傳熱膜系數(shù)的測定及空氣物性數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度t1/空氣出口溫度t2/壁溫T1/壁溫T2/定性溫度t/壓降 P/kpa(kg/m3) (pas)w/(m)CpkJ/(kgK)143.30 69.20 100.20 100.10 56.25 4.17 1.072 19.9 0.0287 1.005 242.47 69.20 100.60 100.60 55.84 3.70 1.074 19.9 0.0287 1.005 342.20 69.30 100.70 100.70 55.75 3.28 1.074 19.9 0.0287 1.005 439.70 68.70 100.70 100.80 54.20 2.36 1.079 19.8 0.0286 1.005 537.80 68.20 100.60 100.80 53.00 1.78 1.083 19.8 0.0285 1.005 634.10 67.50 100.80 100.80 50.80 1.03 1.090 19.6 0.0284 1.005 731.10 67.10 101.00 101.10 49.10 0.59 1.096 19.6 0.0282 1.005 830.00 67.50 100.80 100.90 48.75 0.42 1.097 19.5 0.0282 1.005 929.50 68.50 100.90 100.90 49.00 0.21 1.096 19.6 0.0282 1.005 以第一組數(shù)據(jù)為例，計算如下：定性溫度查空氣物性表得：50時，1=1.093(kg/m3)， 1=19. 6pas，1=0.0283w/(m)，Cp1=1.005kJ/(kgK)；60時，2=1.060(kg/m3)， 2=20.1pas，2=0.0290w/(m)，Cp2=1.005kJ/(kgK)，則 Cp=1.005kJ/(kgK)表2 傳熱膜系數(shù)測定的數(shù)據(jù)處理序號體積流量Vs/(m3/h)流速u/(m/s)（）傳熱膜系數(shù)w/(m2)RePrNuNu/Pr0.4156.64750.11242.60131.36539750.696491.42105.66253.10446.97843.40124.89507170.696487.00100.56349.75944.01943.55118.26475450.696382.4095.24441.65636.85045.00103.01401480.696372.0583.28535.77131.64446.0490.98347080.696263.8273.77626.62223.55148.0871.71261490.696150.5858.46719.70417.43149.8055.52195390.696039.3245.46816.40014.50949.7748.21162930.696034.1839.51911.2809.97949.3634.74111880.696024.6128.45以第一組數(shù)據(jù)為例，計算如下：空氣體積流量空氣速度平均壁溫對數(shù)平均溫度傳熱膜系數(shù)雷諾數(shù)普朗克數(shù)努塞爾準(zhǔn)數(shù) 2、傳熱膜系數(shù)的測定（加靜態(tài)混合器）：表3 傳熱膜系數(shù)的測定及空氣物性數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度t1/空氣出口溫度t2/壁溫T1/壁溫T2/定性溫度t/壓降 P/kpa(kg/m3) (pas)w/(m)CpkJ/(kgK)142.30 78.20 100.80 101.10 60.25 2.01 1.059 20.6 0.0290 1.005 242.90 78.50 101.00 101.10 60.70 1.71 1.058 20.6 0.0290 1.005 342.30 78.60 100.90 101.10 60.45 1.45 1.059 20.6 0.0290 1.005 440.90 78.80 101.00 101.10 59.85 1.14 1.060 20.1 0.0290 1.005 539.00 78.60 101.00 101.10 58.80 0.81 1.064 20.0 0.0289 1.005 637.70 78.40 101.10 101.10 58.05 0.58 1.066 20.0 0.0289 1.005 736.30 78.40 101.00 101.30 57.35 0.42 1.069 20.0 0.0288 1.005 表4 傳熱膜系數(shù)測定的數(shù)據(jù)處理序號體積流量Vs/(m3/h)流速u/(m/s)（）傳熱膜系數(shù)w/(m2)RePrNuNu/Pr0.4138.197 33.791 42.60136.26 34728 0.7139 93.92 107.47 235.004 30.966 43.40124.74 31749 0.7139 85.88 98.28 332.021 28.327 43.55116.14 29082 0.7139 80.01 91.55 428.121 24.877 45.00105.47 26260 0.6966 72.77 84.09 523.382 20.685 46.0489.94 21964 0.6965 62.21 71.89 619.523 17.271 48.0876.05 18416 0.6965 52.70 60.90 716.400 14.509 49.8065.30 15531 0.6964 45.32 52.38 計算過程同第一組實驗，故不再贅述。八、實驗結(jié)果及討論圖2 Nu/Pr0.4Re的關(guān)系圖結(jié)果討論： （1）從圖中可以看出，不管傳熱是否被強(qiáng)化，Nu/Pr0.4Re關(guān)系曲線的線性都非常好，說明當(dāng)流體無相變時，用量綱分析法推導(dǎo)出的對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式Nu=ARemPrn（忽略Gr，即自然對流的影響）的準(zhǔn)確性是很好的。（2）從圖中可以看出，在相同的雷諾數(shù)下，加靜態(tài)混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器時的大，由于Pr和熱導(dǎo)率在實驗條件下變化很小，由Nu=d/知，加混合器強(qiáng)化傳熱后，傳熱膜系數(shù)變大，說明增大加熱流體的湍動程度可以強(qiáng)化傳熱。（3）實驗中加入混合器后，空氣的出口溫度明顯變高，但孔板壓降則迅速降低，說明實驗中，傳熱效果的提高是以增大流動阻力為代價的。（4）將未強(qiáng)化時的Nu/Pr0.4Re的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得Nu/Pr0.4=0.148 Re0.83,即，同公認(rèn)的關(guān)聯(lián)式相比，較為接近。（5）將加混合器強(qiáng)化時的Nu/Pr0.4Re的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得Nu/Pr0.4=0.135 Re0.89,即，與公認(rèn)的關(guān)聯(lián)式有一定的差距，原因可能是由于湍動程度加大造成溫度波動較大，增加了測量難度。九、思考題1、本實驗中管壁溫度應(yīng)接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：壁溫接近于蒸氣的溫度?？赏瞥龃舜螌嶒炛锌偟膫鳠嵯禂?shù)方程為其中K是總的傳熱系數(shù)，1是空氣的傳熱系數(shù)，2是水蒸氣的傳熱系數(shù)，是銅管的厚度，是銅的導(dǎo)熱系數(shù)，R1、R2為污垢熱阻。因R1、R2和金屬壁的熱阻較小，可忽略不計，則Twtw，于是可推導(dǎo)出顯然，壁溫Tw接近于給熱系數(shù)較大一側(cè)的流體溫度，對于此實驗，可知壁溫接近于水蒸氣的溫度。2、管內(nèi)空氣流速對傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？答：傳熱膜系數(shù)將變大，但空氣離開熱交換器時的溫度將降低。由傳熱膜傳熱系數(shù)的方程易知：傳熱膜系數(shù)與速度u的0.8次方成正比，因而流速增大時，變大。由傳熱平衡方程 ，知流速增大，即增大后，減小，及空氣離開熱交換器時的溫度降低。3、如果采用不同壓強(qiáng)的蒸汽進(jìn)行實驗，對的關(guān)聯(lián)有無影響？答：沒有影響。因為本實驗采用的是量綱分析法，蒸氣的壓強(qiáng)變化會同時反應(yīng)在雷諾數(shù)Re、流量qv、傳熱膜系數(shù)、努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu等數(shù)據(jù)上，可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值，所以仍然可以進(jìn)行關(guān)聯(lián)。4、試估算空氣一側(cè)的熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)？答：總傳熱系數(shù)關(guān)系式為， 此實驗中忽略R1、R2和金屬管壁的厚度，則可認(rèn)為，在100時，水蒸氣的傳熱系數(shù)2可取為10000w/(m),實驗中總的傳熱系數(shù)近似認(rèn)為是100w/(m2),則空氣一側(cè)的熱阻占總熱阻的百分?jǐn)?shù)為99%。5、以空氣為介質(zhì)的傳