./北京化工大學化工原理實驗報告?zhèn)鳠崮は禂?shù)測定實驗院〔部：化學工程學院專業(yè)：化學工程與工藝班級：化工1005姓名：江海洋2010011136同組人員：王彬玥波方郡實驗名稱：傳熱膜系數(shù)測定實驗實驗日期：2012.11.28傳熱膜系數(shù)測定實驗一、摘要本實驗以套管換熱器為研究對象,以冷空氣及熱蒸汽為介質(zhì),冷空氣走黃銅管,即管程,熱蒸汽走環(huán)隙,即殼程,研究熱蒸汽與冷空氣之間的傳熱過程。通過測得的一系列溫度及孔板壓降數(shù)值,分別求得正常條件和加入靜態(tài)混合器后的強化條件下的對流傳熱膜系數(shù)α及Nu,做出lg〔Nu/Pr0.4～lgRe的圖像,分析出傳熱膜系數(shù)準數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。關(guān)鍵詞：對流傳熱NuPrReαA二、實驗?zāi)康?、掌握傳熱膜系數(shù)α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、通過實驗提高對準數(shù)關(guān)系式的理解,并分析影響α的因素,了解工程上強化傳熱的措施。三、實驗原理黃銅管走冷空氣,管外走100℃的熱蒸汽,壁側(cè)熱阻1/α遠遠大于壁阻、垢阻及外側(cè)熱阻,因此研究傳熱的關(guān)鍵問題是測算α,當流體無相變時對流傳熱準數(shù)關(guān)系式的一般形式為：對于強制湍流有：用圖解法對多變量方程進行關(guān)聯(lián),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。在兩邊取對數(shù),得到直線方程為在雙對數(shù)坐標中作圖,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,即其中實驗中改變空氣的流量,以改變Re值。根據(jù)定性溫度計算對應(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,進而求得Nu值。牛頓冷卻定律為其中α——傳熱膜系數(shù),W/<m2?℃>；Q——傳熱量,W；A——總傳熱面積,m2；Δtm——管壁溫度與管流體溫度的對數(shù)平均溫差,℃。傳熱量可由下式求得其中W——質(zhì)量流量,kg/h；cp——冷空氣的比定壓熱容,J/〔kg?℃；t1,t2——冷空氣的進,出口溫度,℃；ρ——定性溫度下流體密度,kg/m3；V——冷空氣體積流量,m3/h?？諝獾捏w積流量由孔板流量計測得,其流量V與孔板流量計壓降Δp的關(guān)系為式中,Δp——孔板流量計壓降,kPa；V——空氣流量,m3/h。四、實驗流程圖套管式換熱實驗裝置和流程1-風機,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-不凝性氣體放空閥,9-冷凝水回流管,10-蒸汽發(fā)生器,11-補水漏斗,12-補水閥,13-排水閥1、設(shè)備說明本實驗空氣走管,蒸汽走管隙〔玻璃管。管為黃銅管,其徑為0.020m,有效長度為1.25m。空氣進、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、出口的鉑電阻應(yīng)置于進、出管得中心。測量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。孔板流量計的壓差由壓差傳感器測得。本實驗使用的蒸汽發(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。風機采用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,其測量圍為0~20kPa。<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讀取,并實驗數(shù)據(jù)的在線采集與控制,測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程圖如下所示,冷空氣由風機輸送,經(jīng)孔板流量計計量以后,進入換熱器管〔銅管,并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱?？諝獗患訜岷?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)生器上升進入套管環(huán)隙,與管中冷空氣換熱后冷凝,再由回流管返回蒸汽發(fā)生器。放氣閥門用于排放不凝性氣體,在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(wěn)定段,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)。五、實驗操作1、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位,使其保持在水罐高度的1/3~2/3。2、按下總電源開關(guān),關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補水閥,啟動風機,接通蒸汽發(fā)生器的發(fā)熱電源,保持放氣閥打開,調(diào)整好熱電偶位置。3、用計算機控制風機頻率為50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù)；再每降低3Hz取一實驗點,同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù),重復(fù)實驗,12~13次。4、將靜態(tài)混合器插入管中,并將其固定,再次調(diào)整好熱電偶溫度計,將風機頻率調(diào)回50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù)；每降低3Hz取一實驗點,同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù),重復(fù)實驗,12~13次。5、實驗結(jié)束后,先停蒸汽發(fā)生器電源,再停風機,清理現(xiàn)場,給蒸汽發(fā)生器灌水。六、實驗數(shù)據(jù)處理1、測定空氣普通對流傳熱膜系數(shù)〔l=1.25,d=0.020m表一：空氣普通膜系數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度℃空氣出口溫度℃壁溫1/℃壁溫2/℃ΔP/kpaPr關(guān)聯(lián)式ReNuNu/pr0.4144.96899.6100.13.90.7142452107.96862101.48966116.1139624165.698.5100.13.240.7150248007.1969694.07172107.57993339.967.199.5100.11.990.7149736854.6879279.7486891.20274437.166.499.81001.570.7154132754.4464973.6274884.18161535.26699.399.91.190.7157128389.0122466.0937475.55559634.266.199.91000.950.7158225202.7719159.8878268.45685733.566.499.6100.10.730.7158721886.2196253.6534761.32871831.866.399.7100.10.540.7161018694.4658747.2868454.04435930.966.899.6100.10.380.7161515481.1091440.7641546.58819以第三組數(shù)據(jù)為例,計算過程如下：定性溫度t=〔t1+t2/2=〔39.9+67.1/2=53.5℃查得此定性溫度下的物性參數(shù)為Cp=1.0294KJ?Kg-1?K-1ρ=1.2715-0.0035*53.5=1.08425Kg?m-3μ=<1.71+0.005*53.5>*10-5=1.98*10-5Pa?sλ=<2.4513+0.0074*53.5>*10-2=0.028472W?m-1?K-1換熱面積A=πdl=π*0.02*1.25=0.079m2對數(shù)平均溫度Δtm=[<T1-t2>-<T2-t1>]/ln[<T1-t2>/<T2-t1>]=[<99.5-67.1>-<100.1-39.9>]/ln[<99.5-67.1>/<100.1-39.9>]=44.93629℃冷空氣的體積流量V=26.2?ΔP0.54=26.2*1.990.54=37.99111m3?h-1傳熱膜系數(shù)α=ρVCp〔t2-t1/3600/A/Δtm=1.073925*37.99111*1.0294*1000*<>/3600/0.079/44.93629=113.5302W?m-2?K-1Nu=dα/λ=0.02*113.5302/0.028472=79.74868Pr=0.7063-2*10-4*53.5=0.71497u=V*4/π/d2/3600=37.99111*4/π/0.022/3600=33.60855m/sRe=dρu/μ=0.02*1.08425*33.60855/1.98*10-5=36854.68792Nu/Pr0.4=79.74868/0.714970.4=91.202742、測定空氣強化對流傳熱膜系數(shù)〔l=1.25,d=0.020m,加入混合器表二：強化后膜系數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)記錄序號空氣入口溫度℃空氣出口溫度℃壁溫1/℃壁溫2/℃ΔP/kpaPr關(guān)聯(lián)式ReNuNu/pr0.4137.274.299.6992.030.71442401836783.71666119.0286315136.1661073238.675.399.599.91.520.71411575931237.18419102.381023117.1418336339.776.499.61001.140.71384636326573.3844289.46628544102.3805612438.97799.31000.810.71387078122108.0782377.8547110889.09166078537.777.5100.1100.10.570.71395635918323.9569966.4339688476.01889143636.477.999.61000.410.71406664815377.2376158.3594294966.7752523973579.1100.1100.20.280.71409119612522.4999450.5141579457.79784504以第三組數(shù)據(jù)為例,計算過程如下：定性溫度t=〔t1+t2/2=〔39.7+76.4/2=58.05℃查得此定性溫度下的物性參數(shù)為Cp=1.028121KJ?Kg-1?K-1ρ=1.2715-0.0035*58.05=1.068325Kg?m-3μ=<1.71+0.005*58.05>*10-5=2*10-5Pa?sλ=<2.4513+0.0074*58.05>*10-2=0.028809W?m-1?K-1換熱面積A=πdl=π*0.02*1.25=0.079m2對數(shù)平均溫度Δtm=[<T1-t2>-<T2-t1>]/ln[<T1-t2>/<T2-t1>]=[<99.6-76.4>-<100-39.7>]/ln[<99.6-76.4>-<100-39.7>]=38.90705℃冷空氣的體積流量V=26.2?ΔP0.54=26.2*1.140.54=28.12095m3?h-1傳熱膜系數(shù)α=ρVCp〔t2-t1/3600/A/Δtm=1.068325*28.12095*1.028121*1000*<>/3600/0.079/38.90705=128.8704W?m-2?K-1Nu=dα/λ=0.02*128.8704/0.028809=89.46629Pr=0.7063-2*10-4*58.05=0.713846u=V*4/π/d2/3600=28.12095*4/π/0.022/3600=24.87699m/sRe=dρu/μ=0.02*1.068325*24.87699/2*10-5=26573.38442Nu/Pr0.4=89.46629/0.7138460.4=102.3805612七、實驗結(jié)果做圖及分析根據(jù)表一、表二中的數(shù)據(jù)分別做出普通和強化后的Nu/pr0.4與Re雙對數(shù)關(guān)系曲線如下：結(jié)果分析：1． 由excel軟件線性擬合的直線見上圖,讀取直線斜率并在直線上任取一點得：〔1正常條件下空氣普通對流傳熱：A=0.014,m=0.82,Nu=0.014*Re0.82*Pr0.4〔2強化條件下空氣強化對流傳熱:A=0.029,m=0.79,Nu=0.029*Re0.79*Pr0.42．由上圖可知,強化條件下傳熱較正常情況下好,因為加入靜態(tài)混合器后,增大了空氣的湍動程度,有利于傳熱。但加入靜態(tài)混合器是以增大能量的阻力損失為代價的,因此在強化過程傳熱的措施重要考慮到兼顧傳熱效率和能量損失,以獲得最大的效益。3．化工原理課本上介紹的公式為Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4,實驗結(jié)果與之有一定誤差的主要原因：〔1蒸汽所在的玻璃管有冷凝液積存于黃銅管上,從而降低了傳熱系數(shù)。〔2在進行傳熱熱量計算時,為了簡化實驗計算,近似以α代替總傳熱系數(shù)K,即令Q=αAΔtm。〔3改變壓降后,度數(shù)時間間隔太短,從而傳熱體系未達到穩(wěn)定狀態(tài),造成讀數(shù)與實際情況不相符。八、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：管壁溫度應(yīng)接近于蒸汽溫度。因為水蒸氣膜狀冷凝的對流給熱系數(shù)很大〔5500~500,而空氣的強制對流給熱系數(shù)相對很小〔10~100,所以水蒸汽與管壁的傳熱速率遠遠大于空氣與管壁的傳熱速率,從而管壁溫度更接近于蒸汽溫度。2、管空氣流動速度對傳熱膜系數(shù)有何影響？當空氣速度增大時,空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？答：管空氣流動速度的改變將直接影響傳熱膜系數(shù)的大小。當空氣速度增加時,空氣離開熱交換器時的溫度將降低。因為空氣流量增加相當于單位時間有更多的空氣參與熱交換,而水蒸氣的冷凝量是一定的,那么相同的熱量就被更多的冷空氣分享,雖然空氣速度增大時其湍流程度增加,增強傳熱效果,但是因為空氣對留給熱系數(shù)相對而言很小,所以影響不大,故空氣離開熱交換器時,溫度降降低。3、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗,