传热膜系数的测定报告1

长江大学

化工原理实验报告 实验名称：班 级：姓 名：同组人员：指导老师：实验日期：传热膜系数的测定 应化11002班 李明杰

李强、李双华、李俊尧 吴洪特

2012年5月12日

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目录

一、实验目的及任务 ................................................................. 3 二、基本原理 .............................................................................. 3 1.套管式传热膜系数的测定 ................................................. 3 2.管内强化传热系数的测定 ................................................. 4 三、实验装置与流程 ................................................................. 5 （1）实验装置（如图） ...................................................... 5 （2）流程说明 ...................................................................... 5 四、实验步骤 .............................................................................. 5 五、实验数据记录与处理 ......................................................... 6 普通传热 ................................................................................ 7 普通传热：以第三组为例 .................................................... 8 强化传热：以第四组为例 .................................................... 9 六、注意事项 .............................................................................. 9 七、实验结果分析与讨论 ......................................................... 9 八、思考题 .................................................................................. 9 九、附录 .................................................................................... 10

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传热膜系数的测定

一、实验目的及任务

Ⅰ.通过掌握传热膜系数?的测定方法，并分析影响?的因素。

Ⅱ.掌握确定传热膜系数特征数关联式中的系数A和指数m、n的方法；用图解法和线性回归对?i的实验数据进行处理，求关联Nu=ARePrm0.4中常数A、m的值。

Ⅲ.通过对管程内部茶油螺旋形麻花铁的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其

?/Nu特征数关联式Nu?BRe中常数B、m的值和强化比N，了解强化传热的基本理论u和基本方式。

Ⅳ.测定5~6个不同流速下套管换热器的管内压降?p。并在同一坐标系下绘制普通套管与强化管?的关系曲线。比较试验结果。 ?pp1~Nu2~NuⅤ.学会测温热电偶的工作原理、使用方法。

m二、基本原理

1.套管式传热膜系数的测定

对流传热的核心问题是求传热膜系数?，当流体无相变化时对流传热特征数关联式一般形式为：Nu=ARePrGr(式Ⅰ)对强制湍流，Gr数可以忽略，Nu=ARePrmmpm0.4。

本实验中可用图解法和最小二乘法计算特征数关联式中的指数m、n和系数A。 本实验中流体被加热n=4.两边取对数，得到直线方程：lgNu?lgA?mlgRe（式Ⅱ） 0.4Pr在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任务一点的函数值代入方程中得到系数A，即A?Nu1（式Ⅲ）

Pr0.4Rem 用图解法，根据试验点确定直线位置有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n 雷诺数：Re?dv?/?；努赛尔数：Nu??d/?；普兰特数：Pr?Cp?/?； 本实验中改变空气的流量以改变Re之值。根据定性温度计算对应的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，进而算得Nu 因为空气传热膜系数?1远小于蒸汽传热膜系数?2，所以传热管内的对流传热系数约等

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于冷热流体间的总传热系数K，即??k，则有 牛顿冷却定律：Q??A?tm，其中?tm?t2?t1（?t1?T?t1,?t2?T??t2，） ?t2ln?t1传热量Q?Wcp(t2?t1)/3600??vscp(t2?t1)/3600 空气体积有孔板流量计测得：Vs?26.2?p0.54

2.管内强化传热系数的测定

本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋形麻花铁的方法来强化传热。在近壁区域，流体一面由于螺旋形麻花铁的作用而发生旋转，一面还周期性地受到螺旋形金属的扰动，因而可以使传热强化。强化传热时Nu?BRe，其中B、m的值因螺旋形麻花铁的尺寸不同而不同。同样可用线性回归的方法确定B和m的值。显然，强化Nu/Nu?1，它的值越大，强化效果越好。

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三、实验装置与流程

（1）实验装置（如图）

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

（2）流程说明

空气走内管，蒸汽走环隙。内管为黄铜管，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器E01(E02)内管，并与套管环隙中蒸汽换热。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M01上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再有回流管返回蒸汽发生器。放空阀门用于排放不凝性气体。在铜管之前设有一定长度的稳定段，是为消除端效应。铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。

四、实验步骤

Ⅰ.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。

Ⅱ.检查蒸汽发生器中水位，务必使蒸汽发生器液位保持在（1/2）~（2/3）的高度，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。 Ⅲ.打开电源总开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮）

Ⅳ.实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，待蒸汽产生后开启风机，并打开放气阀。

Ⅴ.调节空气流量，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差计读书不应从0开始。最低不应小鱼0.1KPa。实验中要合理取点，以保证数据点均匀。

Ⅵ.将空气流量控制在某一值。待仪表数值稳定后，记录数据；切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据，改变空气流量（8~10次），重复试验，记录数据（注意第一个数据点必须稳定足够长的时间）

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Ⅶ.最小、最大流量值一定要做

Ⅷ.转换内容，进行强化套管换热器的实验，测定8-10组数据。

Ⅸ.实验结束后，先停蒸汽发生器电源，过5分钟后关闭风机，并将旁路阀全开。清理现场。 Ⅹ.切断总电源

五、实验数据记录与处理

普通传热

管内径d=0.02m 管长l=1.25m 孔板压Vs Q α 降/Kpa 0.63 1.23 1.67 2.22 2.63 2.99 冷气人口t1 空气出口t2 80.1 80 79 78.3 76.9 76.4 壁温T1 壁温T2 Nu Re Pr 56.2 57.7 56.9 56.5 55.3 55.0

100.3 100.3 100.1 100.2 100.1 100.1 100.2 100.3 100.2 100 100.2 100.1 20.4 29.3 34.6 40.3 44.2 47.3 143.561 191.752 224.890 259.220 282.787 300.701 59.8185 81.1545 92.6882 104.9445 109.5234 115.1147 40.4780 54.8195 62.7516 71.1474 74.4945 78.3765 18184.98 25992.36 30820.65 36057.58 39813.21 42768.46 0.6863 0.6862 0.6863 0.6863 0.6863 0.6863 冷气人口t1 58.4 58.7 59.

强化传热

管径d=0.02m 管长l=1.25m 麻花铁物δ=4mm 间距H=12.5mm 共六节 孔空板气壁温壁温压出Vs Q α Nu Re Pr T1 T2 降口/Kpt2 a 85.100.100.248.1120.4680.75827592.0.681.42 31.7 4 3 5 01 62 8 96 62 85.6 85.100.4 100.100.3 100.1.25 1.04 230.523 26.8 208.429.6 6

113.2675.88525719.77 9 29 104.2069.76323246.0.6862 0.680 58.6 9 86.1 2 100.2 3 100.3 0.82 97 187.523.5 44 63 2 81 93.74562.77520458.4 4 74 63 0.6863

普通传热

由图可知m=k=0.82463，A=10^-1.83881=0.01449

强化传热m=k=0.89163,A=10^-1.994=0.01035

线性表

对数表: 7 △P~Nu图： Nu4.003.002.001.000.000.0000普通传热强化传热20.000040.0000p60.000080.0000100.0000 计算举例： 普通传热：以第三组为例 空气定性温度：t=(t1+t2)/2=68.65?? 对数平均温度：?t m=30.1?? 密度：1.2715-0.0035*t=1.031kg/m3 黏度：（1.71+0.005*t）/100000=0.0000205Pa.s 热导率：?=（2.4513+0.0074*t）/100=0.0296W/m.k 流量：Vs=26.2*（?p）^0.54=29.3m^3/h 流速：u=26.2*（?p）^0.54/(0.25*?*d^2)/3600 =26.2*（1.23）^0.54/(0.25*?*0.02^2)/3600=25.9066m^3/s Cp?8.3145*(.653?0.001337t?3.294*10?6*t2?1.913*10?9*t3?0.2763*10?12*t4/29)*1000=1025/j.kg^-1c^-1 传热量：Q=密度*26.2*（?p）^0.54*(t出—t入)*Cp/3600= 1.301*26.2*(1.23)^0.54*(80.0-57.7)*1013/3600=191.752W 传热膜系数a=Q/?t m/(?*d*l)=189.461/(30.1*?*0.02*1.25)=81.1545W/m^2*k Nu准数：Nu=a*d/?=80.1851*0.02/0.0296=54.1646 Re准数：Re=d*密度*流速/黏度=0.02*1.031*25.9066/0.0000205=25992.36 Pr准数：Pr=0.7063-2*t/10000=0.6862 8 强化传热：以第四组为例

空气定性温度：t=(t1+t2)/=72.15 对数平均温度：?t m=25.9?? 密度：1.2715-0.0035*t=1.019kg/m3

黏度：（1.71+0.005*t）/100000=0.0000207Pa.s

热导率：?=（2.4513+0.0074*t）/100=0.0299W/m.k 流量：Vs=26.2*（?p）^0.54=29.6m^3/h

流速：u=26.2*（?p）^0.54/(0.25*?*d^2)/3600

=26.2*（1.25）^0.54/(0.25*?*0.02^2)/3600=26.1332m^3/s 传热量：Q=密度*26.2*（?p）^0.54*(t出—t入)*Cp/3600=

1.301*26.2*(1.23)^0.54*(80.0-57.7)*1013/3600=230.523W

传热膜系数a=Q/?t m/(?*d*l)=189.461/(30.1*?*0.02*1.25)=113.2677W/m^2*k Nu准数：Nu=a*d/?=113.2677*0.02/0.0299=75.8859

Re准数：Re=d*密度*流速/黏度=0.02*1.019*0.0000207=25719.29 Pr准数：Pr=0.7063-2*t/10000=0.6862

六、注意事项

1.蒸汽发生器液位一定不要太低，以免烧损加热器； 2.风机不要在出口阀关闭下长时间运行； 3.不凝气排放阀在实验过程中应始终微开； 4.调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板流量计压差可在30-300mmH2O之间调节；

5.切记每改变一个流量后，应等到数据稳定后再测取数据

七、实验结果分析与讨论

由图可见，实验值与理论值之间还是存在一些误差，产生的原因可能有： 1.实验仪器自身存在误差

2.点的取舍问题，把实验中误差大的点直接删除了，可能会对实验结果有一定的影响，

3.温度可能有点小问题，前阶段窗子是封闭的，之后由于太热将窗子打开，可能会对实验结果有一定的影响

八、思考题

1、本实验中管壁温度应接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？

答：接近接近加热蒸汽。蒸汽在管壁上凝结，凝结过程温度基本不变，故而管壁温度接近加

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热蒸汽。

2.冷凝下来的蒸汽为什么要及时排出？否则会导致什么结果？

答：因为冷凝的蒸汽若不及时排出将吸收一定热量，并使传热膜增厚，使传热效果降低，故而应及时将其排除。

3.强化传热要以什么为代价？

答：强化传热要以更多的能量损失作为代价。

4．实验中，所测温度的壁温靠近蒸汽侧温度还是靠近冷流体测温度？为什么？ 答：靠近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数远大于空气膜系数 5如果采用不同压强的蒸汽进行试验，对a关系式有何影响 答：压强增大对a关联式基本没有影响，（Nu=Are^mpr^n）

实验中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？

冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。在管外最低处设置排水口，及时排走冷凝水

九、附录

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