1、 傳熱膜系數測定實驗一 實驗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，冷空氣走黃銅管內，即管程，熱蒸汽走環隙，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值，分別求得正常條件和加入靜態混合器后的強化條件下的對流傳熱膜系數a及 Nu ， 做 出 l（g N u/ P0 .r） l g的 圖 像 ， 分 析 出 傳 熱 膜 系 數 準 數 關 聯 式4Nu = ARemPr0.4 中的 A 和 m 值。關鍵詞：對流傳熱 Nu Pr Re aA二實驗目的123、掌握傳熱膜系數 及傳熱系數 K 的測定方法；、通過實驗掌握確定傳熱膜系數準數關系式中的系數 A

2、 和指數 m、n 的方法；、通過實驗提高對準數關系式的理解，并分析影響 的因素，了解工程上強化傳熱的措施。三實驗原理黃銅管內走冷空氣，管外走100的熱蒸汽，壁內側熱阻1/a 遠遠大于壁阻、垢阻及外側熱阻，因此研究傳熱的關鍵問題是測算a ，當流體無相變時對流傳熱準數關系式的一般形式為：Nu = A×Remm×Prn Gr p(1-1)對于強制湍流有：Nu = ARePrn(1-2)用圖解法對多變量方程進行關聯，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，得到直線方程為Nulg Pr = lg A+ mlgRe (

3、1-3)0.4在雙對數坐標中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數 m 。在直線上任取一點函數值代入方程中，則可得到系數 A ，即NuPr0.4 ReA =(1-4)m C mdurmadl其中 Re=,Pr =p, Nu =l實驗中改變空氣的流量，以改變 Re 值。根據定性溫度計算對應的 Pr 值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數值，進而求得 Nu 值。牛頓冷卻定律為Q = a × A× Dtm(1-5)其中a 傳熱膜系數，W / (m2)；Q 傳熱量，W ；A 總傳熱面積， mtm 管壁溫度與管內流體溫度的對數平均溫差，。傳熱量可由下式求得2；D=×

4、; ( - )Q W C t t / 3600V C t t / 3600= r × × ( - )(1-6)p21p21其中W 質量流量， kg / h ；C 冷空氣的比定壓熱容， J （/ kg ）；pt ,t 冷空氣的進，出口溫度，；12r 定性溫度下流體密度，V 冷空氣體積流量， mkg / m3；3/ h。S空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量 V 與孔板流量計壓降 p 的關系為V = 26.2Dp0.54 (1-7)Dp 孔板流量計壓降， kPa ；式中，V 空氣流量， m3 / h。四實驗裝置和主要儀器設備 169-風機，2-孔板流量計，3-空氣流量調節閥，

5、4-空氣入口測溫點，5-空氣出口測溫點，-水蒸氣入口壁溫，7-水蒸氣出口壁溫，8-不凝性氣體放空閥，-冷凝水回流管，10-蒸汽發生器，11-補水漏斗，12-補水閥，13-排水閥1、設備說明本實驗空氣走內管，蒸汽走管隙（玻璃管）。內管為黃銅管，其內徑為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

6、力17.50kPa，最大流量100m、采集系統說明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均可由人工智能儀表讀取，并實驗數據的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。、流程說明本實驗裝置流程圖如上所示，冷空氣由風機輸送，經孔板流量計計量以后，進入換熱3/h。2(3器內管（銅管），并與套管環隙中的水蒸氣換熱。空氣被加熱后，排入大氣。空氣的流量由空氣流量調節閥調節。蒸汽由蒸汽發生器上升進入套管環隙，與內管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發生器。放氣閥門用于排放不凝性氣體，在銅管之前

7、設有一定長度的穩定段，用于消除端效應。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應。五實驗操作記錄和注意事項12、檢查蒸汽發生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/3。、按下總電源開關，關閉蒸汽發生器補水閥，啟動風機，接通蒸汽發生器的發熱電源，保持放氣閥打開，調整好熱電偶位置。 3、用計算機控制風機頻率為50Hz，待儀表數值穩定后，記錄數據；再每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數值穩定后，記錄數據，重復實驗，1213次。45、將靜態混合器插入管中，并將其固定，再次調整好熱電偶溫度計，將風機頻率調回0Hz，待儀表數值穩定后，記錄數據；每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數值穩定后，記錄數據，重復

8、實驗，1213次。5、實驗結束后，先停蒸汽發生器電源，再停風機，清理現場，給蒸汽發生器灌水。六流程圖調節風機頻率，從50Hz開始調節，直到孔板流將得到的數據進行擬合，得到lg電腦上打開操作軟件，等壁溫升至100°C時按下綠色按鈕，啟動風機。（Nu/Pr0.4）量計的壓差為啟動蒸汽發生器的綠色按鈕。lgRe的圖像，分析出傳熱膜系數準數關聯式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。0.2kPa,每次調節頻率后等壁溫溫度穩定后再記錄數據，一共得到10組數據。七實驗數據表格和計算示例表格 1 傳熱膜系數測定實驗原始數據空氣入口溫度空氣出口溫度壁溫對數平均溫度定性溫度t1/t2/T /Wt /m

9、t/23333333229.801.602.702.802.701.800.800.309.708.7058.7060.5061.7062.4062.8063.3063.8064.4065.3067.7099.90100.00100.0099.9054.3852.6351.4450.8750.7750.8350.9350.7650.5349.4644.2546.0547.2047.6047.7547.5547.3047.3547.5048.20100.00100.00100.00100.00100.10100.20計算示例：（以第一組數據為例） t2 -t158.70 - 29.80Dt =

10、54.38mæ- öæ 99.90 - 29.80 ö÷è 99.90 -58.70 øTWTWt1lnlnç÷ç-t2 øè= 1( + ) = (tt129.80+ 58.70) = 44.25t1222表格 2 物性常數計算數據表熱導率W/(m)黏度密度定壓比熱容PaSkg/m3CpJ/(kg0000000000.02779.02793.02802.02805.02806.02805.02803.02803.02804.028101.931E-051.940E-051.

11、945E-051.947E-051.948E-051.947E-051.945E-051.946E-051.946E-051.950E-051.1671.1611.1561.1561.1561.1601.1641.1651.1681.1721005100510051005100510051005100510051005計算示例：（以第一組數據為例）r= 8.845´10-6 t12- 4.326´10-3t1 +1.2884= 8.845 10-1.167kg / m= 7.6818´10-5 t + 0.024395´6´29.802-4.3

12、26´10-3´29.80 +1.2884=l3= 7.6818 10- +´5´44.25 0.024395=m=0.02779W / (m )= (0.047078t 17.228 10+ )´ -6(0´+)´ 0-6.047078 44.25 17.228 1=1.931´10-5Pa S表格 3 傳熱量與傳熱膜系數計算表壓降體積流量傳熱量傳熱面積A/m傳熱膜系數p/kPaVsm3/hQ/W2W/(m2)543322110.06.38.74.15.60.10.43.03.6962.8858.1753.414

13、8.6843.8939.1131.7826.6221.44592.24544.65500.06465.06426.51398.89340.68295.35248.850.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.075400.07540144.46137.24128.92121.24111.41104.0788.7277.1865.32 0.2211.57147.530.0754039.56計算示例：（以第一組數據為例）V = 26.2Dp0.54 = 26.2´5.060.54 = 62.88m / h3SQ = rV c t

14、 t / 3600( - )Sp21=1592.24WA = pdl = 3.14´0.02´1.2 = 0.07540m.167 62.88 1005 58.70 29.80 / 3600´´´(-)=2QADtm 0.07540´54.38592.24a=144.46W / (m2 )表格 4 無因次數群計算表NuPrReNu/Pr0.4103.9462580.6982670.6978590.6976010.6975110.6974780.6975220.6975780.6975670.6975330.69737767221.56

15、1549.056158.551120.146086.441206.233613.928198.322748.812290.5120.0052829113.474799106.273309499.842789491.7118260485.7127438773.1137910163.5972760153.8040500332.5249477298.2667222.0167586.4444569.4030964.2110583.3047725.0646496.5844508.15812498776542計算示例：（以第一組數據為例）dru 4V rm4´62.88´1.167=

16、67221.5pdm 3.14´0.02´1.931´10-5Re =S=cpml-5005 1.931 10= 0.6982670.02779= 1´´Pr =Nu = ad 144.46´0.02=103.946258l0.02779八實驗結果作圖及分析 0.430y = 0.0241x0.7678R² = 0.9988Re10,000.00得到系數 A = 0.0241 m =0.7678九誤差分析Nu = 0.023Re0.8Pr0.4 ，實驗結果與之有一定誤差的主化工原理課本上介紹的公式為要原因：（1）蒸汽所在的玻

17、璃管內有冷凝液積存于黃銅管上，從而降低了傳熱系數。2）在進行傳熱熱量計算時，為了簡化實驗計算，近似以 a 代替總傳熱系數 K ，即令（Q =a ADt 。m（3）改變壓降后，度數時間間隔太短，從而傳熱體系未達到穩定狀態，造成讀數與實際情況不相符。十思考題1、本實驗中管壁溫度應接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：管壁溫度應接近于蒸汽溫度。因為水蒸氣對流給熱系數a（5500500）遠大于空氣的對流給熱系數a（10100），所以水蒸汽與管壁的傳熱速率空氣與管壁間的傳熱速率大得多，因此管壁溫度更接近于蒸汽溫度。2、管內空氣流動速度對傳熱膜系數有何影響？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：（1）管內空氣流動速度將會對傳熱膜系數造成改變。（2）當空氣速度增加時，空氣離開熱交換器時的溫度(出口溫度t )將降低。23）因為空氣流量增加會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，對式的關聯有無影響？答：肯定有影響。不同壓強的飽和蒸汽溫度不同，,由于本實驗總傳熱系數K用膜傳熱系數a做近似，當蒸汽壓強變化，T