传热膜系数测定实验报告加思考题

目录
一.摘要 (1)
二.实验目的 (1)
三．实验基本原理及内容 (1)
四．实验装置说明及流程图 (3)
五．实验步骤 (4)
六．实验注意事项 (4)
七．实验数据处理 (5)
八．结果与讨论 (8)
九．误差分析 (9)
十．思考题 (9)
实验三 传热膜系数测定实验
一.摘要
选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、对普通管换热器进行了强制对流传热实验研究。

确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。

此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。

本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置，让空气走内管，蒸汽走环隙，用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温，计算了传热膜系数α，并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A 和指数m （n 取0.4），得到了半经验关联式。

关键词：对流传热 对流传热膜系数 蒸汽冷凝膜系数 管内对流传热系数
二.实验目的
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。

三．实验基本原理及内容
对流传热的核心问题是求算传热膜系数 ，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：
p n m Gr A Nu ⋅⋅⋅=Pr Re （1）
对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故
n m A Nu Pr Re ⋅⋅= （2）
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数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，即得到直线方程：
Re lg lg Pr lg
4
.0m A Nu
+= （3）
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m 。

在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A ，即：
m Nu
A Re Pr 4.0⋅=
（4）
用图解法，根据实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。

应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A 、m 、n 。

对于方程的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。

其准数定义式分别为： μ
ρ
du =
Re , λ
μ
Cp =
Pr , λ
αd
Nu =
实验中改变空气的流量以改变Re 准数的值。

根据定性温度（空气进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr 准数值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu 准数值。

牛顿冷却定律： m t A Q ∆⋅⋅=α （5）
式中：
α——传热膜系数，[W/(m²·℃)]； Q ——传热量，[W]； A ——总传热面积[m 2]。

Δt m ——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃] 传热量 可由下式求得：
()()3600/3600/1212t t C V t t C W Q p p -⋅⋅=-⋅=ρ （6）
式中：
W ——质量流量，[kg/h]；
Cp ——流体定压比热，[J/(kg·℃)]； t 1、t 2——流体进、出口温度[℃]； ρ——定性温度下流体密度，[kg/m 3]；
V ——流体体积流量，[m 3/h]。

空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量Vs 与孔板流量计压降Δp 的关系为
0.54
26.2s V p =∆ （7）
式中 Δp——孔板流量计压降，kPa ； Vs ——空气流量，m 3/h 。

四．实验装置说明及流程图
1.设备说明
本实验空气走内管，蒸汽走环隙（玻璃管）。

内管为黄铜管，内径为0.020m ，有效长度为1.20m 。

空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）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。

测得管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁两端。

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，最大压力17.50kpa ，最大流量100m 3/h 。

2.采集系统说明 （1）压力传感器
本实验装置采用ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0～20kpa 。

（2）显示仪表
在实验中所有温度和压差等参数均可由人工智能仪表直接读取，并实现数据的在线采集与控制，测量点分别为：孔板压降、进出口温度和两个壁温。

3.流程说明
本实验装置流程如图1所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量后，进入换热器内管（铜管），并与套管环隙中的水蒸气换热，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。

蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器，用于消除端效应。

铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。

图1 套管式换热实验装置和流程
1、风机；
2、孔板流量计；
3、空气流量调节阀；
4、空气入口测温点；
5、空气出口测温点；
6、水蒸气入口壁温；
7、水蒸气出口壁温；
8、不凝气体放空阀；
9、冷凝水回流管；10、蒸气发生器；11、补水漏斗；12、补水阀；13、排水阀
五．实验步骤
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（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。

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（8～10次），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。

六．实验注意事项
1、实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。

2、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kpa。

实验中要合理取点，以保证数据点均匀。

3、切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

七．实验数据处理
本实验内管内径为0.020m ，有效长度为1.20m 。

1.原始数据：
蒸汽压 1.01kPa 蒸汽温度100.5℃ 表1原始数据 2.数据处理：
本实验的数据处理由如下几个步骤完成：
步骤1：文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数，选取其中部分数据如附录1所示； 步骤2：利用121
()2
t t t =
+求取各个流量下流体的平均温度t ，并利用线性插值，求得各个平均温度下的相应物性参数，线性插值具体过程如附录2所示： 步骤3：利用平均壁温和流体进出口温度12,t t 求得各流量下的m t ∆，其过程见附表2所示；
步骤4：利用式（7），式（8）求得对应的流量和流速； 步骤5：利用式（6），式（5）求得各流量对应下的传热膜系数α
步骤6：利用Nu 、Re 、Pr 数据组的定义式，求得各流量下的Nu 、Re 、Pr 值 步骤7：利用origin 对lg Re 对0.4
lg Pr
Nu
作图，并利用其中的拟合命令求解得到对应的m 与lg A ；
步骤8：利用实验条件下的炮和蒸汽压查出t s ，利用公式 K=Q/(A ΔTm ）计算出总传热系数K
上述步骤1-6中涉及到的中间数据和最终结果如下所示： 表2-1.直管处理中间数据
表2-2.直管处理中间数据
步骤7中所得的图如下图2所示：
图2.
0.4
Pr Nu
与Re 关系图
八．结果与讨论
1.强制湍流条件下空气侧的给热系数α，由表2-2中第二列给出。

2.α关联式中系数A 和指数m.n ，因为空气被加热n=0.4由图2给出方程： y=0.8313x-1.8735 所以A= 0.0134 m=0.8313
3.总传热系数K ，由表2-2第三列给出。

可以看出给热系数跟总传热系数很接近。

参考文献：
[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268 [2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63 附录1.干空气物性参数
附录2.
一维插值过程：
已知相邻的两组数据()()1122,,,X Y X Y ,求12,X X 之间的x 所对应的y 值，其具体式子如下：
()1221
21
()x X Y X x Y y X X -⨯+-⨯=
-
m t ∆求解过程：
()21
12ln(()/)
m t t t T t T t -∆=
--
式中m t ∆——平均对数温度 ℃
12,t t ——分别为冷、热流体温度 ℃
T ——壁温 ℃
九．误差分析
影响给热系数的主要因素：
1 液体的状态：气体、液体、蒸气及传热过程是否有相变化等；
2 液体的物理性质：如密度、比热容、粘度及导热系数；
3 液体的流动形态：层流或湍流；
4 液体对流的对流状况：自然对流，强制对流等；
5 传热表面积的形状、位置及大小。

在该实验过程中，空气流量读数时存在误差；进行温度读数时，温度不稳定，使得读数时存在误差；实验是在固定水流量的条件下进行的，但在实验过程中，水流量会出现波动，会对测定结果产生影响。

十．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：壁温接近于蒸气的温度。

可推出此次实验中总的传热系数方程为
222121112
111R R m d d d K d d d δαλα=⨯+⨯+⨯++ 其中K 是总的传热系数，α1是空气的传热系数，α2是水蒸气的传热系数，δ是铜管的厚度，λ是铜的导热系数，R 1、R 2为污垢热阻。

因R 1、R 2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw≈tw ，于是可推导出
21
1
1w w T T T t
αα-=-
显然，壁温Tw 接近于给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验，可知壁温接
近于水蒸气的温度。

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是将升高呢还是降低？为什么？
答：管内空气流速增大时，空气湍动增加，雷诺数增大，有利于传热膜系数增大。

当空气流速增大时，虽然传热膜系数会增大，但空气流量增大的影响较大，在入
化工原理实验报告——传热膜系数测定
10 口温度相同时，空气离开热交换器温度会降低。

3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？
答：没有影响。

因为本实验采用的是量纲分析法，蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数Re 、流量q v 、传热膜系数α、努塞尔准数Nu 等数据上，可以得到不同Re 值下的Nu/Pr 0.4值，所以仍然可以进行关联。

4.试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。

答：
忽略污垢热阻时，热阻计算主要为 ，空气对流传热系数的数量级为102而蒸汽冷凝传热系数的数量级为104，则空气热阻所占比例约为
，即热阻主要表现为空气热阻。

5.以空气为介质的传热实验中雷诺数Re 应如何计算？
答：雷诺数Re=du /ρμ，流速通过孔板压降以及相应的公式求得。

而管径为常数，而空气在不同温度下的粘度和密度，需要通过查表求得几个关键温度下的相应值，并利用内插法求得。

内插法的具体过程附录2已给出。

6.本实验可采取哪些措施强化传热？
答：提高空气流速，内管加填充物或换螺纹管。

7.若欲实现计算机在线测控，应如何选传感器及仪表？
答：流量测量采用电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量计、质量流量计都可以，带一体化表头，也可带模拟量输出配数字显示仪表。

压力采用压力变送器配数字显示仪表。