传热膜系数测定

传热膜系数测定实验
一、报告摘要
在工业生产中，要实现热量的交换，须采用一定的设备，此种交换的设备称为换热器。

化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到壁面的另一侧（对流传热），通过坚壁内的热传递再由间壁的另一侧将热传递给冷流体。

从而使热流体物流被冷却，冷流体被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。

对流传热的核心问题是求算传热膜系数 ，本实验中，可用图解法和最小二乘法计算准数关联式中的指数m 、n 和系数A 。

二、目的及任务
1. 掌握传热膜系数的测定方法；
2. 测定强化与非强化传热过程中，传热膜系数准数关联式的系数A 和指数m 、n ；
3. 测定套管换热器的静压损失与雷诺准数的关系；
4. 通过实验提高对传热膜系数准数关联式的理解，并分析影响传热膜系数的因素，了解工程上强化传热的措施。

三、基本原理
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
对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故 n m A Nu Pr Re ⋅⋅= 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 +=
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⋅= 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：
μρ
du =Re , λμ
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 式中：
α——传热膜系数，[W/m ²·℃]；
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 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/s ]。

四、装置和流程
图一、套管式换热器实验设备流程图
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（压差）传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机
五、操作要点：
1、实验开始前，先熟悉配电箱各按钮与设备的对应关系，以便
正确开启按钮；
2、检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在1/2—2/3；
3、打开总电源开关及仪表开关；
4、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，打开排放不凝气阀门（有一点开度即可）；
5、待蒸汽产生后，开启风机（风机阀门不要长时间关闭），将空
气流量控制在某一定值。

待进出口温度、壁温稳定后，记录进出口温度、壁温和压差（压力）读数。

改变空气流量（8—10次），重复实验，记录数据；
6、强化传热，在上述实验完成后，将强化元件插入铜管中，再
改变空气流量（4-5次）并记录数据；
7、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场。

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、数据处理
以第一组数据为例
空气的定性温度t=t
入+t
出
/2=(29.6 +59.4)/2=44.5 ℃
对数平均温度：
Δt m=t w1-t入-t w2+t出
=(100.2-29.6-99.8+59.4)/LN((100.2-29.6)/(99.8-59.4))=54.1 ℃
密度：ρ=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*44.5=1.12 ㎏/m3
黏度：μ=(1.71+0.005*t)/100000
=(1.71+0.005*44.5)/100000=0.0000193 Pa·s
传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100
=(2.4513+0.0074*44.5)/100=0.0278 W/m·K
流速:u=26.2*(ΔP)^0.54/(0.25*3.14*d^2)/3600
=26.2*(3.68)^0.54/(0.25*3.14*0.02^2)/3600=46.84m/s
传热量：
Q=ρ*26.2*(ΔP)^0.54*( t
出-t
入
) *Cp/3600
=1.12*26.2*(3.68)^0.54*(59.4-29.6) *1005/3600=491 W
传热膜系数：
α=Q/Δt m /(3.14*d*l)
=491/54.1/(3.14*0.02*1.25)=115.7 W/m2·K
Nu准数：Nu=α*d/λ=115.7*0.02/0.0278=83.24
Re准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.12*46.84/0.0000193=54088
Pr准数：Pr=0.7063-2*t/10000=0.7063-2*44.5/10000=0.6974 表2：强化传热
计算举例：
以第一组数据为例
空气的定性温度t=t
入+t
出
/2=(36.1 +77.7)/2=56.9 ℃
对数平均温度：
Δt m=t w1-t入-t w2+t出
=(100.1-36.1-100.1+77.7)/LN((100.1-36.1)/(100.1-77.7))
=54.1 ℃
密度：ρ=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*56.9=1.072 ㎏/m3 黏度：μ=(1.71+0.005*t)/100000
=(1.71+0.005*56.9)/100000= 0.0000199 Pa·s
传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100
=(2.4513+0.0074*56.9)/100=0.0287 W/m·K 流速:u=26.2*(ΔP)^0.54/(0.25*3.14*d^2)/3600
=26.2*(1.57)^0.54/(0.25*3.14*0.02^2)/3600=29.57m/s 传热量：
Q=ρ*26.2*(ΔP)^0.54*( t
出-t
入
) *Cp/3600
=1.072*26.2*(1.57)^0.54*(77.7-36.1) *1005/3600=416 W 传热膜系数：
α=Q/Δt m /(3.14*d*l)
=416/54.1/(3.14*0.02*1.25)=133.8 W/m2·K
Nu准数：Nu=α*d/λ=133.8*0.02/0.0287=93.18
Re准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.072*29.57/0.0000199=31797
Pr准数：Pr=0.7063-2*t/10000=0.7063-2*56.9/10000=0.69492 八、实验结果及结论
如图所示：m=k=0.820
A=10-1.860=0.014
如图所示：m=k=0.843
A=10-1.748= 0.018
九、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：接近蒸汽温度。

因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)>>a(空气)。

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将升高还是降低？为什么？
答：传热系数α正比于流速，故当空气流速增大时传热系数亦增
大，由Q=WC
P (t
2
-t
1
)/3600=ρV
S
c
P
（t
2
-t
1
）/3600，当V
s
增大且维
持Q恒定时，温差随着减小，即出口温度降低。

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：由公式Nu=ARe m Pr n，发现其变量均与压强的值无关，故采用不同的蒸汽压无影响。