传热膜系数的测定[1]

传热膜系数的测定

一、实验目的：

1. 掌握空气对壁传热膜系数的测定方法；

2. 学会传热膜系数测定实验数据的处理方法；

3. 了解影响对流传热系数的因数和强化传热的途径。

二、实验原理：

在生产和科研中经常采用间壁式换热器来进行物料的冷却和加热。对于一定结构的换热器，如何强化传热过程，除了设法增大传热推动力之外，就只有提高总传热系数。总传热系数的估算公式可写为： o

i

1so b si 1

R R 1

K αλ

α+

+++=

（1）

由上式可见，要提高K 值，就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占的比重往往不同，因此应设法减少对K 值影响较大的热阻。

本实验以套管换热器为例，内管走热空气，对管外的水加热，空气侧热阻所占比重较大，实验目的是测定空气侧对流传热膜系数。并验证准数关联式。

影响对流传热过程的因数极多，目前尚不能通过解析法获得对流传热膜系数的理论关系式，必须用实验加以测定。为了减少实验工作量，通过因次分析将主要因数组成若干无因次数群（准数）,在此基础上组织实验并经过数据处理得到相应的关系式。园管内不发生相变流体，在强烈湍流条件下，忽略自然对流的影响，则：

c

r b

e o u P R a N = （2） 式中：λ

α=

d

N u ——努塞尔准数（Nusselt ） α ——— 对流传热膜系数， W/（C m 2 ） d ——— 管径 m

λ ——— 空气导热系数 w/（m.C ） μ

ρ=

du R e 雷诺准数（Rernolds ）

雷诺数中：μ、ρ为空气定性温度下粘度（Pa,S ），密度（kg/3m ） 2

S d

785.0V u =. s V 可由空气转子流量计读数经换算获得。

λ

μ=

p r C P ——普兰特准数（Prantl ）

Cp —— 比热 J/ （kg.C ）

因Pr 对内管的空气，在定性温度下变化很小，可视为常数，故（2）式可化为：

b

e u aR N = （3）

本实验的另一个目的是要验证以上关系式，方法如下：将（3）式两边取对数， a log R log b N log e u +=，所以，Nu 与Re 对数成线性关系。实验中可测定一系列的Nu

与Re ，然后，用坐标轴所图，从而求得a 、b 的值。

对流传热膜系数α(即i α)的测定原理： 在稳定传热的条件下：

m W i i 21ph h )T T ()T T (C W Q -A α=-= (4) 式中:Q ——传热量 W ；

h W ——空气的质量流量 kg/s 可由空气流量计读数经换算获得； ph C ——空气平均温度下比热 J/（kg.C ）； 21T ,T ——空气进出口温度，C ； i α——空气对壁的对流传热膜系数，）（C m W

./2

i A ——管内壁表面积，π=A i l d i 2m ； m w )T T (-——对数平均温度差 C ； 2

2112211)

()()(w w w w m w T T T T Ln

T T T T T T -----=

- （5）

式中：2w 1w T ,T 分别为空气进出口壁温，C 。 实验测的：2w 1w 21h T ,T ,T ,T ,W 就可以计算αi m

w i i )T T (A Q

-=

α （6）

三、装置和流程

（一）流程图

1. 进水阀

2. 逆流进水阀

3. 并流出水阀

4. 并流进水阀

5. 逆流进水阀

6. 进气阀

7. 旁路阀 8. 电热器 9. 空气流量计 10. 水流量计 11. 套管换热器

（二）设备规格和技术参数

1． 套管、有机玻璃，内径: 25mm ；

2． 内管、紫钢管 φ18⨯1.5mm ，有效长度：2000mm ； 3． 套管内 ,109.0~109.0R 54e ⨯⨯= 管 内 65e 103~103R ⨯⨯=；

4． 热源：3kw 电加热，单相，A1人工智能温度自控调节系统； 5． 测温：A1—708J 数显温度仪表，Cu 铜电阻； 6． 测流量：水：LZB —25 100—1000L/H ， 空气：LZB —25 2.5—25h /m 3； 7．气源：DC —2C 型微音气泵 220V ，750W ； 风压 ≥17kpa; 风量≥80h /m 3。

四、实验步骤：

1． 打开进水阀“1”，“2”，“5”（逆流）或者“4”和“3”（并流），维持一定的水量； 2． 启动风机（气源），通过“6”和“7”调节一定的空气流量； 3． 接通热源，加热空气，维持空气进口温度“T1”为120C

； 4． 在空气、水流量，各温度稳定的条件下，记录以下数据：

逆流时：312121,,,,,,,t t T T T T W W w w c h ；（实际流程与此相符） 并流时:

212121,,,,,,,t t T T T T W W w w c h 。

5． 实验结束，先关加热器，等1T 降到60C

以下（手摸空气进口紫铜管不烫即可），

然后关阀“6”阀“1”。

五、实验数据纪录：

装置编号：

六、实验数据整理汇总表：

1 计算举例

2. 作图：在方格纸上用Re、Nu的对数作图，找出截距与斜率。计算a 、b值，得出空气对壁对流传热膜系数准数关联式。

七、讨论与结论

八、思考题：

1．本实验中水与空气逆流、并流对对流传热系数测定由什么影响？为什么？

2．本实验中，壁面温度接近空气一侧温度还是接近水一侧温度？为什么？

3．本实验中，空气流量如何调节，为什么要利用旁通阀？