管内强制对流传热膜系数的测定

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实验报告

课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________

实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的

1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。

2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。

3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。

4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。

5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。

二、实验内容

1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。

2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。

3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。

4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。

5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。

6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。

三、实验原理

流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述：

()w Q A t A T t αα=∆=− （1）

式中 Q ——总传热速率，W ；

α——对流传热膜系数，W/ m 2·K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；

t w ——固体壁面温度，K 。

如果能够用实验直接测定流体温度T 和固体壁面温度t w ，,则可以根据式（1）的关系直接计算对流膜系数α ：

()

w Q Q A t A T t α=

=∆− （2）对于多数情况而言，直接测定固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。

对于两股流体间壁换热的情况，直接测量两股流体的温度却是一件相对容易的工作。因此，通过测量两股换热流体温度来推算某一侧流体与壁面间的对流传热膜系数就成为广泛应用的实验研究方法。

1、总传热系数K 的实验求取根据换热器传热速率基本方程式

m Q KA t =∆ （3）

式中 K——换热器总换热系数，W/(m 2·K)；

△t m ——对数平均温差，K 。对数平均温差的定义为

12211221()()

ln[()/()]m T t T t t T t T t −−−∆=

−− （4）

由能量恒算关系式，总传热速率满足下式：

12()

p Q Gc T T =− （5）

式中 G——热流体的质量流量，kg/s ；

c p ——热流体的恒压比热容，J / (kg·K)。

实验测定G 、t 1、t 2、T 1、T 2并计算出Q 后，可根据下式求取总传热系数K ：

m

Q

K A t =

∆ （6）2、近似法推算对流传热膜系数α

总传热系数与对流传热膜系数之间的关系为

121111222

11S S m bd d d

R R K d d d αλα=++++ （7）在本实验中，上式可化简为

1K α≈ （8）

3、简易Wilson 图解法推算对流传热膜系数α

实验测取一系列{u i ，K i }数据后，以1/u 0.8为横坐标，1/K 为纵坐标作图，得到一条直线，记斜率为m ，则

0.8

i i u m

α= （9）

4、传热准数经验方程式

流体在管内作强制湍流，被加热状态，工程上最常用的准数关联式的形式为

n i m

i i A Nu Pr Re = （10

）

其中： i i i i d Nu λα=

，i i

i i i d u µρ=Re ，i

i pi i c λµ=

Pr 对于圆形直管内强制对流情况，式中A=0.023，m=0.8，当流体被加热时，n=0.4，当物体被冷却时

n=0.3。

对于流体是被冷却空气的情况，Pr≈常数，式（10）可简化为

m

i i C Nu Re = （11

）

线性拟合lgNu ～lgRe ，可得到系数C 和指数m 。对于流体是被冷却空气的情况，可化简为

0.8

0.02Re Nu =三、实验装置

四、实验步骤

1、打开总电源开关，打开仪表电源开关，给热电偶冰瓶内加冰。

2、打开电脑，运行传热系数实验软件，输入“学号”，单击“实验操作”按钮，进入实验界面。

点击“开始实验”按钮，按以下步骤操作：

⑴记录流量传感器的初值

双击UJ-36电位差计，得一放大图，点击“读取数据”，即下初读数V0;

⑵启动风机

点击总电源按钮，接通电源，在点击风机电源按钮，启动风机。双击空气流量调节阀，使阀门开度最大。

⑶开启冷却水

调节阀门开度达到最大。

⑷开启加热器和温控仪

⑸观察系统是否稳定

点击曲线上已走平的曲线上一点，如果显示系统已经稳定，即可读取数据并保存。

⑹实验停车：做完六组实验，保存相关数据后，停止加热器器加热，待温度降至50℃左右，关闭冷却水，关闭风机，关闭电脑。

五、实验数据记录及处理

1、原始数据记录

表1