传热膜系数测定实验报告.

北京化工大学化工原理实验报告
实验名称：传热膜系数测定实验
班级：
学号：
姓名：
同组人：
实验日期：2010.12.6
一、报告摘要：本实验通过对公式4
.0Pr Re m A Nu =的变形，得Re lg lg Pr lg
4
.0m A Nu
+=，通过实验测得壁温w t ；空气进出口温度1t 、2t ；孔板压降p ∆。

查表及由已知公式得到不同温度下空气的密度ρ、黏度μ、管壁材料的热导率λ、普朗特数Pr 、比定压热容p C 。

再根据公式)]/()ln[(/)]()[2121t t t t t t t t t w w w w m -----=∆（、54.02.26p Vs ∆=、
3600/)(12t t C V Q p s -=ρ、m
t A Q
∆=α、λαd Nu =
、μ
ρdu =
Re ，这样即可得到
Re lg )Pr /lg(4.0与Nu 的关系，再利用图解法或最小二乘法拟合出m 、lgA 。

这样就能得出
传热膜系数的半经验关联式。

二、目的及任务
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、基本原理
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：p n m Gr A Nu
Pr Re =
对于强制湍流而言。

Gr 数可忽略，即：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系式中的指数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，得到直线方程为：Re lg lg Pr
lg
4
.0m A Nu
+= 在双对数坐标中作图，求出直线斜率，即为方程的指数m 。

在直线上任取一点函数值带入方程中，则可得系数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人为性。

而用最小二乘法回归，可得到最佳关联结果。

应用计算机辅助手段，对多变量方程进行一次回归，就能的道道A 、m 、n 。

对于方程的关联，首先要有Nu 、Re 、Pr 的数据组。

其特征数定义式分别为
μρdu =
Re ，λμCp =Pr ，λαd Nu = 实验中改变空气的流量，以改变Re 值。

根据定性温度(空气进、出口温度的算数平均值)
计算对应的Pr 值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数值，进而求得Nu 值。

牛顿冷却定律为：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；
m t ∆—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 Wc Q p s p -=-=ρ
式中 W —质量流量，kg/h ；
c p —流体的比定压热容，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 s —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V s 与孔板流量计压降△p 的关系式为
54.02.26p V s ∆=
式中△p —孔板流量计压降，kPa ；
V s —空气流量，m 3/h 。

四、装置和流程
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，其管径为0.020m,有效长度为1.25m 。

空气进、出口温度和壁温分别由铂电阻（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。

测量管壁温度用一支铂电阻和一支热电偶分别固定在管外壁的两端。

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，最大鸭梨17.50kPa ，最大流量100 m 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读取，并实验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
1、蒸汽发生器
2、蒸汽管
3、补水漏斗
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、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机
本实验装置流程图如下所示，冷空气由风机输送，经孔板流量计计量以后，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。

放气阀门用于排放不凝性气体，在铜管之前设有一定长度的稳定段，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。

五、操作要点
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。

注意：
a．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。

b．调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔流压差读数不应从0开始，最低不小于0.2KPa。

实验中要合理取点，以保证数据点均匀。

c．切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取数据。

六、数据处理
原始数据：
表1.直管传热数据记录表
表2.强化传热数据记录表
数据处理：
已知公式：34/1027063.0m kg t ⋅⨯-=-ρ s Pa t ⋅⨯+=-510)005.071.1(μ
)/(10)0074.04513.2(2k m w t ⋅⋅⨯+=-λ t 41027063.0Pr -⨯-= 1
)(005.1-⋅⋅=K Kg KJ C p 以表1中第一组数据为例：
△t m =
)()(ln )()2121t t t t t t t t w w w w -----（℃=40.0040)
7.703.100()7.473.100(ln )7.703.100()7.473.100(=-----℃
1354.054.0m 36.736387.12.262.26-⋅=⨯=∆=h p Vs
-1
12s J 251.044847.7)/3600-(70.7100536.73631.06433600/)(⋅=⨯⨯⨯=-=t t C V Q p s ρ12-m w 79.94250040
.401.250.023.14251.0448-⋅⋅=⨯⨯⨯=∆=
K t A Q m α 55.33540.0289
0.02
79.9425=⨯==λαd Nu 34485102.0102.014.336007363
.360643.14360044Re 5
-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯===
=
μπρμπμ
ρ
d V d q du s m 64.02420.69446
3354
.550.4
4.0==r p Nu 计算结果如下：
表3：直管传热计算结果
由公式Re lg lg Pr
lg
4
.0m A Nu +=可知，分别对4
.0Pr /Nu 和Re 取对数，并作图所作出的直线的斜率即为m ；截距即为lgA.。

作图如下：
图1：强化前传热线性拟合图
由图可知：m=0.7604,lgA=-1.6414,进而得出A=0.023。

因此得出关联结果为：
4
.076
.0Pr Re
023.0=Nu ，继而得出传热膜系数4
.0
76.0)
()(023.0λ
μμρλαp c du d = 图2：强化前4
.0Pr
/Nu ~Re 关系图
表4：强化传热计算结果
同理：由公式Re lg lg Pr
lg
4
.0m A Nu +=可知，分别对4
.0Pr /Nu 和Re 取对数，并作图所作出的直线的斜率即为m ；截距即为lgA 。

作图如下：
图3：强化后传热线性拟合图
由图可知：m=0.7347,lgA=-1.3387,进而得出A=0.046。

因此得出关联结果为：
4
.073
.0Pr
Re
046.0=Nu 继而传热膜系数4
.0
73.0)()(046.0λ
μμρλαp c du d =
图4：强化后4.0Pr /Nu ~Re 关系图
实验结果分析：传热膜系数公认的关联式为4
.08.0)()(023.0λ
μμρλαp c du d =，而实验得
出的关系式为4
.076.0)()(023
.0λ
μμρλαp c du d =。

可以看出系数A=0.023非常准确，而指数a=0.76与公认式中a=0.8有一定的误差因素，比如说：管壁不够光滑；管件材料不可能完全相同；还有实验中Pr 在0.6950左右，不满足公认式的条件（0.7<Pr<160），会引起一定的误
差。

七、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，对的关联有无影响？
答：由公式n m A Nu Pr Re =，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。

4.试估算空气一侧的热阻的百分数。

答：忽略污垢热阻时，热阻计算主要为
1111
K αα
=+，则空气热阻比例为96.0)683
.01028.01/(028.011/11=+=K a ，即热阻主要表现为空气热阻。

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

实验完成日期： 2010 年 12 月 15日。