传热膜系数测定

PAGE6-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、目的及任务掌握传热膜系数的测定方法；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；测定套管换热器的静压损失与雷诺准数的关系；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：对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故本实验中，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：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：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：,,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：式中：α——传热膜系数，[W/m²·℃]；Q——传热量，[W]；A——总传热面积[m²]。Δtm——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：式中：W——质量流量，[kg/h]；Cp——流体定压比热，[J/kg·℃]；t1、t2——流体进、出口温度[℃]；ρ——定性温度下流体密度，[kg/m³]；V——流体体积流量，[m³/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：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；检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在1/2—2/3；打开总电源开关及仪表开关；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）；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；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；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：蒸汽发生器液位一定不要太低，以免烧损加热器；风机不要在出口阀关闭下长时间运行；不凝气排放阀在实验过程中应始终微开；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；切记每改变一个流量后，应等到数据稳定后再测取数据。七、数据处理表1：直管入口温度出口温度壁温1壁温2压差计度数/千帕传热膜系数Nu准数Re准数Pr准数29.659.4100.299.83.68115.7283.24540880.697435.264.8100.199.92.98112.4879.74467660.696336.166.2100.299.82.38103.6373.24411470.6960735.966.7100.199.91.8492.6665.46357780.6960434.966.9100.199.91.3681.3957.56304590.6961233.766.9100.11000.9568.9148.81251810.6962432.367100.11000.6357.2240.60202470.696373166.9100.11000.5252.8537.57183280.696513066.9100.1100.10.4248.0334.19163780.6966129.167100.11000.3343.1730.76144120.69669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=(29.6+59.4)/2=44.5对数平均温度：Δtm=tw1-t入-tw2+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=0.0000193Pa·s传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*44.5)/100=0.0278W/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=491W传热膜系数：α=Q/Δtm/(3.14*d*l)=491/54.1/(3.14*0.02*1.25)=115.7W/m2·KNu准数：Nu=α*d/λ=115.7*0.02/0.0278=83.24Re准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.12*46.84/0.0000193=54088Pr准数：Pr=0.7063-2*t/10000=0.7063-2*44.5/10000=0.6974入口温度出口温度壁温1壁温2压差计度数/千帕传热膜系数Nu准数Re准数Pr准数36.177.7100.1100.11.57133.8293.18317970.6949241.181.3100.3100.11.01113.0577.85244420.694064081.9100.4100.20.7197.3967.11202360.694113882.6100.2100.10.4581.2356.07158780.694243683.6100.3100.30.2563.1143.62115940.694344081.9100.4100.20.2150.4534.76104820.69411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：Δtm=tw1-t入-tw2+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=0.0000199Pa·s传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*56.9)/100=0.0287W/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=416W传热膜系数：α=Q/Δtm/(3.14*d*l)=416/54.1/(3.14*0.02*1.25)=133.8W/m2·KNu准数：Nu=α*d/λ=133.8*0.02/0.0287=93.18Re准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.072*29.57/0.0000199=31797Pr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=0.820A=10-1.860=0.014如图所示：m=k=0.843A=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