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1、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
2、、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：pnmGrANuPRe对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故n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 n0.4（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：RelglPrlg4.0m
3、Nu- 1 -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：mNuARePr4.0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：, , duReCpPrdNu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 值进而算得Nu 准数值。牛顿冷却
4、定律：mtAQ式中：传热膜系数，W/m；Q传热量，W ；A总传热面积m。tm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：360/360/ 1212 tCVtCpp 式中：W质量流量， kg/h；Cp流体定压比热，J/kg；t1、t 2流体进、出口温度；定性温度下流体密度，kg/m；V流体体积流量，m/s。- 2 -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
5、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 1/22/3；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（810 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。-
6、 3 -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 30300mmH2O 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29.6 59.4 100.2 99.8 3.68 115.72 83.24 54088 0.697435.2 64.8 100.1 99.9 2.98 112.48 79.74 46
7、766 0.696336.1 66.2 100.2 99.8 2.38 103.63 73.24 41147 0.6960735.9 66.7 100.1 99.9 1.84 92.66 65.46 35778 0.6960434.9 66.9 100.1 99.9 1.36 81.39 57.56 30459 0.6961233.7 66.9 100.1 100 0.95 68.91 48.81 25181 0.6962432.3 67 100.1 100 0.63 57.22 40.60 20247 0.6963731 66.9 100.1 100 0.52 52.85 37.57 183
8、28 0.6965130 66.9 100.1 100.1 0.42 48.03 34.19 16378 0.6966129.1 67 100.1 100 0.33 43.17 30.76 14412 0.69669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：tm=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：=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*44.5=1.12 /m 3黏度：=(1
9、.71+0.005*t)/100000=(1.71+0.005*44.5)/100000=0.0000193 Pas- 4 -传热系数：=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*44.5)/100=0.0278 W/mK流速:u=26.2*(P)0.54/(0.25*3.14*d2)/3600=26.2*(3.68)0.54/(0.25*3.14*0.022)/3600=46.84m/s传热量：Q=*26.2*(P)0.54*( t 出 -t 入 ) *Cp/3600=1.12*26.2*(3.68)0.54*(59.4-29.6) *1005/3600=49
10、1 W传热膜系数：=Q/t m /(3.14*d*l)=491/54.1/(3.14*0.02*1.25)= 115.7 W/m2KNu 准数：Nu=*d/=115.7*0.02/0.0278=83.24Re 准数：Re=d*u/=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：tm=tw1-t 入 -tw2+t 出 =(100.1-36.
11、1-100.1+77.7)/LN(100.1-36.1)/(100.1-77.7)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36.1 77.7 100.1 100.1 1.57 133.82 93.18 31797 0.6949241.1 81.3 100.3 100.1 1.01 113.05 77.85 24442 0.6940640 81.9 100.4 100.2 0.71 97.39 67.11 20236 0.6941138 82.6 100.2 100.1 0.45 81.23 56.07 15878 0.6942436 83.6 10
12、0.3 100.3 0.25 63.11 43.62 11594 0.6943440 81.9 100.4 100.2 0.21 50.45 34.76 10482 0.69411- 5 -=54.1 密度：=1.2715-0.0035*t=1.2715-0.0035*56.9=1.072 /m 3黏度：=(1.71+0.005*t)/100000=(1.71+0.005*56.9)/100000= 0.0000199 Pas传热系数：=(2.4513+0.0074*t)/100=(2.4513+0.0074*56.9)/100= 0.0287 W/mK流速:u=26.2*(P)0.54/(0
13、.25*3.14*d2)/3600=26.2*(1.57)0.54/(0.25*3.14*0.022)/3600=29.57m/s传热量：Q=*26.2*(P)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：=Q/t m /(3.14*d*l)=416/54.1/(3.14*0.02*1.25)= 133.8 W/m2KNu 准数：Nu=*d/=133.8*0.02/0.0287=93.18Re 准数：Re=d*u/=0.02*1.072*29.57/0.0000199=31
14、797Pr 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- 6 -A=10-1.860=0.014如图所示：m=k=0.843A=10-1.748= 0.018- 7 -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 正比于流速，故当空气流速增大时传热系数亦增大，由 Q=WCP(t2-t1)/3600=V ScP（t 2-t1）/3600，当 Vs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 Nu=ARemPrn，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。
