对流给热系数测定实验

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1、物 理 化 学 实 验 报 告实验名称：对流给热系数测定实验学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：姓名：学号指导教师：日期：一、实验目的1、 掌握传热膜系数的测定方法；2、 通过实验，掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数A 和指数 m 的方法；3、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。二、实验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：Nu=ARe mPr nGr p (4-1) 对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故Nu=ARe m Pr n (4-2) 本实验中，可用图解法和最小二乘

2、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：lg(Nu/Pr0.4)=lgA + mlgRe (4-3) 在双对数坐标纸上作图，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：A=Nu/(Pr0.4Rem) (4-4) 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

3、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：Nu=d/，Re=du/，Pr=Cp /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。牛顿冷却定律：Q=A tm (4-5) (tw-t1)-(tw-t2) ln(tw-t1)/(tw-t2) 式中： 传热膜系数，W/(m2 )； tm = Q传热量， W ；A总传热面积，m2；tm管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，；tw蒸汽平均温差， 。传热量可由下式求得：Q=W Cp(t2-t

4、1)=VCp(t2-t1) (4-6) 式中： W质量流量， kg/s ；Cp流体定压比热，J/(kg )；t1、t2流体进、出口温度，；定性温度下流体密度，kg/m3；V流体体积流量，m3/s。三、实验装置说明与操作1、装置说明该装置为套管换热器（见图1） ，空气走管内，蒸汽走环隙，外管11/2 玻璃管，内管为252mm 紫铜管，有效长度为1.2m。空气进出口温度和壁温分别由铂电阻测量，测壁温的两支铂电阻用导热绝缘胶固定在管外壁，孔板流量计的压差通过压力传感器转换为电信号由表头显示， 其单位为kPa。 孔板流量计的孔板d0=20mm。蒸汽发生器的加热功率为1500W（额定电压220V） 。图

5、 1、实验装置图2、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2/3 左右；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（有一点微小开度即可）；待蒸汽压力正常后，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、 壁温和压差读数。 改变空气流量 （810 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（45 次）并记录数据；实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机

6、，清理现场。四、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，必须等到数据稳定后才能测取数据。五、实验数据的记录与处理实验数据的记录：表 1、实验条件记录紫铜管蒸气压管内表面积S 管径管长 L 20 1.5mm 1000mm 10kPa 0.0628m2注： S=dL=3.142010-3100010-3=0.0628m2 表 2、实验数据记录冷空气流量 /(m3/h) 冷

7、空气水蒸气进口温度 /出口温度 /进口温度 /出口温度 /11 23.3 67.7 101.1 92.7 13 24.4 67.5 101.3 93.5 15 25.8 67.4 101.4 93.7 17 26.9 67.4 101.6 93.9 19 28.4 67.7 101.4 94.2 21 30.6 70.2 101.3 98.0 23 33.2 73.1 101.4 101.4 表 3、空气的物理性质温度 t 密度 Kg/m3比热容 Cp KJ/(Kg C) 导热系数 102W/(m ) 黏度 105Pas 普朗特数Pr 40 1.128 1.005 2.756 1.91 0.6

8、99 50 1.093 1.005 2.826 1.96 0.698 60 1.060 1.005 2.896 2.01 0.696 实验数据的处理：实验数据计算举例：以第三组数据为例：定性温度t=(25.8+67.4)/2=46.6 查化工原理得得：40空气密度 =1.128Kg/ m3、比热容Cp=1.005 KJ/(Kg C)、导热系数 =2.75610-2 W/(m )、黏度 =1.9110-5 Pas；50空气密度 =1.093Kg/ m3、比热容 Cp=1.005 KJ/(Kg C)、导热系数 =2.826 10-2 W/(m )、黏度 =1.9610-5 Pas。由内插法得： 4

9、6.6的空气密度 =1.105Kg/ m3、比热容 Cp=1.005 KJ/(Kg C)、导热系数 =2.80210-2 W/(m )、黏度 =1.9410-5 Pas。tw=101.1+92.7=97.6 V=15 m3/h=15/3600 m3/s=4.1710-3 m3/s Q=VCp(t2-t1)=1.1054.1710-31.0051000(67.4-25.8)=192.64w A=S=0.0628m2(tw-t1)- (tw-t2) ln(tw-t1)/(tw-t2) =Q/(A tm)= 192.64/0.0628/48.03 = 63.87w/(m2 ) u=V/S=4.17

10、10-3/(1/43.140.022) =13.28m/sNu= d/ =63.872010-3/2.802102 =45.59 Re=du /=2010-313.28 1.105/1.94 105 = 1.51 104Pr=0.698 计算所得数据的记录表：表 4、定性温度下空气的物理性质定性温度密度 Kg/m3比热容 Cp KJ/(Kg C) 导热系数 W/(m ) 黏度 Pas 普朗特数Pr 45.5 1.109 1.005 2.79510-21.9410-50.698 46.0 1.107 1.005 2.79810-21.9410-50.698 46.6 1.105 1.005 2.

11、80210-21.9410-50.698 47.2 1.103 1.005 2.80610-21.9510-50.698 48.1 1.100 1.005 2.81210-21.9510-50.698 50.4 1.092 1.005 2.82910-21.9610-50.698 53.2 1.083 1.005 2.84810-21.9810-50.697 tm = =(71.8-30.2)/ln(71.8/30.2)=48.03 表 5、 计算的数据表V m3/s t2-t1 tw tmQ W w/(m2 ) 3.0610-344.4 96.9 47.95 151.43 50.29 3.6

12、110-343.1 97.4 48.29 173.10 50.08 4.1710-341.6 97.6 48.03 192.64 63.87 4.7210-340.5 97.8 47.83 211.90 70.55 5.2810-339.3 97.8 47.05 229.40 77.64 5.8310-339.6 99.7 46.52 253.37 86.73 6.3910-339.9 101.4 45.36 277.50 97.42 表 6、准数及相关数据u m/s Nu Pr0.4Re lg(Nu/ Pr0.4) lgRe 9.75 35.99 0.866 1.111041.62 4.05

13、 11.50 35.80 0.866 1.311041.62 4.12 13.28 45.59 0.866 1.511041.72 4.18 15.03 50.29 0.866 1.701041.76 4.23 16.82 55.22 0.866 1.901041.80 4.28 18.57 61.31 0.866 2.071041.85 4.32 20.35 68.41 0.866 2.231041.90 4.35 y = 0.9697x - 2.33771.551.61.651.71.751.81.851.91.9544.054.14.154.24.254.34.354.4图 2、lg(N

14、u/Pr0.4)lgRe 关系图由图 2 可得： m=0.97 lgA=-2.34 A=4.57 10-3六、实验结果由实验和处理数据得：m=0.97、A=4.57 10-3七、实验分析这次实验在操作上还是蛮简单的。在实验中只需要调节一个阀门和记录电脑上显示的数据，通过本次实验成功的得到一组数据。从实验结果上来看，lg(Nu/Pr0.4)lgRe 图基本呈一条直线，但是第一、第二点偏离直线较远，造成误差的原因主要有以下几点：1、刚开始没等阀门上显示的压强稳定就开始设定流量、读数。 2、每次当空气流量达到设定值时，没等五分钟，即系统稳定后再读数。3、水蒸气的热量除了给空气传热外，由于与外界不可能

15、完全绝缘，所以一部分的热量损失了。4、管道不可能完全不漏气5、仪器本身就有一定的测量误差。6、计算者对数据进行处理的时候产生的误差。八、思考题1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？答：冷流体和蒸汽是并流时，传热温度差小于逆流时传热温度差，在相同进出口温度下，逆流传热效果大于并流传热效果。2、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响，应采取什么措施？答：不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。 并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。而且由于冷凝压力的升高致使排气压力升高，还会减少压缩机的使用寿命。应把握好空气的进入，和空气的质量。3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响，如何及时排走冷凝水？答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。4、实验中，所测得的壁温是靠近蒸气侧还是冷流体侧温度？为什么？答：靠近蒸气温度；因为蒸气冷凝传热膜系数远大于空气膜系数。