化工原理实验报告
实验名称：传热膜系数测定实验
实验时间:2012年11月
姓名：
班级： 学号：同组人：
正文
一. 报告摘要：套管换热器为本实验的研究对象，而以冷空气及热蒸汽为介质，冷空气走黄铜管内，热蒸汽走环隙。研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程。后测得的一系列温度及孔板压降数值，分别求得正常条件和加入静态混合器后的强化条件下的对流传热膜系数α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的图像，分析出传热膜系数准数关联式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。
二．实验目的及任务：
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．实验原理:
研究传热的关键问题是测算α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：
对于强制湍流有：
用图解法对多变量方程进行关联，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）。在两边取对数，得到直线方程为
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代入方程中，则可得到系数A，即
其中
实验中改变空气的流量，以改变Re值。根据定性温度计算对应的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
其中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
其中W——质量流量，kg/h；
cp——冷空气的比定压热容，J/（kg?℃）；
t1,t2——冷空气的进，出口温度，℃；
ρ——定性温度下流体密度，kg/m3；
V——冷空气体积流量，m3/h。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V与孔板流量计压降Δp的关系为
式中，Δp——孔板流量计压降，kPa；
V——空气流量，m3/h。
四． 实验装置及其说明
1、 设备说明
本实验空气走内管，蒸汽走管隙（玻璃管）。内管为黄铜管，其内径为0.020m，有效长度为1.25m。空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得。测量空气进、出口的铂电阻应置于进、出管得中心。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两端。孔板流量计的压差由压差传感器测得。
本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，最大压力17.50kPa，最大流量100m3/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
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．实验装置图
套管式换热实验装置和流程
1-风机，2-孔板流量计，3-空气流量调节阀，4-空气入口测温点，5-空气出口测温点，
6-水蒸气入口壁温，7-水蒸气出口壁温，8-不凝性气体放空阀，
9-冷凝水回流管，10-蒸汽发生器，11-补水漏斗，12-补水阀，13-排水阀
六．实验过程
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1/3~2/3。
3.按下总电源开关，关闭蒸汽发生器补水阀，启动风机，接通蒸汽发生器的发热电源，保持放气阀打开，调整好热电偶位置。
4.用计算机控制风机频率为50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；再每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12~13次。
5.将静态混合器插入管中，并将其固定，再次调整好热电偶温度计，将风机频率调回50Hz，待仪表数值稳定后，记录数据；每降低3Hz取一实验点，同样等仪表数值稳定后，记录数据，重复实验，12~13次。
6.实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，清理现场，给蒸汽发生器灌水。
七．实验数据处理及结果
1、测定空气普通对流传热膜系数的数据及计算结果（l=1.25,d=0.020m）
序号
t出/℃
t进/℃
tw1/℃
tw2/℃
Δp/kPa
f/Hz
Δp'/kPa
qv/(m3/h)
1
60.2
30.0
100.0
99.4
3.79
50.00
3.23
164.42
2
61.1
30.2
100.0
99.5
3.10
45.00
2.70
165.01
3
61.5
29.7
100.0
99.6
2.46
40.00
2.20
163.53
4
61.6
28.4
100.0
99.7
1.91
35.00
1.75
159.62
5
61.5
27.1
99.9
99.7
1.51
31.00
1.45
155.63
6
61.4
25.3
99.9
99.8
1.15
27.00
1.16
149.96
7
61.5
23.6
99.9
99.9
0.84
23.00
0.90
144.44
8
61.6
22.1
99.8
99.9
0.64
20.00
0.73
139.40
9
61.9
21.1
99.7
100.0
0.47
17.00
0.58
135.96
10
62.4
20.5
99.8
100.1
0.32
14.00
0.45
133.86
11
63.2
20.1
100.0
100.1
0.20
11.00
0.34
132.44
序号
t定/℃
ρ(kg/m3)
μ(μPa·s)
λ(W/(m·K))
Cp(kJ/kg·K)
1
45.10
1.1102
19.36
0.02796
1.005
2
45.65
1.1082
19.38
0.02800
1.005
3
45.60
1.1084
19.38
0.02799
1.005
4
45.00
1.1105
19.35
0.02795
1.005
5
44.30
1.1130
19.32
0.02790
1.005
6
43.35
1.1163
19.27
0.02783
1.005
7
42.55
1.1191
19.23
0.02778
1.005
8
41.85
1.1215
19.19
0.02773
1.005
9
41.50
1.1228
19.18
0.02771
1.005
10
41.45
1.1229
19.17
0.02770
1.005
11
41.65
1.1222
19.18
0.02772
1.005
序号
Pr
Re
Nu
Nu/pr0.4
1
0.696
54595
86.20
99.647
2
0.696
48826
79.76
92.202
3
0.696
43107
72.47
83.775
4
0.696
37731
65.58
75.81
5
0.696
33368
59.49
68.77
6
0.696
28962
53.35
61.672
7
0.696
24555
46.91
54.228
8
0.696
21287
42.02
48.575
9
0.696
18054
36.69
42.413
10
0.696
14674
30.62
35.397
11
0.696
11372
24.51
28.333
以第一组数据为例，计算过程如下：
2、测定空气强化对流传热膜系数（l=1.25,d=0.020m,加入混合器）
表二：强化后膜系数测定实验数据记录
序号
t进/℃
t出/℃
压差/Kpa
壁温1/℃
壁温2/℃
阻力降/Kpa
f/Hz
1
72.1
28.6
1.92
99.8
99.6
8.35
50.00
2
74.1
30.1
1.26
99.8
99.8
5.57
40.00
3
75.3
29.1
0.77
99.9
99.9
3.54
31.00
4
76.4
27.4
0.43
99.8
100
2.1
23.00
5
78
25.5
0.22
99.8
100.1
1.14
16.00
6
78.6
24
0.15
99.8
100.2
0.82
13.00
序号
qv/(m3/h)
定型温度t/℃
Re
Pr
Q(W)
Δtm/℃
α(W/(m2·℃))
Nu
Nu/Pr0.4
1
37.26
50.35
36694
0.696
494.08
46.00
136.82
96.61
111.67
2
29.68
52.10
28945
0.696
395.98
44.10
114.38
80.42
92.95
3
22.75
52.20
22174
0.696
318.59
43.70
92.86
65.27
75.45
4
16.61
51.90
16216
0.696
246.92
43.45
72.39
50.92
58.85
5
11.57
51.75
11302
0.696
184.31
42.92
54.71
38.49
44.50
6
9.41
51.30
9213
0.696
156.08
42.99
46.25
32.58
37.66
计算过程同第一组的实验数据
七、实验结果做图及分析
根据表一、表二中的数据分别做出普通和强化后的Nu/pr0.4与Re双对数关系曲线如下：
图名：传热实验Nu/Pr0.4与Re关系曲线图
1. 在双对数坐标上作图，用回归分析可得到：
（1）正常条件下空气普通对流传热： A=0.017，m=0.80，Nu=0.017*Re0.80*Pr0.4
（2）强化条件下空气强化对流传热: A=0.029，m=0.79，Nu=0.029* Re0.79*Pr0.4
2 误差分析：化工原理课本上介绍的公式为Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4 ，实验结果与之有一定误差的主要原因：
（1）出口温度不稳定时读数造成误差偏大，也可能是由于温度计在管中的位置不正确导致测量的温度准确性降低。
（2）蒸汽所在的玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，从而降低了传热系数。
（3）改变压降后，度数时间间隔太短，从而传热体系未达到稳定状态，造成读数与实际情况不相符。
（4）加强管由于加入填充物，使流体的湍动程度加大，流体阻力增大，进而测得的m与A值与未加填充物时不同，导致所得的半经验公式与光滑管的不同。
八．思考题
2、管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？当空气速度增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？
答：由于，且，所以传热膜系数与流速有关，由经验公式可知，传热膜系数正比于u0.8。当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将降低，流速增大，使雷诺数增大，进而使传热膜系数变大，由两个等式的比例可得空气离开热交换器时的温度降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α式的关联有无影响？
答：有影响，对于本实验而言，由于用膜传热系数α代替总传热系数K，不同压强的饱和蒸汽温度不同，当蒸汽压强变化，对数平均温差即平均推动力Δtm变化，当总传热量不变时，总传热系数必然K变化，即α变化，则α的关联式变化。
4 4.试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。
答：空气一侧：假设α1=100W/m2·K，水蒸汽一侧：假设α2=10000 W/m2·K，空气一侧热阻为1/100欧，水蒸气一侧热阻为1/10000欧，所以：
。