传热膜系数测定

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 、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：

Nu =A ⋅Re m ⋅Pr n ⋅Gr p

对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故 Nu =A ⋅Re m ⋅Pr 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：

Nu lg 0. 4=lg A +m lg Re Pr

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：

Nu A =0. 4 m Pr ⋅Re

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：

Re =du ρ

μ , Pr =Cp μ

λ , Nu =αd λ

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：

Q =α⋅A ⋅∆t m 式中：

α——传热膜系数，[W/m²·℃]；

Q ——传热量，[W ]；

A ——总传热面积[m ²]。

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：

Q =W ⋅C p (t 2-t 1)/3600=ρ⋅V ⋅C p (t 2-t 1)/3600 式中：

W ——质量流量，[kg/h]；

Cp ——流体定压比热，[J/kg·℃]；

t 1、t 2——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，[m ³/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：

1、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；

2、检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在1/2—2/3；

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（8—10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。

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30—300mmH 2O 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

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：

Δt m =tw1-t 入-t w2+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=0.0000193 Pa·s

传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100

=(2.4513+0.0074*44.5)/100=0.0278 W/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=491 W 传热膜系数：

α=Q/Δt m /(3.14*d*l)

=491/54.1/(3.14*0.02*1.25)= 115.7 W/m2·K

Nu 准数：Nu=α*d/λ=115.7*0.02/0.0278=83.24

Re 准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.12*46.84/0.0000193=54088 Pr 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：

Δt m =tw1-t 入-t w2+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= 0.0000199 Pa·s

传热系数：λ=(2.4513+0.0074*t)/100

=(2.4513+0.0074*56.9)/100= 0.0287 W/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/s 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= 416 W 传热膜系数：

α=Q/Δt m /(3.14*d*l)

=416/54.1/(3.14*0.02*1.25)= 133.8 W/m2·K

Nu 准数：Nu=α*d/λ=133.8*0.02/0.0287=93.18

Re 准数：Re=d*ρ*u/μ=0.02*1.072*29.57/0.0000199=31797 Pr 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

A=10-1.860=0.014

如图所示：m=k=0.843

A=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. 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=WCP (t2-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α的关联有无影响？ 答：由公式Nu=ARem Pr n ，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。