1、目錄一 .摘要 1二 .實驗目的 1三實驗基本原理及內(nèi)容 1四實驗裝置說明及流程圖 3五實驗步驟 4六實驗注意事項 4七實驗數(shù)據(jù)處理 5八結果與討論 8九誤差分析 9十思考題 9化工原理實驗報告一一傳熱膜系數(shù)測定實驗三傳熱膜系數(shù)測定實驗一 摘要選用牛頓冷卻定律作為對流傳熱實驗的測試原理，通過建立不同體系的傳熱 系統(tǒng),即水蒸汽一空氣傳熱系統(tǒng)、對普通管換熱器進行了強制對流傳熱實驗研究。 確定了在相應條件下冷流體對流傳熱膜系數(shù)的關聯(lián)式。此實驗方法可以測出蒸汽 冷凝膜系數(shù)和管內(nèi)對流傳熱系數(shù)。本實驗采用由風機、孔板流量計、蒸汽發(fā)生器 等組成的自動化程度較高的裝置， 讓空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙，用計算機在線

2、采 集與控制系統(tǒng)測量了孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫，計算了傳熱膜系數(shù)a,并通過作圖確定了傳熱膜系數(shù)準數(shù)關系式中的系數(shù) A和指數(shù)m (n取0.4)，得 到了半經(jīng)驗關聯(lián)式。關鍵詞：對流傳熱對流傳熱膜系數(shù)蒸汽冷凝膜系數(shù)管內(nèi)對流傳熱系數(shù)二. 實驗目的1. 掌握傳熱膜系數(shù)a及傳熱系數(shù)K的測定方法；2通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準數(shù)關系式中的系數(shù) A和指數(shù)m、n的方法； 3通過實驗提高對準數(shù)關系式的理解，并分析影響a的因素，了解工程上強化傳 熱的措施。三. 實驗基本原理及內(nèi)容對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數(shù)，當流體無相變時對流傳熱準數(shù)關聯(lián)式的一般形式為：Nu 二 A Rem Prn Grp(1)對于強制

3、湍流而言，Gr準數(shù)可以忽略，故Nu 二 A Rem Prn(2)本實驗中，可用圖解法和最小二乘法計算上述準數(shù)關聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)A。用圖解法對多變量方程進行關聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式，即取n = 0.4 (流體被加熱)。這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠蹋?兩邊取對數(shù)，即得到直線方程：=lg A mlg Re(3)在雙對數(shù)坐標中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點的 函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù) A，即：ANuA _ Pr04 Rem(4)用圖解法，根據(jù)實驗點確定直線位置有一定的人為性。 而用最小二乘法回歸，可 以得到最佳關聯(lián)結果。應用微機，對

4、多變量方程進行一次回歸，就能同時得到A、m、n。對于方程的關聯(lián)，首先要有 Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。其準數(shù)定義式分別為:Re實驗中改變空氣的流量以改變 Re準數(shù)的值。根據(jù)定性溫度（空氣進、出口溫度 的算術平均值）計算對應的Pr準數(shù)值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速 下的傳熱膜系數(shù)a值進而算得Nu準數(shù)值。牛頓冷卻定律：Q 二：A tm（5）式中：a專熱膜系數(shù)，W/（m2C）;Q 傳熱量，W;A總傳熱面積m2。Am 管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，C 傳熱量 可由下式求得：Q 二 W Cp t2 -匕 /36 00、 V Cp t2 -匕 /36 0 0 （6）式中：W質(zhì)量流量，kg/h

5、;Cp流體定壓比熱，J/（kg C-）；t1、t2流體進、出口溫度C ；P性溫度下流體密度，kg/m3;V 流體體積流量，m3/h。空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量 Vs與孔板流量計壓降Ap的關系為Vs = 26. 2p0 -5 4（ 7）式中 p孔板流量計壓降，kPa;Vs 空氣流量，m3/h。四. 實驗裝置說明及流程圖1. 設備說明本實驗空氣走內(nèi)管，蒸汽走環(huán)隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，內(nèi)徑為 0.020m， 有效長度為1.20m。空氣進、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100 ）和熱 電偶測得。測量空氣進出口溫度的鉑電阻應置于進出管的中心。測得管壁溫度用 一支鉑電阻和一支熱電偶分

6、別固定在管外壁兩端。孔板流量計的壓差由壓差傳感器測得。實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成， 裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kw。 風機采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kpa，最大流量100m 3/h。2. 采集系統(tǒng)說明（1）壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為 020kpa。（2）顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表直接讀取，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進出口溫度和兩個壁溫。3. 流程說明本實驗裝置流程如圖1所示，冷空氣由風機輸送，經(jīng)孔板流量計計量后，進入換 熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱，空氣

7、被加熱后，排入大氣。空氣的流量由空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。 蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進入套管環(huán)隙， 與內(nèi) 管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器，用于消除端效應。銅管兩 端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應。134圖1套管式換熱實驗裝置和流程1、風機；2、孔板流量計；3、空氣流量調(diào)節(jié)閥；4、空氣入口測溫點；5、空氣出口測溫點；6、水蒸氣入口壁溫；7、水蒸氣出口壁溫；8、不凝氣體放空閥；9、冷凝水回流管；10、蒸氣發(fā)生器；11、補水漏斗；12、補水閥；13、排水閥五. 實驗步驟1、 實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設備的對應關系，以便正確開啟按鈕。2、 檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度

8、的1/22/3。3、打開總電源開關（紅色按鈕熄滅，綠色按鈕亮，以下同）。4、實驗開始時，關閉蒸汽發(fā)生器補水閥，啟動風機，并接通蒸汽發(fā)生器的加熱 電源，打開放氣閥。5、 將空氣流量控制在某一值。待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，改變空氣流量（8 10次），重復實驗，記錄數(shù)據(jù)。6、實驗結束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風機，清理現(xiàn)場。六. 實驗注意事項1、實驗前，務必使蒸汽發(fā)生器液位合適，液位過高，則水會溢入蒸汽套管；過 低，則可能燒毀加熱器。2、調(diào)節(jié)空氣流量時，要做到心中有數(shù)，為保證湍流狀態(tài)，孔板壓差讀數(shù)不應從0開始，最低不小于0.1kpa。實驗中要合理取點，以保證數(shù)據(jù)點均勻。3、切記每改變一個流量后，

9、應等到讀數(shù)穩(wěn)定后再測取數(shù)據(jù)。七. 實驗數(shù)據(jù)處理本實驗內(nèi)管內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.20m。1. 原始數(shù)據(jù)：蒸汽壓I.OIkPa 蒸汽溫度1005C表1原始數(shù)據(jù)孔板壓降kPa管路壓降kPa進口 t1 (C )出口 t2 (C )壁溫1（C）壁溫2( C)-0.020.2022.125.399.9100.20.160.5222.865.599.8100.10.290.6922.865.299.7100.00.450.9022.864.699.6100.00.631.1422.864.099.7100.00.851.4023.063.399.7100.01.091.7023.162.199.

10、7100.01.362.0223.362.299.7100.01.662.3923.761.699.7100.01.982.7524.261.399.7100.02.313.1624.861.199.7100.02.673.6825.961.299.7100.03.044.0327.761.799.799.93.454.5128.761.899.799.93.824.9431.262.999.7100.02.數(shù)據(jù)處理：本實驗的數(shù)據(jù)處理由如下幾個步驟完成：步驟1:文獻1給出了各個相應溫度下的干空氣的物性參數(shù)，選取其中部分數(shù)據(jù)如附錄1所示；1步驟2:利用（t1 t2）求取各個流量下流體的平均溫度t

11、，并利用線性插值， 求得各個平均溫度下的相應物性參數(shù)，線性插值具體過程如附錄2所示：步驟3：利用平均壁溫和流體進出口溫度t1,t2求得各流量下的，其過程見附 表2所示；步驟4:利用式（7），式（8）求得對應的流量和流速；步驟5:利用式（6），式（5）求得各流量對應下的傳熱膜系數(shù):步驟6:利用Nu、Re、Pr數(shù)據(jù)組的定義式，求得各流量下的Nu、Re、Pr值步驟7:利用origin對lg Re對lg 臨作圖，并利用其中的擬合命令求解得到對Pr應的m與lg A ;步驟8:利用實驗條件下的炮和蒸汽壓查出ts,利用公式K=Q/(A ATm)計算出 總傳熱系數(shù)K上述步驟1-6中涉及到的中間數(shù)據(jù)和最終結果如

12、下所示：表2-1.直管處理中間數(shù)據(jù)流量m3 / h流速m/s密度kg m3比熱容kJ kg K熱導率mW mA K J粘度kPa s傳熱量W-3.17-2.801.1901.00526.2118.3-3.3079.748.621.1131.00527.8919.3129.22513.4311.881.1141.00527.8819.3177.08917.0215.061.1151.00527.8619.3221.45020.4118.061.1141.00527.8219.3261.51024.0021.241.1171.00527.8119.3301.60027.4524.301.1181.

13、00527.7719.3339.26830.9327.371.1181.00527.7819.2375.52234.4530.491.1181.00527.7719.2407.50637.8933.531.1181.00527.7819.2438.73741.1836.441.1161.00527.8019.2469.56044.5339.411.1131.00527.8319.3488.41247.7642.271.1121.00527.9019.4504.09451.1445.261.1101.00527.9819.4524.53654.0347.811.1031.00528.1019.5

14、527.392表2-2.直管處理中間數(shù)據(jù)% (C )a2W/(m 2/C)K2W/(m 2/ C)PrNuReNu76.29-0.575-0.6650.701-0.414-3641.53-0.4853.0132.34832.258r 0.69723.290P9942.0326.9153.2144.16344.0730.69831.80013714.3236.7253.6154.81454.7240.69739.47017400.9345.6054.0164.25064.1600.69846.620:20848.5453.8354.3873.59573.5050.69752.99024585.5

15、861.2255.9780.43580.3450.69857.91028152.7566.8754.9890.63490.5440.69865.26031874.6575.3555.2097.96197.8710.69870.53035508.1581.4455.19105.488105.3980.69775.95039048.4887.7555.07113.145113.0550.69881.46042361.50P 94.0654.56118.788118.6980.69885.52045454.2398.7553.51125.007124.9170.69790.00048457.9810

16、3.9853.04131.230131.1400.69794.34051792.37108.9951.33136.340136.2500.69898.16054086.59113.34八. 結果與討論1. 強制湍流條件下空氣側的給熱系數(shù) a，由表2-2中第二列給出。2. a關聯(lián)式中系數(shù)A和指數(shù)m.n，因為空氣被加熱n=0.4由圖2給出方程:y=0.8313x-1.8735 所以 A= 0.0134m=0.83133. 總傳熱系數(shù)K，由表2-2第三列給出。可以看出給熱系數(shù)跟總傳熱系數(shù)很接近。參考文獻：1 陳敏恒.化工原理（上冊）.化學工業(yè)出版社.第三版.北京:2011.6:2682 楊祖榮.化工

17、原理實驗.化學工業(yè)出版社.北京:2011.8:60-63附錄1.干空氣物性參數(shù)溫度C密度kg m3比熱容kJ kg K J熱導率mW m K粘度A Pa s401.1281.00527.4519.1501.0931.00528.2419.6601.0601.00528.9320.1附錄2.一維插值過程：已知相鄰的兩組數(shù)據(jù) 人“ ,X2,筆，求XX2之間的x所對應的y值，其具體式子如下：(x-xyY2+(X2-xNYX2 _Xr，tm求解過程:ln(T-tJ/ T-t2 )11式中-=tm 平均對數(shù)溫度Ctit分別為冷、熱流體溫度CT壁溫 C九. 誤差分析影響給熱系數(shù)的主要因素：1液體的狀態(tài)：氣

18、體、液體、蒸氣及傳熱過程是否有相變化等；2液體的物理性質(zhì)：如密度、比熱容、粘度及導熱系數(shù)；3液體的流動形態(tài)：層流或湍流；4液體對流的對流狀況：自然對流，強制對流等；5傳熱表面積的形狀、位置及大小。在該實驗過程中，空氣流量讀數(shù)時存在誤差；進行溫度讀數(shù)時，溫度不穩(wěn)定, 使得讀數(shù)時存在誤差；實驗是在固定水流量的條件下進行的，但在實驗過程中， 水流量會出現(xiàn)波動，會對測定結果產(chǎn)生影響。十.思考題1.本實驗中管壁溫度應接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：壁溫接近于蒸氣的溫度。可推出此次實驗中總的傳熱系數(shù)方程為d2d2d1R21其中K是總的傳熱系數(shù)，al是空氣的傳熱系數(shù)，a2是水蒸氣的傳熱系數(shù)，S是 銅管的厚度，入是銅的導熱系數(shù)，R1、R2為污垢熱阻。因R1、R2和金屬壁的熱 阻較小，可忽略不計，則Tw- tw，于是可推導出1T -Tw 迪Tw -t 一丄：1顯然，壁溫Tw接近于給熱系數(shù)較大一側的流體溫度，對于此實驗，可知壁溫接 近于水蒸氣的溫度。2. 管內(nèi)空氣流速對傳熱膜系數(shù)有何影響？當空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度是將升高呢還是降低？為什么