1、北 京 化 工 大 學化 工 原 理 實 驗 報 告實驗名稱： 傳熱膜系數測定實驗班 級： 化工1305班姓 名： 張瑋航學 號： 2013011132 序 號： 11同 組 人： 宋雅楠、陳一帆、陳駿設備型號： XGB型旋渦氣泵及ASCOM5320型壓力傳感器第4套實驗日期： 2015-12-17北京化工大學 化工原理 流體阻力實驗一、實驗摘要首先，本實驗讓空氣走內管，蒸汽走環隙，采用由XGB型漩渦氣泵風機、ASCOM5320型壓力傳感器、孔板流量計、蒸汽發生器等組成的自動化程度較高的裝置，由人工智能儀來讀取所有溫度和壓差等參數，用計算機軟件實現數據的在線采集與控制。其次，由所得數據分別求得

2、了正常條件和加入靜態混合器后的強化條件下的對流傳熱膜系數，再通過作圖，使用圖解法確定了傳熱膜系數準數關系式（n=0.4）中的系數A和指數m后，在雙對數坐標紙中作出了的關系曲線。最后，整理出了流體在圓管內做強制湍流流動的傳熱膜系數準數半經驗關聯式，并與公認的關聯式進行了比較。 關鍵詞：傳熱膜系數K、雷諾數Re、努賽爾準數Nu、普朗特數Pr、圖解法二、實驗目的1、掌握傳熱膜系數及傳熱系數K的測定方法：（1）測定空氣在圓管內作強制湍流時的給熱系數1（2）測定加入靜態混合器后空氣的強制湍流給熱系數12、通過實驗掌握確定傳熱膜系數準數關系式中的系數A和指數m、n的方法；3、通過實驗提高對準數關系式的理解

3、，將實驗所得結果與公認的關聯式進行比較，分析影響的因素，了解工程上強化傳熱的措施。三、實驗原理間壁式傳熱過程可分為三個過程：第一、由熱流體對固體壁面的對流傳熱，第二、固體壁面的熱傳導，第三、固體壁面對冷流體的對流傳熱。當流體無相變時的對流傳熱準數關系式可由量綱分析法寫為：對于強制湍流而言，數可忽略，進行簡化后：在本文中，采用Excel軟件對上述準數關系式中的指數、和系數進行計算機求解。采用雙對數坐標作圖，利用冪函數函數形式對數據進行擬合，即可很好的求解出自變量對的線性關系，直接得到其冪函數關系的解析式。該方法中，要求對不同變量的Re和Pr分別回歸。本實驗測取流體被加熱過程中的各參數，因而上述式

4、子中的，這樣式(2)便成為單變量方程，兩邊同時去對數得：首先定義三個無量綱數群：、Re、Pr的數據組。其特征數定義式分別為實驗中通過改變空氣的流量，以改變Re值，根據定性溫度（空氣進出口溫度的算術平均值）計算相應的Pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數值，進而求得的值。在圓管中，有傳熱基本方程： 在圓管中，有傳熱牛頓冷卻定律：在圓管中，有筒壁傳導熱流量：式中傳熱膜系數，傳熱量，傳熱面積，由由熱量衡算方程：，傳熱量可由下式求得 式中質量流量，流體的比定壓熱容，流體進出口溫度，定性溫度下流體密度，流體體積流量，四、實驗流程和設備圖1 傳熱實驗帶控制點的工藝流程1-風機，2-孔板流

5、量計，3-空氣流量調節閥，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-不凝性氣體放空閥，9-冷凝水回流管，10-蒸汽發生器，11-補水漏斗，12-補水閥，13-排水閥1、 設備說明本實驗空氣走內管，蒸汽走管隙（玻璃管）。內管為黃銅管，其內徑為0.020m，有效長度為1.25m?？諝膺M、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、出口的鉑電阻應置于進、出管得中心。測量管壁溫度用一支鉑電阻和一支熱電偶分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。本實驗使用的蒸汽發生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kW。

6、風機采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kPa，最大流量100m3/h。2 、采集系統說明(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均可由人工智能儀表讀取，并實驗數據的在線采集與控制，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圖1所示，冷空氣由風機輸送，經孔板流量計計量以后，進入換熱器內管（銅管），并與套管環隙中的水蒸氣換熱?？諝獗患訜岷?，排入大氣。空氣的流量由空氣流量調節閥調節。蒸汽由蒸汽發生器上升進入套管環隙，與內管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發生器。放氣

7、閥門用于排放不凝性氣體，在銅管之前設有一定長度的穩定段，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。五、實驗操作（1）實驗準備1、先熟悉計算機軟件的界面使用和配電箱上各個按鈕與設備的對應關系，檢查蒸汽發生器中的水位，開補水閥，使其保持在4/5液位計高度；2、按下本小組的總電源開關對應的加熱、風機按鈕。檢查空氣出口溫度計頂端位于中心偏上5mm處；（2）空氣強制對流給熱實驗1、關閉蒸汽發生器補水閥，啟動風機，接通蒸汽發生器的發熱電源，保持不凝氣閥開1/2圈，調整好熱電偶位置；2、運行軟件，修改風機頻率為12Hz左右，使此時界面中的孔板壓降提示為“0.20kPa”左右。按采集畫面中的

8、綠色按鈕啟動風機，待儀表數值穩定后，記錄數據；再每升高1.5至3Hz取一實驗點，使得管路壓降按實驗原始數據記錄表格中的順序和大小進行實驗，總計進行13次直至達到最大孔板壓降（本實驗中為4.31kPa）。3、實驗中，不斷通過計算機軟件的“記錄數據”及“實驗結果”進行實驗數據的初步處理，由電腦所繪制的擬合曲線來檢驗實驗結果是否符合線性關系，如偏差較小，可認為實驗較為成功；（3）空氣強化傳熱給熱實驗1、先通過電腦停風機，再將出口溫度計向上拔約3cm，將靜態混合器插入管中，并將其固定，再次調整好熱電偶溫度計，將軟件界面調整為新的操作環境。將風機頻率調回12Hz左右，使此時界面中的孔板壓降提示為“0.2

9、0kPa”左右。待儀表數值穩定后，記錄數據；再每升高1.5至3Hz取一實驗點，使得管路壓降按實驗原始數據記錄表格中的順序和大小進行實驗，總計進行12次直至達到最大孔板壓降（本實驗中為1.76kPa）；2、實驗中，不斷通過計算機軟件的“記錄數據”及“實驗結果”進行實驗數據的初步處理，由電腦所繪制的擬合曲線來檢驗實驗結果是否符合線性關系，如偏差較小，可認為實驗較為成功；（4）實驗結束實驗結束后，按采集畫面的紅色按鈕停風機，停蒸汽發生器電源。然后向上拔出口溫度計，再旋轉取出混合器放好，并將空氣出口溫度計放回原位。清理現場，向蒸汽發生器內補水。六、實驗數據表格及計算舉例表1 空氣強制湍流給熱系數實驗數

10、據 序號進口溫度t1/出口溫度t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa給熱系數1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4標準值121.4 62.7 101.1 100.4 0.20 0.22 41.9 30.8 0.702 14314 35.5 48.6 221.3 62.7 101.1 100.3 0.30 0.39 51.5 37.9 0.702 17531 43.6 57.1 321.2 62.4 101.0 100.3 0.40 0.51 58.9 43.4 0.702 20243 49.9 64.1 421.2 62.1 1

11、00.9 100.3 0.50 0.61 65.2 48.0 0.703 22633 55.3 70.1 521.2 61.8 100.9 100.2 0.60 0.74 70.8 52.1 0.703 24793 60.0 75.4 621.2 61.4 100.9 100.2 0.80 0.95 80.5 59.3 0.703 28628 68.3 84.6 721.4 61.1 100.9 100.1 1.00 1.17 88.9 65.4 0.703 32008 75.3 92.5 822.2 60.8 100.9 100.1 1.30 1.50 98.6 72.6 0.703 364

12、33 83.6 102.5 922.7 60.6 100.9 100.1 1.60 1.84 107.3 79.0 0.703 40352 91.0 111.3 1023.8 60.6 100.9 100.0 2.00 2.26 117.4 86.4 0.703 45039 99.5 121.5 1124.9 60.7 100.9 100.0 2.50 2.78 128.6 94.4 0.701 50270 108.9 132.7 1226.3 60.9 100.9 100.0 3.00 3.33 137.7 101.1 0.701 54975 116.5 142.5 1328.9 61.4

13、100.9 99.9 4.31 4.71 158.9 116.7 0.701 65782 134.5 164.5 表2 空氣強化傳熱給熱系數實驗數據 序號進口溫度t1/出口溫度t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa給熱系數1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4Nu/Pr0.4標準值127.0 77.9 100.9 100.4 0.20 1.30 65.9 47.2 0.709 13624 54.1 46.7 226.8 78.1 101.0 100.4 0.30 1.96 81.3 58.2 0.709 16686 66.8 54.9 326.

14、7 77.9 101.0 100.3 0.40 2.56 93.4 66.9 0.709 19277 76.8 61.6 426.6 77.4 101.0 100.3 0.50 3.15 102.6 73.6 0.709 21567 84.4 67.4 526.7 77.0 101.0 100.3 0.60 3.86 110.6 79.4 0.709 23631 91.1 72.5 627.0 76.2 100.9 100.3 0.80 5.01 123.8 88.9 0.709 27306 102.0 81.4 727.7 75.8 100.9 100.3 1.00 6.06 135.2 9

15、7.0 0.709 30515 111.3 89.0 828.9 75.3 101.0 100.3 1.30 7.90 148.1 106.2 0.709 34649 121.9 98.5 930.0 75.4 100.9 100.2 1.50 9.01 157.5 112.8 0.709 37104 129.4 104.1 1032.0 75.9 100.9 100.2 1.60 9.59 160.7 114.7 0.709 38075 131.7 106.2 1134.0 76.2 100.9 100.1 1.70 10.10 162.5 115.6 0.709 39012 132.7 1

16、08.3 1234.0 76.4 100.9 100.2 1.76 10.42 166.5 118.5 0.709 39685 136.0 109.8 以第一表中第三組數據為例：由于本試驗溫度變化較大，所以需要用內插法分別求出各溫度下氣體的特性參數，內插過程如下：定性溫度：定壓比熱容：熱導率： 測量點表壓:測量點密度（t1處的空氣密度由純物質物理性質表查得）:測量點流量:工作點溫度 ：工作點表壓：工作點密度（t=41.8時）：工作點粘度（t=41.8時）：工作點熱導率（t=41.8時）：工作點比熱容（t=41.8時）：工作點流量：工作點氣速：其中，換熱面積A： 熱流量：對數平均溫差:給熱系數：

17、 努塞爾準數：普朗特準數： 雷諾數：七、實驗結果作圖及分析（1）從實驗結果的雙對數紙坐標曲線圖中可以看出， Nu/Pr0.4Re關系在強制對流和強化傳熱的兩次實驗中都十分符合線性關系。即說明在當流體無相變時，用量綱分析法推導出的對流傳熱準數關系式的準確性是很好的。（2）由Excel軟件趨勢線擬合可得，強制對流和強化傳熱兩種情況下傳熱的理論值符合y = 0.023x0.8（R = 1）的關系，即滿足式。在強制湍流實驗中，回歸結果為：y = 0.0093x0.8654（R=0.9983），即；在強制傳熱實驗中，回歸結果為：y = 0.0207x0.8309（R = 0.9962），即。將實驗結果用

18、冪指數形式的回歸如下：空氣強制湍流時空氣強化傳熱時均與公認的關聯式有一點偏差。（3）強制湍流實驗的實驗值低于理論值，而強化傳熱的實驗值高于理論值。實驗結果與之有一定誤差的主要原因可總結如下：1） 由于實驗設備的影響，玻璃管內有冷凝液積存于黃銅管上，增大了傳熱阻力，從而降低了傳熱系數。2） 可能是實驗過程中，改變頻率后讀數時間太短，傳熱體系還未達到穩定狀態就記數，造成了一定的操作誤差。（4）強化傳熱是通過人工干預提高熱量傳遞速度。由實驗結果看出，在相同的雷諾數下加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器時的大，說明增大加熱流體的湍動程度可以強化傳熱；其他的強化傳熱的措施還主要有：增大傳熱面積和增

19、大擾流等。（5）在實驗中排放不凝氣：理論上如果不打開放氣閥套管內的壓力應該不斷增大，最后爆炸，實際上由于套管的密封程度不是很好，會漏氣，所以壓力不會升高很多，基本可以忽略。（6）調節空氣流量時，要做到心中有數，為保證湍流狀態，孔板壓差讀數不應從0開始，最低不小于0.1kPa。實驗中要合理取點，以保證數據點均勻。八、思考題1. 本實驗中壁溫應接近蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？答：因為水蒸氣膜狀冷凝的對流給熱系數很大（5500至500），而空氣的強制對流給熱系數相對很?。?0至100）。蒸汽冷凝傳熱膜系數（蒸汽）（空氣）。壁溫接近于傳熱系數較大的一側，所以接近于蒸氣的溫度。壁溫基本為100 左右，

20、更加接近于蒸汽溫度。本實驗傳熱系數方程為：K為總的傳熱系數，是空氣的傳熱系數，是水蒸氣的傳熱系數，是銅管厚度，是銅的導熱系數，為污垢熱阻。因和金屬壁熱阻較小，可忽略不計，則，所以：可見壁溫Tw接近給熱系數較大一側的流體溫度，對于此實驗則為接近于水蒸氣的溫度。2. 如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對的關聯有無影響？說明原因。答：其變量均與壓強值無關，壓強的變化會反應在流量qv，蒸汽密度，以及進出口的溫度變化上，所以不會影響到對的關聯。故采用不通蒸汽壓做實驗時對的關聯沒有影響。3、結合實驗數據，計算空氣一側的熱阻1/1占總熱阻1/K2的百分比。答：由，忽略污垢熱阻后，熱阻計算式為。得4、設蒸汽溫度

21、恒定，換熱器入口空氣溫度不變，當空氣流量增大后，壁溫和出口溫度有什么變化？答：出口溫度降低。由傳熱膜傳熱系數的方程，可知傳熱膜系數與速度u的0.8次方成正比，因而流速增大時，變大。由傳熱平衡方程 ，可知當u1增大且維持Q恒定時，溫差隨著減小，即出口溫度降低。5、橫向比較8套設備的強制對流給熱實驗數據，發現測量得到的1比經驗值（根據計算得到）小20%左右，原因是什么？答：由課本公式可知與流體流動的速度、流體的對流狀況、流體的種類、流體的性質、傳熱面的形狀、位置和大小等性質有關。造成測量值比經驗值小20%的原因主要有下：由于實驗設備的影響，玻璃管內有冷凝液積存于黃銅管上，增大了傳熱阻力，從而降低了

22、傳熱系數?？赡苁菍嶒炦^程中，改變頻率后讀數時間太短，傳熱體系還未達到穩定狀態就記數，造成了一定的操作誤差。在熱流量Q的計算中未考慮一項，帶來了計算誤差。按新能量衡算式：重新計算1，得到如下新的實驗結果表格：表三 新能量衡算式下的強制對流實驗數據處理進口氣溫t1/出口氣溫t1/壁溫1tw,1/壁溫2tw,2/孔板壓降P孔板/kPa管路壓降P管路/kPa熱流量Q/W給熱系數1/Wm-2-1NuPrReNu/Pr0.4給熱系數標準值21.4 62.7 101.1 100.4 0.20 0.22 177.354941.9477130.855590.70203814314.1935.5459148.56

23、721.3 62.7 101.1 100.3 0.30 0.39 217.903551.5618637.92750.70203817531.2343.6928157.1186321.2 62.4 101.0 100.3 0.40 0.51 250.542459.0790343.456920.70203820243.3250.0627564.0845421.2 62.1 100.9 100.3 0.50 0.61 278.218765.424648.174580.70276822632.7255.4744870.0676121.2 61.8 100.9 100.2 0.60 0.74 302.730271.0254352.298680.70276824792.9160.223575.3684921.2 61.4 100.9 100.2 0.80 0.95 346.494680.9233559.586890.70276828628.3868.