1、北京化工大學化工原理實驗報告?zhèn)鳠崮は禂?shù)測定實驗院（部）：化學工程學院專業(yè)：化學工程與工藝班級：化工1005姓名：江海洋36同組人員：王彬劉理波方郡實驗名稱：傳熱膜系數(shù)測定實驗實驗日期：傳熱膜系數(shù)測定實驗、摘要本實驗以套管換熱器為研究對象，以冷空氣及熱蒸汽為介質(zhì)，冷空氣走黃銅管內(nèi)，即管程，熱蒸汽走環(huán)隙，即殼程，研究熱蒸汽與冷空氣之間的傳熱過程。通過測得的一系列溫度及孔板壓降數(shù)值，分別求得正常條件和加入靜態(tài)混合器后的強化條件下的對流傳熱膜系數(shù)a及Nu,做出lg(Nu/)lgRe的圖像，分析出傳熱膜系數(shù)準數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=中白AA和m值。關(guān)鍵詞：對流傳熱NuPrReaA二、實驗目的1、掌握傳熱膜系數(shù)a及

2、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(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)mn的方法；3、通過實驗提高對準數(shù)關(guān)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、實驗原理黃銅管內(nèi)走冷空氣，管外走100c的熱蒸汽，壁內(nèi)側(cè)熱阻1/a遠遠大于壁阻、垢阻及外側(cè)熱阻，因此研究傳熱的關(guān)鍵問題是測算a,當流體無相變時對流傳熱準數(shù)關(guān)系式的一般形式為：NuARemPrnGrp對于強制湍流有：NuARemPrn用圖解法對多變量方程進行關(guān)聯(lián)，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式,即取n=(流體被加熱)。在兩邊取對數(shù)，得到直線方程為,Nulg071gAmlgRePr.在雙對數(shù)坐標中作圖,求出

3、直線斜率，即為方程的指數(shù)m=在直線上任取一點函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)口廠aNuA,即APr0.4Remdu其中ReCp,Pr一,Nu實驗中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度計算對應的Pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進而求得Nu值。牛頓冷卻定律為QAtm其中a傳熱膜系數(shù)，W/(m2?C)；Q傳熱量，WA總傳熱面積，m2;Atm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QWCpt2t1/3600VCpt211/3600其中W-質(zhì)量流量，kg/h;cp冷空氣的比定壓熱容，J/(kg?C)；t1,t2冷空氣的進，出口溫度，C；其一一定性溫度下

4、流體密度，kg/m3;V冷空氣體積流量，m3/ho空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量V與孔板流量計壓降A(chǔ)p的關(guān)系為V26.2p0.54式中，Ap孔板流量計壓降，kPa;V空氣流量，m3/ho四、實驗流程圖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-不凝性氣體放空閥，9-冷凝水回流管，10-蒸汽發(fā)生器，11-補水漏斗，12-補水閥，13-排水閥1、設(shè)備說明本實驗空氣走內(nèi)管，蒸汽走管隙(玻璃管)。內(nèi)管為黃銅管，其內(nèi)徑為，有效長度為。空氣進、出口溫度和管壁溫度分別由鉗電阻(Pt100)和

5、熱電偶測得。測量空氣進、出口的鉗電阻應置于進、出管得中心。測量管壁溫度用一支鉗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(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為。風機采用XG即漩渦氣泵，最大壓力，最大流量100m3/h。2、采集系統(tǒng)說明(1)壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM532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讀取，并實驗數(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圖如下所示，冷空氣由風機輸送，經(jīng)孔板流量計計量以后，進入

6、換熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱。空氣被加熱后，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。放氣閥門用于排放不凝性氣體，在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(wěn)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、檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/32/3。2、按下總電源開關(guān)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補水閥，啟動風機，接通蒸汽發(fā)生器的發(fā)熱電源，保持放氣閥打開，調(diào)整好熱電偶位置。3、用計算機控制風機頻率為50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；再每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值

7、穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復實驗，1213次。4、將靜態(tài)混合器插入管中，并將其固定，再次調(diào)整好熱電偶溫度計，將風機頻率調(diào)回50Hz,待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復實驗，1213次。5、實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風機，清理現(xiàn)場，給蒸汽發(fā)生器灌水。六、實驗數(shù)據(jù)處理1、測定空氣普通對流傳熱膜系數(shù)（l=,d=）表一：空氣普通膜系數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)序號空氣入口溫度C空氣出口溫度C壁溫1/C壁溫2/CAP/kpaPr關(guān)聯(lián)式ReNuNu/168241341005666100789以第三組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：定性溫度t=(t1+t2)/2=(+)/

8、2=C查得此定性溫度下的物性參數(shù)為Cp=KJ?Kg-1?K-1p=Kg?m3p=+*10一5=*l0-5Pa?s入二十*10-2=?m1?K-1換熱面積A=ttdl=兀*=對數(shù)平均溫度Atm=(T1-t2)-(T2-t1)/ln(T1-t2)/(T2-t1)=C冷空氣的體積流量V=?AP=*傳熱膜系數(shù)a=pVCp(t2-t1)/3600/A/Atm=*1000*=?m2?K-1Nu=da/入=*=Pr=*10-4*=u=V*4/兀/d2/3600=*4/兀/2/3600=sRe=dpu/n=*10-5=Nu/=、測定空氣強化對流傳熱膜系數(shù)(l=,d=,加入混合器)表二：強化后膜系數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)

9、記錄序號空氣入口溫度C空氣出口溫度C壁溫1/C壁溫2/CAP/kpaPr關(guān)聯(lián)式ReNuNu/1992310089.47710077.566.610058.66.73550.57.以第三組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：定性溫度t=(t1+t2)/2=(+)/2=C查得此定性溫度下的物性參數(shù)為Cp=KJ?Kg1?K-1p=2*10-5Pa?s入二十*10-2=?m1?K-1換熱面積A=ttdl=兀*=對數(shù)平均溫度Atm=(T1-t2)-(T2-t1)/ln(T1-t2)/(T2-t1)=C冷空氣的體積流量V=?AP=*?h-1傳熱膜系數(shù)a=pVCp(t2-t1)/3600/A/Atm=*1000*=?n

10、-i?KNu=da/入=*=Pr=*10-4*=u=V*4/tt/d2/3600=*4/兀/2/3600=s-5Re=dpu/尸*2*10=Nu/=七、實驗結(jié)果做圖及分析根據(jù)表一、表二中的數(shù)據(jù)分別做出普通和強化后的Nu/與Re雙對數(shù)關(guān)系曲線如下:普通10000100000強化10001001010000100000結(jié)果分析:1 .由excel軟件線性擬合的直線見上圖，讀取直線斜率并在直線上任取一點得：(1)正常條件下空氣普通對流傳熱：A=,m=Nu=*(2)強化條件下空氣強化對流傳熱：A=,m=Nu=*2 .由上圖可知，強化條件下傳熱較正常情況下好，因為加入靜態(tài)混合器后，增大了空氣的湍動程度，

11、有利于傳熱。但加入靜態(tài)混合器是以增大能量的阻力損失為代價的，因此在強化過程傳熱的措施重要考慮到兼顧傳熱效率和能量損失，以獲得最大的效益。3 .化工原理課本上介紹的公式為Nu=*,實驗結(jié)果與之有一定誤差的主要原因:(1)蒸汽所在的玻璃管內(nèi)有冷凝液積存于黃銅管上，從而降低了傳熱系數(shù)。(2)在進行傳熱熱量計算時，為了簡化實驗計算，近似以“代替總傳熱系數(shù)K,即令Q=aAAtm。(3)改變壓降后，度數(shù)時間間隔太短，從而傳熱體系未達到穩(wěn)定狀態(tài)，造成讀數(shù)與實際情況不相符。八、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：管壁溫度應接近于蒸汽溫度。因為水蒸氣膜狀冷凝的對流給熱系數(shù)很大(5500

12、500),而空氣的強制對流給熱系數(shù)相對很小(10100),所以水蒸汽與管壁的傳熱速率遠遠大于空氣與管壁的傳熱速率，從而管壁溫度更接近于蒸汽溫度。2、管內(nèi)空氣流動速度對傳熱膜系數(shù)有何影響當空氣速度增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低為什么答：管內(nèi)空氣流動速度的改變將直接影響傳熱膜系數(shù)的大小。當空氣速度增加時，空氣離開熱交換器時的溫度將降低。因為空氣流量增加相當于單位時間內(nèi)有更多的空氣參與熱交換，而水蒸氣的冷凝量是一定的，那么相同的熱量就被更多的冷空氣分享，雖然空氣速度增大時其湍流程度增加，增強傳熱效果，但是因為空氣對留給熱系數(shù)相對而言很小，所以影響不大，故空氣離開熱交換器時，溫度降降低。3、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對a式的關(guān)聯(lián)有無影響答：有影響，對于本實驗而言，由于用膜傳熱系數(shù)a代替總傳熱系數(shù)K,不同壓強的飽和蒸汽溫度不同，當蒸汽壓強變化，對數(shù)平均溫差即平均推動力Atm變化，當總傳熱量不變時，