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传热膜系数测定实验
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称：
传热膜系数测定实验
班级：
学号：
姓名：
同组人：
实验日期：
2015-12-14
摘要
本实验以套管换热器为研究对象，以冷空气及热蒸汽为介质，冷空气走黄
铜管内，即管程，热蒸汽走环隙，即壳程，研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程。
通过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。
关键词：
对流传热NuPrReαA
一、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。
二、基本原理
对流传热的核心问题是求算传热系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为
对于强制湍流而言，Gr数可忽略，即
本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数m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。
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
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。
应用计算机辅助手段，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。
其特征数定义式分别为
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的值。
牛顿冷却定律为
式中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
式中，W——质量流量，kg/h；
cp——流体的比定压热容，J/（kg·℃）；
t1,t2——流体进，出口温度，℃；
ρ——定性温度下流体密度，kg/m3；
Vs——流体体积流量，m3/h。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量Vs与孔板流量计压降Δp的关系为
式中，Δp——孔板流量计压降，kPa；
Vs——空气流量，m3/h。
三、装置和流程
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。
四、操作要点
图1.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
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
注意事项：
1.实验前，务必使蒸汽发生器液位合适，液位过高，则水会溢入蒸汽套管；过低，则可能烧毁加热器。
2.调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读书从大流量时开始，最低不小于0.2kpa。
实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
3.切记每改变一个流量后，应等到读数稳定后（约3分钟）再测取数据。
4.结束时先停加热电源，再停风机。
五、数据处理：
原始数据
序号
空气入口
空气出口
壁温tw
壁温Tw
孔板压降
t1/℃
t2/℃
/℃
/℃
Δp/kPa
1
31.3
61.1
100.9
99.8
3.76
2
32.7
62.7
101
99.8
3.17
3
33.1
63.6
101
99.8
2.73
4
33.2
64
101.1
99.9
2.24
5
33
64.4
100.9
99.9
1.89
6
32.7
64.9
101
99.9
1.57
7
32.2
65.5
101
100
1.09
8
31.7
65.9
101.1
100
0.85
9
31.4
66.4
101
100.1
0.64
10
30.8
67.7
101.1
100.1
0.35
11
30.3
68.7
101
100.2
0.2
12
35.7
63.9
100.9
99.8
4.22
首先求得空气平均温度，然后查空气平均温度下空气的物性数据表可得下表：
序号
空气平均温度
密度ρ
粘度μ
热导率λ
比定压热容
t1/℃
kg/m3
μPa·s
W•（m•K）-1
Cp/J•（kg•K）-1
1
46.2
1.26226
1.941
0.027955
1005
2
47.7
1.26196
1.9485
0.028067
1005
3
48.35
1.26183
1.95175
0.028115
1005
4
48.6
1.26178
1.953
0.028134
1005
5
48.7
1.26176
1.9535
0.028141
1005
6
48.8
1.26174
1.954
0.028149
1005
7
48.9
1.26172
1.9545
0.028156
1005
8
48.8
1.26174
1.954
0.028149
1005
9
48.9
1.26172
1.9545
0.028156
1005
10
49.25
1.26165
1.95625
0.028182
1005
11
49.5
1.2616
1.9575
0.028201
1005
12
49.45
1.26161
1.95725
0.028197
1005
经数据处理可得下表：
序号
对数平均温度
空气流量
传热量
α
Nu
Pr
Re
Nu/Pr^0.4
Δtm/℃
Vs/（m3/h）
Q/W
1
50.77
53.5677
562.5
141.13
101
0.6978
61634
116.602
2
49.16
48.851
516.3
133.8
95.34
0.69771
55978
110.108
3
48.49
45.0639
484.2
127.19
90.48
0.69767
51547
104.493
4
48.33
40.4982
439.4
115.81
82.33
0.69766
46293
95.0829
5
48.42
36.948
408.7
107.52
76.41
0.69765
42223
88.2484
6
48.16
33.4262
379.1
100.27
71.25
0.69764
38188
82.2834
7
48.24
27.4481
321.9
85.01
60.39
0.69764
31350
69.7393
8
48.13
23.9987
289.1
76.519
54.37
0.69764
27418
62.7899
9
48.26
20.5892
253.8
67.003
47.59
0.69764
23516
54.9667
10
47.64
14.8627
193.2
51.655
36.66
0.69762
16959
42.3375
11
47.5
10.9865
148.6
39.85
28.26
0.6976
12528
32.6405
12
47.26
57.0125
566.2
152.64
108.3
0.6976
65020
125.039
以第一组数据为例，
管壁温度与管内流体温度的对数平均温差：
℃
体积流量：
=
传热膜系数：
雷诺数：
普朗特准数：
努塞尔准数：
Nu/Pr0.4：
由以上数据可作出Nu/Pr^0.4与Re关系图，如下：
※实验结果讨论※
（1）从图中可以看出，当流体无相变时，流体在圆管内作强制湍流流动的传热膜系数是半经验关联式Nu=ARemPr0.4（在强制对流即忽略Pr影响时）的准确性是很好的。
（2）.圆形直管内强制湍流的公认关联式为
，光滑管实验所得半经验公式的A偏小，m也偏小，可能原因为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；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。
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：
管壁温度应接近于蒸汽温度。
因为水蒸气对流给热系数α（5500～500）远大于空气对流给热系数α（10～100），所以水蒸汽与管壁的传热速率空气与管壁间的传热速率大得多，因此管壁温度更接近于蒸汽温度。
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：
（1）管内空气流动速度将会对传热膜系数造成改变。
（2）当空气速度增加时，空气离开热交换器时的温度（出口温度t2）将降低。
（3）因为空气流量增加会有更多的空气参与热交换，而水蒸气的冷凝量是
一定的，那么相同的热量就被更多的冷空气分享，虽然空气速度增大时其湍流程度增加，增强传热效果，但是因为空气对留给热系数相对而言很小，所以影响不大，故空气离开热交换器时，温度降降低。
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：
肯定有影响。
不同压强的饱和蒸汽温度不同，,由于本实验总传热系数K用膜传热系数α做近似，当蒸汽压强变化，T1T2t1t2都会发生相应改变，从而导致对数平均温差即平均推动力Δtm发生变化。
当总传热量不变时，K必然发生变化，即α变化，则α的关联式变化。
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=10000W/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：
K=1/100+1/10000=101/10000，空气一侧热阻占总热阻的百分数为（1/100）/（1/01/10000）=99%
6、本实验可采取哪些措施强化传热？
答：
本实验可从以下三个方面来强化传热：
（1）增加总传热系数K
a.增大流速减小管径；
b.内管加填充物；
c.增加内管的粗糙度；
d.防止空气等非冷凝气体随水蒸气一起进入外管；
e.防止有垢层产生（在此实验中影响较小）；
（2）增加传热推动力Δtm
a.增大外管压强，提高水蒸气温度（效果不大）；
（3）增加传热面积A
a.内管采用波纹管；
b.内管加翅片（同时，总传热系数K也增大）。
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