化工原理传热综合实验.docx
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化工原理传热综合实验
实验时间2020年5月14日
传热综合实验
（一）
成绩指导老师
一、实验目的
1.通过对简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数αi的测定方法，加深
对其概念和影响因素的理解。
2.应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARmePr0.4中常数A、m的值。
二、实验原理
（1）传热过程基本原理
传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。
由热力学第二定律可知，
凡是有温度差存在时，热量就必然发生从高温处传递到低温处，因此传热是自然
界和工程技术领域中极普遍的一种传递现象。
总传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计
算的依据。
对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流
量和温度等，然后由传热速率方程式（1-1）计算K值。
传热速率方程式是换热
器传热计算的基本关系。
在该方程式中，冷、热流体的温度差△T是传热过程的
推动力，它随传热过程冷热流体的温度变化而改变。
传热速率方程式?
?
=?
?
×?
?
×?
?
Tm（1-1）
所以对于总传热系数?
?
=?
?
?
×?
?
?
×（?
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2-T1）/（?
?
×?
?
Tm）（1-2）
式中：
Q热量（W）；
S传热面积（m2）；
△Tm冷热流体的平均温差（℃）；△?
?
?
?
=?
?
w-Tm
K总传热系数（W/（m2·℃））；
CP比热容（J/（kg·K））；
W空气质量流量（kg/s）；
△T=T2-T1冷物流温度差（℃）。
换热器的面积：
?
?
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=?
?
?
?
?
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（1-3）
式中：
di—内管管内径，m；
Li—传热管测量段的实际长度，m；
平均空气质量流量
?
?
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=
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3600
1-4）
1-5）
2×?
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1=?
0?
×?
?
0×√2×?
?
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1
体积流量?
?
1
式中：
c0孔板流量计孔流系数，c0=0.65；
A0孔的面积，m2；
d0孔板孔径，m；
?
?
?
-?
---孔板两端压差，Pa；
流速
?
?
?
?
=
?
?
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1×
273+?
?
?
?
273+?
?
1
?
?
?
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1空气入口温度（即流量计处温度）下密度，
?
?
?
?
传热管内平均体积流量，m3/h；
?
?
?
?
空气定性温度，℃；
?
?
?
?
=
?
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1+?
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2
?
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=
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?
?
?
?
?
di2
4
m/s
雷诺准数?
?
?
=?
du?
?
?
?
其中μ平均粘度，Pa·s
（1-6）
kg/m3；
（1-7）
（1-8）
1-9）
1-10）
传热准数?
?
ui=?
?
?
?
id?
i?
普朗特准数?
?
ri=?
?
?
p?
i?
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?
?
?
?
（2）换热器简介
套管式换热器：
是用管件将两种尺寸不同的标准管连接成为同心圆的套管。
套管换热器结构简单、能耐高压。
开车前首先检查管路、各种换热器、管件、仪表、流体输送设备是否完好，检查阀门、分析测量点是否灵活好用。
三、实验方法及步骤
1.实验准备：
检查实验装置处在开车前的准备状态。
2.换热器实验：
1）打开总电源开关。
2）打开普通套管热空气进口阀和普通套管冷空气进口阀。
3）打开冷热空气旁路调节阀（开到最大），启动风机。
4）利用空气旁路调节阀来调节空气的流量并在一定的流量下稳定3—5分钟
（仿真为数值不再变化）后分别测量记录空气的流量，空气进、出口的温度和
管壁温度。
5）改变不同流量测取6-8组数据。
6）实验结束后，依次关闭加热开关、风机和总电源。
表一
孔板孔径（m）
孔板流量计孔流系数C0
管长（m）
管径（mm）
0.02
0.65
0.90
20.00
表二
流量计Ⅰ压差△P（kPa）
0.33
0.18
0.47
0.86
1.5
2.33
冷物流进口温度T1℃
36.65
37.18
38.17
39.57
41.82
44.73
冷物流进口均密度ρ
t1（kg/m^3）
1.1402
1.13831
1.13477
1.12978
1.12174
1.11135
冷物流出口温度T2℃
72.99
73.01
73.06
73.12
73.21
73.34
壁面温度Tw℃
100
100
100
100
100
100
空气定性温度Tm℃
54.82
55.095
55.615
56.345
57.515
59.035
平均密度ρtm（kg/m^3）
1.07709
1.07619
1.07447
1.07206
1.0682
1.06318
平均导热系数λtm*100
（W/m·K）
2.86374
2.86566
2.8693
2.87441
2.8826
2.89324
平均比热CpJ/kg/·k
1005
1005
1005
1005
1005
1005
平均粘度μtm*100000（Pa·s）
1.9841
1.98548
1.98808
1.99173
1.99757
2.00517
冷物流温度差Δt℃
36.34
35.83
34.89
33.55
31.39
28.61
平均温度差Δtm（℃）
45.18
44.905
44.385
43.655
42.485
40.965
体积流量Vt1m^3/h
12.03192
8.89354
14.39338
19.51289
25.86232
32.38323
平均体积流量Vmm^3/h
12.73794
9.40721
15.20031
20.56011
27.15165
33.8412
平均流速um/s
11.26853
8.32202
13.44684
18.18835
24.01951
29.93737
传热速率Qw
139.176
101.2616
159.0876
206.4761
254.2234
287.4445
对流传热系数αW/m^2·℃
40.87683
29.92328
47.56191
62.76172
79.40338
93.11081
雷诺数Re
12234.53
9021.56
14534.9
19580.04
25688.8
31746.8
传热准数Nu
28.54786
20.884
33.15221
43.66921
55.09141
64.36428
Pr
0.69704
0.69698
0.69688
0.69673
0.6965
0.69619
Nu/（Pr^0.4）
32.98158
24.12823
38.30453
50.46024
63.66726
74.39659
P=0.03kPa时，
冷物流进口温度T1=36.65℃，此温度气体的密度ρT1=1.1402g/m^3
另外，冷物流出口温度T2=72.99℃壁面温度Tw=100℃
?
?
?
?
=36.65+272.99=54.82
此温度气体的平均密度ρTm=1.077kg/m^3
平均导热系数λTm*100=2.86374W/m·KλTm=2.86374×10^-2
W/m·K
平均比热容Cp=1005J/（kg·K）
平均粘度μTm*100000=1.9841Pa·sμTm=1.98×10^-5Pa·s
冷物流温度差ΔT=T2-T1=72.99-36.65=36.34℃
冷热物流间平均温度差ΔTm=Tw-Tm=100-54.82=45.18℃
体积流量
12.03?
?
3/?
对流传热系数
CpVm?
?
?
△?
?
?
?
?
=?
?
?
×?
?
?
×（?
?
2-T1）/（?
?
×?
?
Tm）=
213600πdl△Tm
1005×12.73×1.077×36.34
3600×0.90×?
?
×0.02×45.18
40.8768W/（m^2
雷诺准数?
?
?
=?
du?
?
?
?
=
0.02×11.26×1.077
≈
1.98×10^-5
3698.2
传热准数?
?
ui=?
?
?
?
id?
i?
40.88×0.02
2.86×10^-2
28.55
普朗特准数?
?
ri=
?
?
pi?
?
?
?
1005×1.98×10^-5?
?
?
?
=2.86×10^-2
0.70
（三）、绘图
）4.^0/r（PuN
80
70
60
50
40
30
20
?
?
?
?
?
?
?
?
0^.4=
28.547
0.70^0.4
32.98
Nu/（Pr^0.4）
其线性拟合
方程y=a+b*x
绘图Nu/（Pr^0.4）
权重不加权
截距5.69463±1.52298
斜率0.00221±7.47078E-
残差平方和8.31826
Pearson'sr0.99773
R平方（COD）0.99547
调整后R平0.99433
50001000015000200002500030000
35000
雷诺数Re
1.9
1.8
方程绘图
权重截距斜率残差平方和
y=a+b*x
log（Nu/（Pr^0.4））
不加权
-2.14626±0.0904
0.89498±0.02133
3.82284E-4
log（Nu/（Pr^0.4））其线性拟合
1.7
1.6
1.5
Pearson'sr
R平方（COD）
调整后R平方
0.99887
0.99773
0.99717
1.4
1.3
3.94.04.14.24.34.44.5
log（雷诺数Re）
五、实验结果与讨论
1）从图一Pr^0.4）与雷诺数Re的关系曲线的线性拟合直线可求出关联式
Nu=ARmePr0.4中常数A的值，即A=0.00221±7.47078E-5
2）lgNu/（Pr^0.4）与lgRe的关系曲线（即lgNu/（Pr^0.4）=lgA+mlgRe）的线性
拟合直线可求出关联式Nu=ARePr0.4中常数m的值，即m=0.89498±
0.02133
3）理论值m=0.8A=0.0023一定误差，可能原因有:
实验系统在修正数据小数
位时的省略，还有就是每个人都是固定一个旁路调节阀，而改变另外一个的
开度，而数据在相同开度时不一样，可见其他调节阀开度会影响实验。
实验
中并没有给出全部的密度等对比数据，（也不可能列举）所以做线性回归总是
有误差。
4）实验即使有误差，但是其值也基本接近理论值
0.0023×0.0021
0.0023
100%=8.7%
0.895-0.8
0.8
100%=11.9%
可见实验在一定的情况下能验证准数方程
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