化工原理传热膜系数测定实验报告.docx
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化工原理传热膜系数测定实验报告
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：
化工1305班
姓名：
张玮航
学号：
序号：
11
同组人：
宋雅楠、陈一帆、陈骏
设备型号：
XGB型旋涡气泵及ASCOM5320型压力传感器第4套
实验日期：
2015-12-17
一、实验摘要
首先，本实验让空气走内管，蒸汽走环隙，采用由XGB型漩涡气泵风机、ASCOM5320型压力传感器、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置，由人工智能仪来读取所有温度和压差等参数，用计算机软件实现数据的在线采集与控制。
其次，由所得数据分别求得了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，再通过作图，使用图解法确定了传热膜系数准数关系式
（n=0.4）中的系数A和指数m后，在双对数坐标纸中作出了
的关系曲线。
最后，整理出了流体在圆管内做强制湍流流动的传热膜系数准数半经验关联式，并与公认的关联式进行了比较。
关键词：
传热膜系数K、雷诺数Re、努赛尔准数Nu、普朗特数Pr、图解法
二、实验目的
1、掌握传热膜系数α及传热系数K的测定方法：
（1）测定空气在圆管内作强制湍流时的给热系数α1
（2）测定加入静态混合器后空气的强制湍流给热系数α1’
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，将实验所得结果与公认的关联式进行比较，分析影响α的因素，了解工程上强化传热的措施。
三、实验原理
间壁式传热过程可分为三个过程：
第一、由热流体对固体壁面的对流传热，第二、固体壁面的热传导，第三、固体壁面对冷流体的对流传热。
当流体无相变时的对流传热准数关系式可由量纲分析法写为：
对于强制湍流而言，
数可忽略，进行简化后：
在本文中，采用Excel软件对上述准数关系式中的指数
、
和系数
进行计算机求解。
采用双对数坐标作图，利用幂函数函数形式对数据进行拟合，即可很好的求解出自变量
对
的线性关系，直接得到其幂函数关系的解析式。
该方法中，要求对不同变量的Re和Pr分别回归。
本实验测取流体被加热过程中的各参数，因而上述式子中的
，这样式
（2）便成为单变量方程，两边同时去对数得：
首先定义三个无量纲数群：
、Re、Pr的数据组。
其特征数定义式分别为
实验中通过改变空气的流量，以改变Re值，根据定性温度（空气进出口温度的算术平均值）计算相应的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
的值。
在圆管中，有传热基本方程：
在圆管中，有传热牛顿冷却定律：
在圆管中，有筒壁传导热流量：
式中
——传热膜系数，
——传热量，
——传热面积，
，
由由热量衡算方程：
，传热量可由下式求得
式中
——质量流量，
——流体的比定压热容，
——流体进出口温度，
——定性温度下流体密度，
——流体体积流量，
四、实验流程和设备
图1传热实验带控制点的工艺流程
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、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1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。
五、实验操作
（1）实验准备
1、先熟悉计算机软件的界面使用和配电箱上各个按钮与设备的对应关系，检查蒸汽发生器中的水位，开补水阀，使其保持在4/5液位计高度；
2、按下本小组的总电源开关对应的加热、风机按钮。
检查空气出口温度计顶端位于中心偏上5mm处；
（2）空气强制对流给热实验
1、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，保持不凝气阀开1/2圈，调整好热电偶位置；
2、运行软件，修改风机频率为12Hz左右，使此时界面中的孔板压降提示为“0.20kPa”左右。
按采集画面中的绿色按钮启动风机，待仪表数值稳定后，记录数据；再每升高1.5至3Hz取一实验点，使得管路压降按实验原始数据记录表格中的顺序和大小进行实验，总计进行13次直至达到最大孔板压降（本实验中为4.31kPa）。
3、实验中，不断通过计算机软件的“记录数据”及“实验结果”进行实验数据的初步处理，由电脑所绘制的拟合曲线来检验实验结果是否符合线性关系，如偏差较小，可认为实验较为成功；
（3）空气强化传热给热实验
1、先通过电脑停风机，再将出口温度计向上拔约3cm，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，将软件界面调整为新的操作环境。
将风机频率调回12Hz左右，使此时界面中的孔板压降提示为“0.20kPa”左右。
待仪表数值稳定后，记录数据；再每升高1.5至3Hz取一实验点，使得管路压降按实验原始数据记录表格中的顺序和大小进行实验，总计进行12次直至达到最大孔板压降（本实验中为1.76kPa）；
2、实验中，不断通过计算机软件的“记录数据”及“实验结果”进行实验数据的初步处理，由电脑所绘制的拟合曲线来检验实验结果是否符合线性关系，如偏差较小，可认为实验较为成功；
（4）实验结束
实验结束后，按采集画面的红色按钮停风机，停蒸汽发生器电源。
然后向上拔出口温度计，再旋转取出混合器放好，并将空气出口温度计放回原位。
清理现场，向蒸汽发生器内补水。
六、实验数据表格及计算举例
表1空气强制湍流给热系数实验数据
序号
进口温度
t1/℃
出口温度
t1/℃
壁温1
tw,1/℃
壁温2
tw,2/℃
孔板压降
ΔP孔板/kPa
管路压降
ΔP管路/kPa
给热系数
α1/W?
m-2?
℃-1
Nu
Pr
Re
Nu/Pr0.4
Nu/Pr0.4
标准值
1
21.4
62.7
101.1
100.4
0.20
0.22
41.9
30.8
0.702
14314
35.5
48.6
2
21.3
62.7
101.1
100.3
0.30
0.39
51.5
37.9
0.702
17531
43.6
57.1
3
21.2
62.4
101.0
100.3
0.40
0.51
58.9
43.4
0.702
20243
49.9
64.1
4
21.2
62.1
100.9
100.3
0.50
0.61
65.2
48.0
0.703
22633
55.3
70.1
5
21.2
61.8
100.9
100.2
0.60
0.74
70.8
52.1
0.703
24793
60.0
75.4
6
21.2
61.4
100.9
100.2
0.80
0.95
80.5
59.3
0.703
28628
68.3
84.6
7
21.4
61.1
100.9
100.1
1.00
1.17
88.9
65.4
0.703
32008
75.3
92.5
8
22.2
60.8
100.9
100.1
1.30
1.50
98.6
72.6
0.703
36433
83.6
102.5
9
22.7
60.6
100.9
100.1
1.60
1.84
107.3
79.0
0.703
40352
91.0
111.3
10
23.8
60.6
100.9
100.0
2.00
2.26
117.4
86.4
0.703
45039
99.5
121.5
11
24.9
60.7
100.9
100.0
2.50
2.78
128.6
94.4
0.701
50270
108.9
132.7
12
26.3
60.9
100.9
100.0
3.00
3.33
137.7
101.1
0.701
54975
116.5
142.5
13
28.9
61.4
100.9
99.9
4.31
4.71
158.9
116.7
0.701
65782
134.5
164.5
表2空气强化传热给热系数实验数据
序号
进口温度
t1/℃
出口温度
t1/℃
壁温1
tw,1/℃
壁温2
tw,2/℃
孔板压降
ΔP孔板/kPa
管路压降
ΔP管路/kPa
给热系数
α1'/W?
m-2?
℃-1
Nu
Pr
Re
Nu/Pr0.4
Nu/Pr0.4
标准值
1
27.0
77.9
100.9
100.4
0.20
1.30
65.9
47.2
0.709
13624
54.1
46.7
2
26.8
78.1
101.0
100.4
0.30
1.96
81.3
58.2
0.709
16686
66.8
54.9
3
26.7
77.9
101.0
100.3
0.40
2.56
93.4
66.9
0.709
19277
76.8
61.6
4
26.6
77.4
101.0
100.3
0.50
3.15
102.6
73.6
0.709
21567
84.4
67.4
5
26.7
77.0
101.0
100.3
0.60
3.86
110.6
79.4
0.709
23631
91.1
72.5
6
27.0
76.2
100.9
100.3
0.80
5.01
123.8
88.9
0.709
27306
102.0
81.4
7
27.7
75.8
100.9
100.3
1.00
6.06
135.2
97.0
0.709
30515
111.3
89.0
8
28.9
75.3
101.0
100.3
1.30
7.90
148.1
106.2
0.709
34649
121.9
98.5
9
30.0
75.4
100.9
100.2
1.50
9.01
157.5
112.8
0.709
37104
129.4
104.1
10
32.0
75.9
100.9
100.2
1.60
9.59
160.7
114.7
0.709
38075
131.7
106.2
11
34.0
76.2
100.9
100.1
1.70
10.10
162.5
115.6
0.709
39012
132.7
108.3
12
34.0
76.4
100.9
100.2
1.76
10.42
166.5
118.5
0.709
39685
136.0
109.8
以第一表中第三组数据为例：
由于本试验温度变化较大，所以需要用内插法分别求出各温度下气体的特性参数，内插过程如下：
定性温度：
定压比热容：
热导率：
测量点表压:
测量点密度（t1处的空气密度由纯物质物理性质表查得）:
测量点流量:
工作点温度：
工作点表压：
工作点密度（t=41.8℃时）：
工作点粘度（t=41.8℃时）：
工作点热导率（t=41.8℃时）：
工作点比热容（t=41.8℃时）：
工作点流量：
工作点气速：
其中，换热面积A：
热流量：
对数平均温差:
给热系数：
努塞尔准数：
普朗特准数：
雷诺数：
七、实验结果作图及分析
（1）从实验结果的双对数纸坐标曲线图中可以看出，Nu/Pr0.4～Re关系在强制对流和强化传热的两次实验中都十分符合线性关系。
即说明在当流体无相变时，用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式的准确性是很好的。
（2）由Excel软件趋势线拟合可得，强制对流和强化传热两种情况下传热的理论值符合y=0.023x0.8（R2=1）的关系，即满足式
。
在强制湍流实验中，回归结果为：
y=0.0093x0.8654（R2=0.9983），即
；在强制传热实验中，回归结果为：
y=0.0207x0.8309（R2=0.9962），即
。
将实验结果用幂指数形式的回归如下：
空气强制湍流时
空气强化传热时
均与公认的关联式
有一点偏差。
（3）强制湍流实验的实验值低于理论值，而强化传热的实验值高于理论值。
实验结果与之有一定误差的主要原因可总结如下：
1）由于实验设备的影响，玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，增大了传热阻力，从而降低了传热系数。
2）可能是实验过程中，改变频率后读数时间太短，传热体系还未达到稳定状态就记数，造成了一定的操作误差。
（4）强化传热是通过人工干预提高热量传递速度。
由实验结果看出，在相同的雷诺数下加混合器后的Nu/Pr0.4值比未加混合器时的大，说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热；其他的强化传热的措施还主要有：
增大传热面积和增大扰流等。
（5）在实验中排放不凝气：
理论上如果不打开放气阀套管内的压力应该不断增大，最后爆炸，实际上由于套管的密封程度不是很好，会漏气，所以压力不会升高很多，基本可以忽略。
（6）调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板压差读数不应从0开始，最低不小于0.1kPa。
实验中要合理取点，以保证数据点均匀。
八、思考题
1.本实验中壁温应接近蒸汽温度还是空气温度？
为什么？
答：
因为水蒸气膜状冷凝的对流给热系数很大（5500至500），而空气的强制对流给热系数相对很小（10至100）。
蒸汽冷凝传热膜系数α（蒸汽）>>α（空气）。
壁温接近于传热系数较大的一侧，所以接近于蒸气的温度。
壁温基本为100℃左右，更加接近于蒸汽温度。
本实验传热系数方程为：
K为总的传热系数，
是空气的传热系数，
是水蒸气的传热系数，
是铜管厚度，
是铜的导热系数，
为污垢热阻。
因
和金属壁热阻较小，可忽略不计，则
，所以：
可见壁温Tw接近给热系数较大一侧的流体温度，对于此实验则为接近于水蒸气的温度。
2.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联有无影响？
说明原因。
答：
其变量均与压强值无关，压强的变化会反应在流量qv，蒸汽密度，以及进出口的温度变化上，所以不会影响到对α的关联。
故采用不通蒸汽压做实验时对α的关联没有影响。
3、结合实验数据，计算空气一侧的热阻1/α1占总热阻1/K2的百分比。
答：
由
，忽略污垢热阻后，热阻计算式为
。
得
4、设蒸汽温度恒定，换热器入口空气温度不变，当空气流量增大后，壁温和出口温度有什么变化？
答：
出口温度降低。
由传热膜传热系数的方程
，可知传热膜系数α与速度u的0.8次方成正比，因而流速增大时，α变大。
由传热平衡方程，可知当u1增大且维持Q恒定时，温差随着减小，即出口温度降低。
5、横向比较8套设备的强制对流给热实验数据，发现测量得到的α1比经验值（根据
计算得到）小20%左右，原因是什么？
答：
由课本公式
可知α与流体流动的速度、流体的对流状况、流体的种类、流体的性质、传热面的形状、位置和大小等性质有关。
造成测量值比经验值小20%的原因主要有下：
由于实验设备的影响，玻璃管内有冷凝液积存于黄铜管上，增大了传热阻力，从而降低了传热系数。
可能是实验过程中，改变频率后读数时间太短，传热体系还未达到稳定状态就记数，造成了一定的操作误差。
在热流量Q的计算中未考虑
一项，带来了计算误差。
按新能量衡算式：
重新计算α1，得到如下新的实验结果表格：
表三新能量衡算式下的强制对流实验数据处理
进口气温
t1/℃
出口气温
t1/℃
壁温1
tw,1/℃
壁温2
tw,2/℃
孔板压降
ΔP孔板/kPa
管路压降
ΔP管路/kPa
热流量
Q/W
给热系数
α1/W?
m-2?
℃-1
Nu
Pr
Re
Nu/Pr0.4
给热系数
标准值
21.4
62.7
101.1
100.4
0.20
0.22
177.3549
41.94771
30.85559
0.702038
14314.19
35.54591
48.567
21.3
62.7
101.1
100.3
0.30
0.39
217.9035
51.56186
37.9275
0.702038
17531.23
43.69281
57.11863
21.2
62.4
101.0
100.3
0.40
0.51
250.5424
59.07903
43.45692
0.702038
20243.32
50.06275
64.08454
21.2
62.1
100.9
100.3
0.50
0.61
278.2187
65.4246
48.17458
0.702768
22632.72
55.47448
70.06761
21.2
61.8
100.9
100.2
0.60
0.74
302.7302
71.02543
52.29868
0.702768
24792.91
60.2235
75.36849
21.2
61.4
100.9
100.2
0.80
0.95
346.4946
80.92335
59.58689
0.702768
28628.38
68.61609
84.56006
21.4
61.1
100.9
100.1
1.00
1.17
383.0179
89.37628
65.8111
0.702768
32007.51
75.78345
92.45477
22.2
60.8
100.9
100.1
1.30
1.50
424.5308
99.28725
73.10892
0.702768
36433.35
84.18711
102.548
22.7
60.6
100.9
100.1
1.60
1.84
462.2816
108.2569
79.71363
0.702768
40351.58
91.79264
111.2798
23.8
60.6
100.9
100.0
2.00
2.26
502.1178
118.649
87.36572
0.702768
45038.74
100.6043
121.5058
24.9
60.7
100.9
100.0
2.50
2.78
546.8438
130.3998
95.74464
0.700765
50270.07
110.3788
132.6708
26.3
60.9
100.9
100.0
3.00
3.33
579.7987
140.0079
102.7993
0.700765
54975.08
118.5117
142.515
28.9
61.4
100.9
99.9
4.31
4.71
657.3902
163.0111
119.6892
0.700765
65782.02
137.9831
164.5181
用Excel软件进行回归处理，得到如下曲线图：
其回归结果为y=0.0081x0.8793（R2=0.9988）。
可看出，在修正Q值后的强制对流时Nu/Pr0.4与Re关系曲线如下所示：
由图形可看出，经修正后的α1与经验值之比的百分数比修正前要更大些，这说明由修正后的Q计算所得的α1更接近于经验值。
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