传热膜系数测定实验报告北京化工大学化工原理实验.docx
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传热膜系数测定实验报告北京化工大学化工原理实验
传热膜系数测定实验报告北京化工大学化工原理实验
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传热膜系数测定
摘要:
选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、分别对普通管换热器和强化管换热器进行了强制对流传热实验研究。
确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。
此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。
本实验采用由风机、孔板流量计、蒸汽发生器等组成的自动化程度较高的装置,让空气走内管,蒸汽走环隙,用计算机在线采集与控制系统测量了孔板压降、进出口温度和两个壁温,计算了传热膜系数α,并通过作图确定了传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m(n取0.4),得到了半经验关联式。
实验还通过在内管中加入混合器的办法强化了传热,并重新测定了α、A和m。
一、实验目的
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膜系数,当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为:
(1)
对于强制湍流而言,Gr准数可以忽略,故
(2)
本实验中,可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n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(流体被加热)。
这样,上式即变为单变量方程,在两边取对数,即得到直线方程:
(3)
在双对数坐标中作图,找出直线斜率,即为方程的指数m。
在直线上任取一点的函数值代入方程中,则可得到系数A,即:
(4)
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。
应用微机,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。
其准数定义式分别为:
,
实验中改变空气的流量以改变Re准数的值。
根据定性温度(空气进、出口温度的算术平均值)计算对应的Pr准数值。
同时,由牛顿冷却定律,求出不同流速下的传热膜系数α值进而算得Nu准数值。
牛顿冷却定律:
(5)
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:
(6)
式中:
W——质量流量,[kg/h];
Cp——流体定压比热,[J/(kg·℃)];
t1、t2——流体进、出口温度[℃];
ρ——定性温度下流体密度,[kg/m3];
V——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
(7)
式中Δp——孔板流量计压降,kPa;
Vs——空气流量,m3/h。
3、装置说明
1、设备说明
本实验空气走内管,蒸汽走环隙(玻璃管)。
内管为黄铜管,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。
测量空气进出口温度的铂电阻应置于进出管的中心。
测得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。
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直接读取,并实现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
本实验装置流程如图1所示,冷空气由风机输送,经孔板流量计计量后,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,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、操作流程
1、实验开始前,先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系,以便正确开启按钮。
2、检查蒸汽发生器中的水位,使其保持在水罐高度的1/2~2/3。
3、打开总电源开关(红色按钮熄灭,绿色按钮亮,以下同)。
4、实验开始时,关闭蒸汽发生器补水阀,启动风机,并接通蒸汽发生器的加热电源,打开放气阀。
5、将空气流量控制在某一值。
待仪表数值稳定后,记录数据,改变空气流量(8~10次),重复实验,记录数据。
6、实验结束后,先停蒸汽发生器电源,再停风机,清理现场。
注意:
a、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。
b、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。
c、切记每改变一个流量后,应等到读数稳定后再测取数据。
五、实验数据处理
本实验内管内径为0.020m,有效长度为1.25m。
原始数据:
序号
空气进口温度
空气出口温度
进口壁温T1(
)
出口壁温T2(
)
孔板压降
Δp(
)
1
30.20
59.60
100.10
99.80
3.81
2
31.10
60.50
100.10
99.90
3.43
3
31.90
61.80
100.30
100.30
3.03
4
32.30
62.60
100.50
100.40
2.69
5
32.40
63.40
100.40
100.40
2.22
6
32.50
64.00
100.40
100.50
1.89
7
32.40
64.60
100.40
100.50
1.47
8
32.00
65.40
100.40
100.60
1.05
9
31.60
66.30
100.40
100.70
0.67
10
31.00
66.80
100.40
100.90
0.20
表1.传热膜系数实验原始数据
序号
定性温度
t(℃)
密度ρ(kg/m3)
黏度μ
(μPa·s)
比定压热容Cp(J·kg-1·K-1)
导热系数λ(W·m·K-1)
体积流量qv(m3·h-1)
质量流量qm(kg·h-1)
1
44.90
1.1583
19.3889
1005
0.0279
53.95
62.49
2
45.80
1.1624
19.3842
1005
0.0279
50.98
59.25
3
46.85
1.1594
19.4336
1005
0.0280
47.67
55.27
4
47.45
1.1579
19.4619
1005
0.0280
44.71
51.77
5
47.90
1.1575
19.4830
1005
0.0281
40.30
46.65
6
48.25
1.1571
19.4995
1005
0.0281
36.95
42.75
7
48.50
1.1575
19.5113
1005
0.0281
32.26
37.34
8
48.70
1.1590
19.5207
1005
0.0281
26.90
31.18
9
48.95
1.1605
19.5325
1005
0.0282
21.10
24.49
10
49.90
1.1628
19.5772
1005
0.0282
10.99
12.77
表2.传热膜系数试验参数
以第8组数据为例,计算如下:
空气定性温度t=(t1+t2)/2=(35+65.4)/2=48.70℃
密度ρ=8.845×10-6×t12-4.326×10-3×t1+1.2884=8.845×10-6×322-4.326×10-3×32+1.2884=1.1590kg/m3
黏度μ=(0.047078×t+17.228)×10-6=(0.047078×48.70+17.228)×10-6=1.95207×10-5=19.5207μPa·s
比定压热容Cp=1005J·kg-1·K-1
导热系数=7.6818×10-5×t+0.024395=7.6818×10-5×48.70+0.024395=0.0281W·m·K-1
体积流量qv=26.2Δp0.54=26.2×1.050.54=26.90 m3·h-1
质量流量qm=qv×ρ=26.90×1.159031.18=31.18kg·h-1
序号
对数平均温差Δtm(℃)
传热量Q/W
传热膜系数α(w·m-2·℃-1)
雷诺准数Re
普朗特准数Pr
努赛尔准数Nu
1
53.03
478.0
114.8
57024
0.6979
82.3
95.0
2
52.95
486.3
117.0
54084
0.6979
83.8
96.8
3
52.03
461.4
113.0
50322
0.6977
80.7
93.2
4
51.58
437.9
108.2
47060
0.6975
77.1
89.1
5
50.94
403.7
101.0
42365
0.6974
71.9
83.1
6
50.52
376.0
94.8
38793
0.6974
67.5
77.9
7
50.19
335.7
85.2
33861
0.6973
60.6
70.0
8
49.85
290.7
74.3
28258
0.6973
52.8
61.0
9
49.44
237.3
61.1
22186
0.6972
43.4
50.2
10
48.05
134.8
35.7
11545
0.6970
25.3
29.3
表3.准数处理表
以第8组数据为例计算:
对数平均温差Δtm=
=
℃
传热量Q=qmCp(t2-t1)/3600=31.18×1005×(65.40-32.00)/3600=290.7W
传热膜系数α=Q/(A·Δtm) A=πdl=3.14×0.02×1.25=0.0785
=290.7/(0.0785×49.85)=74.3w·m-2·℃-1
雷诺准数Re=
=
=28260
普朗特准数Pr=
=
=0.6982
努赛尔准数Nu=
=
=52.9
=
=61.1
图2.
~Re关系曲线
六、结果讨论:
(1)从图中可以看出,不管传热是否被强化,Nu/Pr0.4~Re关系曲线的线性都非常好,说明当流体无相变时,用量纲分析法推导出的对流传热准数关系式Nu=ARemPrn(在强制对流即忽略Gr影响时)的准确性是很好的。
(2)从图中可以看出,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,因为Pr和热导率λ在实验条件下变化很小,由Nu=αd/λ知,加混合器强化传热后,传热膜系数α变大。
说明增大加热流体的湍动程度可以强化传热。
(3)实验中加入混合器后,空气的出口温度明显变高,但孔板压降则迅速降低,说明实验中,传热效果的提高是以增大流动阻力为代价的。
由
及
可知,直线斜率即为雷诺数Re的指数,而截距即为lgA,m=0.7733,A=0.0217,经对数处理得α=0.0217
Re0.7733Pr0.4,与公认的关联式
有一点偏差。
七、误差分析
系统误差,人为操作所造成的误差,在数据处理过程中有效值得取舍带来的误差等等。
八、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:
壁温接近于蒸气的温度。
可推出此次实验中总的传热系数方程为
其中K是总的传热系数,α1是空气的传热系数,α2是水蒸气的传热系数,δ是铜管的厚度,λ是铜的导热系数,R1、R2为污垢热阻。
因R1、R2和金属壁的热阻较小,可忽略不计,则Tw≈tw,于是可推导出
显然,壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度,对于此实验,可知壁温接近于水蒸气的温度。
2、管内空气流速对传热膜系数有何影响?
当空气流速增大时,空气离开热交换器时的温度将升高还是降低?
为什么?
答:
传热膜系数将变大,但空气离开热交换器时的温度将降低。
由传热膜传热系数的方程易知:
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
知流速增大,即
增大后,
减小,及空气离开热交换器时的温度降低。
3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验,对α的关联有无影响?
答:
没有影响。
因为本实验采用的是量纲分析法,蒸气的压强变化会同时反应在雷诺数Re、流量qv、传热膜系数α、努塞尔准数Nu等数据上,可以得到不同Re值下的Nu/Pr0.4值,所以仍然可以进行关联。
4、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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- 传热 系数 测定 实验 报告 北京 化工大学 化工 原理