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传热实验报告


传热膜系数的测定
摘要: 在化工领域中, 传热膜系数与传热系数对能量传递效率有非常显著的影响, 对传热膜系数及传热系数的考察,广泛应用于不同反应器的设计,在提高能量利 用效率方面上具有重要意义。本实验采用套管换热器,以 100℃的水蒸气冷凝来 加热空气, 通过测定空气进出口温度和孔板压降来计算传热膜系数,并通过加入 螺旋片进行强化传热。通过不同流量下的参数的测定,利用

origin 软件计算准数 关系式中系数 A 和指数 m,得出其准数关系式。通过两次实验对比发现,强化 传热是以增加机械能损耗为代价, 因而在工程领域需要综合考虑机械能和传热效 率,降低工程流体输送成本。 关键词:传热膜系数 传热系数 origin 准数关系式

基本理论:
对流传热的核心问题时求算传热膜系数 ? , 当流体无相变时对流传热准数关 系式的一般形式为:
Nu ? A Rem Pr n Gr p (1)

对于强制湍流而言, Gr 数可忽略,即
Nu ? A Rem Pr n (2)

在本文中,采用 origin 软件对上述准数关系式中的指数 m 、 n 和系数 A 进行 计算机求解。 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 n ? 0.4 ,这样式(2)便成为单变量方程,两边 同时去对数得: Nu lg 0.4 ? lg A ? m lg Re (3) Pr 利用 origin 软件对其作图,采用双对数坐标,利用线性函数 y ? ax ? b 对数 据进行拟合,即可很好的求解出自变量 lg Re 对 lg 果的 a 和 b 分别对应上述关系式中的 m 与 lg A 。 对于方程式的关联,首先要有 Nu 、Re、Pr 的数据组。其特征数定义式分别 为
Re ? du ? Cp?
Nu 的线性关系,最终拟合结 Pr 0.4

?

, Pr ?

?

, Nu ?

?d ?

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 Nu 的值。 牛顿冷却定律为:
Q ? ? A?tm (4)

式中 ? ——传热膜系数, W
Q ——传热量, W

℃ ?m · ?
2

A ——传热面积, A ? ? dl , m2

?tm ——管壁温度与关内流体温度的对数平均温差, ℃

传热量可由下式求得

Q ? Wc p ? t2 ? t1 ? / 3600 ? ?VS c p ? t2 ? t1 ? / 3600 (5)
式中 W ——质量流量, kg h

℃ c p ——流体的比定压热容, J ? kg· ?
t1 , t 2 ——流体进出口温度, ℃

? ——定性温度下流体密度, m3 / h
VS ——流体体积流量, m3 / h

空气的体积流量由孔板体积流量计测得,其流量 Vs 与孔板流量计压降 ?p 的 关系为:
Vs ? 26.2?p 0.54 (6)

式中 ?p ——孔板流量计压降, kPa
VS ——流体体积流量, m3 / h

空气的流速为:
u? 4Vs (7) ?d2

流体管路阻力损失为:
hf ? ?p

?

(8)

式中 h f ——流体管路阻力损失, J / kg

?p ——管路压降, pa

? ——流体密度, kg / m3

实验装置:
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, 。 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极(Pt100)和热 电偶测得。测量空气进、出口温度的铂电极应置于进、出管的中心。测量壁温用 一支铂电极和一支热电偶分别固定在管外壁两端。 孔板流量计的压差和流过换热 管的压降由两个压差传感器测得。 实验室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,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、管压降、进口温度、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

入换热管内管(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。 空气的流量通过电脑控制的流量调节阀调节。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 于排放不冷凝气体。在铜管之前应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。

操作要点:
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 检查蒸汽发生器的水位,使其保持在水罐高度的 1/2~1/3。 ③ 打开电源总开关。 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(3 分钟) ,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,再停风机,清理现场。 注意事项: 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. 切记没改变一个流量后,应等到度数稳定后再测取数据。

数据处理
原始数据: 孔板压降 kPa 3.6 3.1 2.6 2.1 1.7 1.3 1.0 0.7 0.5 0.3 管路压降 kPa 4.1 3.5 3.0 2.5 2.0 1.7 1.3 1.0 0.7 0.5 进口 t1 ?℃? 30.2 34.2 35.4 35.4 34.9 34.0 32.9 32.2 31.2 30.4 出口 t2 ?℃? 62.6 65.4 66.4 66.9 67.1 67.2 67.3 67.6 67.9 68.5

壁温 1 ℃) 壁温 2 ℃) ( ( 100.1 100.1 100.2 100.1 100.2 100.2 100.1 100.1 100.0 100.0 100.1 100.2 100.1 100.2 100.2 100.2 100.2 100.4 100.3 100.2

表 1.直管相关数据表

孔板压降 kPa
1.6 1.4 1.1 0.9 0.7 0.6 0.5

管路压降 kPa
9.6 8.2 7.1 5.9 4.8 3.8 2.9

进口 t1 ?℃?
36.2 38.7 39.7 39.7 39.1 38.2 37.1

出口 t2 ?℃?
77.5 79.0 80.0 80.0 79.9 79.9 80.0

壁温 1 ℃) 壁温 2 ℃) ( (
100.1 100.2 100.0 100.2 100.3 100.2 100.2 99.9 100.1 100.2 100.0 100.1 100.1 100.1

表 2.混合管相关数据表

数据处理: 本实验的数据处理由如下几个步骤完成: 步骤 1:文献[1]给出了各个相应温度下的干空气的物性参数,选取其中部分数据 如附录 1 所示; 1 步骤 2:利用 t ? (t1 ? t2 ) 求取各个流量下流体的平均温度 t ,并利用线性插值, 2 求得各个平均温度下的相应物性参数, 线性插值具体过程如附录 2 所示:

步骤 3:利用平均壁温和流体进出口温度 t1 , t 2 求得各流量下的 ?tm ,其过程见附
表 2 所示; 步骤 4:利用式(6) ,式(7)求得对应的流量和流速; 步骤 5:利用式(5) ,式(4)求得各流量对应下的传热膜系数 ? 步骤 6:利用 Nu 、Re、Pr 数据组的定义式,求得各流量下的 Nu 、Re、Pr 值 Nu 步骤 7:利用 origin 对 lg Re 对 lg 0.4 作图,并利用其中的拟合命令求解得到对 Pr 应的 m 与 lg A ;

步骤 8:利用式(8)对直管和混合管分别计算其在不同流速下的阻力损失。
上述步骤 1-6 中涉及到的中间数据和最终结果如下所示:
流量 密度 流速 m / s
?1

比热容

热导率

粘度

m3 / h

kg· 3 m

kJ · · ?1 kg K

mW · ?1· ?1 m K

? Pa· s
19.4 19.6 19.6 19.7 19.7 19.6 19.6 19.6 19.6 19.6

52.40 48.01 43.53 39.11 34.78 30.44 26.06 21.78 17.63 13.43

46.33 42.45 38.49 34.58 30.75 26.91 23.04 19.25 15.59 11.87

1.106 1.094 1.090 1.089 1.090 1.091 1.093 1.093 1.095 1.095

1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005

27.96 28.22 28.30 28.32 28.31 28.28 28.25 28.23 28.20 28.20

?
?tm ?℃?

?W / ? m ℃? ?
2

Pr

Nu
91.75 84.74 77.65 71.27 64.67 58.11 51.34 44.03 36.95 29.32
比热容

Re

Nu Pr 0.4

52.03 48.70 47.58 47.26 47.39 47.69 48.01 48.20 48.30 48.16
流量

128.24 119.59 109.88 100.92 91.54 82.17 72.51 62.15 52.11 41.34

0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698
密度

52757 47402 42709 38323 34110 29916 25683 21487 17428 13283
热导率

105.93 97.87 89.68 82.31 74.69 67.12 59.30 50.85 42.68 33.86
粘度

表 3.直管处理中间数据

m3 / h

流速 m / s

?1

kg· 3 m

kJ · · ?1 kg K

mW · ?1· ?1 m K

? Pa· s
19.9 20.0 20.1 20.1 20.1 20.1 20.0
Nu Pr 0.4

34.00 31.30 27.85 24.90 22.27 19.52 17.63

30.06 27.67 24.63 22.02 19.69 17.26 15.59

?

1.070 1.064 1.060 1.060 1.062 1.063 1.065 Pr 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698 0.698

1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005

28.71 28.85 28.92 28.92 28.90 28.86 28.83 Re 32269 29377 25997 23240 20825 18304 16572

?tm ?℃?
39.63 37.78 36.63 36.63 37.03 37.29 37.61

?W / ? m ℃? ?
2

Nu
93.90 87.50 79.89 71.42 64.09 57.16 52.79

134.81 126.23 115.52 103.27 92.59 82.49 76.10

108.43 101.03 92.23 82.45 73.99 65.99 60.95

表 4.混合管中间处理数据

步骤 7 中所得的图如下图 2 所示:

图 2.

Nu 与 Re 关系图 Pr 0.4

上图 origin 拟合分析结果如下表 5 所示:
Equation Adj. R-Square 直管 直管 混合管 混合管 y = a + b*x 0.9998 Intercept Slope Intercept Slope 0.9976 Value -1.88456 0.82877 -1.94859 0.88468 Standard Error 0.01757 0.00393 0.07732 0.01771

步骤 8 中结果如表 6,表 7 以及图 3 所示:
流速 m?1 / s 46.33 3681 42.45 38.49 3173 2706 34.58 2277 30.75 1872 26.91 23.04 1512 19.25 15.59 630.4 11.87 411.0

h f ( J / kg )

1171 887.2

表 6.直管阻力损失与流量关系表

流速 m?1 / s

30.06

27.67

24.63

22.02

19.69

17.26

15.59

h f ( J / kg )

8978

7708

6657

5545

4540

3603

2752

表 7.混合管阻力损失和流量关系表

图 3.直管与混合管阻力损失比较

结果与讨论:
1.从表 5 结果所示,在直管下, m ? 0.82877,lg A ? ?1.88456 在混合管下,
m ? 0.88468,lg A ? ?1.94859 经过数据转换后,直管的对流传热准数关系式分别

为:

Nu ? 0.013Re0.829 Pr 0.4
混合管的对流传热准数关系式为:
Nu ? 0.011Re0.885 Pr 0.4

2.从表 6,表 7 和图 3 可知,混合管的空气阻力损失明显比直管大。综合上 述结论可知,流体流动的传热效率的增加是以机械能的损失为代价,在工程中, 应综合考虑各项因素。在避免大的机械能损失前提下,提高流体传热效率,减少 成本。

参考文献:
[1]陈敏恒.化工原理(上册).化学工业出版社.第三版.北京:2011.6:268 [2]杨祖荣.化工原理实验.化学工业出版社.北京:2011.8:60-63 附录 1.干空气物性参数
温度 密度 比热容 热导率 粘度



kg· 3 m

kJ · · ?1 mW · ?1· ?1 kg K m K

? Pa· s
19.1 19.6 20.1

40 50 60 附录 2.

1.128 1.093 1.060

1.005 1.005 1.005

27.45 28.24 28.93

一维插值过程:
已知相邻的两组数据 ? X 1 , Y1 ? , ? X 2 , Y2 ? ,求 X 1 , X 2 之间的 x 所对应的 y 值,其具体式子
如下:

y?

( x ? X 1 ) ? Y2 ? ? X 2 ? x ? ? Y1 X 2 ? X1

?tm 求解过程:

?tm ?

t2 ? t1 ln((T ? t1 ) / ?T ? t2 ?)

式中 ?tm ——平均对数温度

℃ ℃

t1 , t 2 ——分别为冷、热流体温度
T ——壁温



1. 本实验中壁温应接近蒸汽温度还是空气温度?为什么? 答:从本实验的数据(表 1,2)可知,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:
d ? d 1 1 d 1 ? ? 2 ? R1 ? 2 ? ? 2 ? R2 ? K ?1 d1 d1 ? d m ?2

K 为总的传热系数,?1 是空气的传热系数,? 2 是水蒸气的传热系数,? 是铜 管厚度,? 是铜的导热系数,R1 , R2 为污垢热阻。 R1 , R2 和金属壁热阻较小, 因 可忽略不计,则 Tw ? tw ,所以:
T ? Tw ?1 ? Tw ? t ? 2

壁温接近于传热系数较大的一侧, 水蒸气传热系数大, 所以壁温更接近蒸汽。 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? 答:对 α 关联基本无影响。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。 3. 以空气为介质的传热实验中雷诺数 Re 应如何计算? 答:雷诺数 Re =du? /? ,流速通过孔板压降以及相应的公式求得。而管径为 常数,而空气在不同温度下的粘度和密度,需要通过查表求得几个关键温度 下的相应值,并利用内插法求得。内插法的具体过程附录 2 已给出。


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