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：化实1101
学号：2011011499
姓名：张旸
同组人：黄凤磊、陈文汉、杨波
实验日期：2013.11.29
一、 报告摘要
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。
二、 实验目的及任务
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。
三、 实验原理
对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时的对流传热准数关系式的一般形式为：
p
n m Gr A Nu Pr Re ⋅⋅= 对于强制湍流有： n
m A Nu Pr Re =
用图解法对多变量方程进行关联，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）。
在两边取对数，得到直线方程为
Re lg lg Pr lg
4.0m A Nu
+=
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
m Nu
A Re Pr 4.0=
其中
λαλ
μ
μ
ρ
d
Nu Cp du =
=
=
,Pr ,Re
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 值。
牛顿冷却定律为
m
t A Q ∆⋅⋅=α
其中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
()()3600
/3600/1212t t C V t t C W Q p p -⋅⋅=-⋅=ρ
其中W ——质量流量，kg/h ；
cp ——冷空气的比定压热容，J/（kg •℃）； t1,t2——冷空气的进，出口温度，℃； ρ——定性温度下流体密度，kg/m3； V ——冷空气体积流量，m3/h 。
空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量V 与孔板流量计压降Δp 的关系为
54.02.26p V ∆=
式中，Δp ——孔板流量计压降，kPa ； V ——空气流量，m3/h 。
四、 实验流程
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。
五、实验操作
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。
六、实验数据处理
1直管传热
以第一组数据为例，计算过程如下
定性温度t=（t1+t2）/ 2=（27.9+65.1）/ 2=46.5℃
可计算得到此定性温度下的物性参数为：
Cp=1.005 KJ•Kg-1•K-1
ρ=-0.0034*46.5 +1.2757=1.118Kg•m-3
μ=(1.71+0.005*46.5)*10-5 =1.942*10-5Pa•s
λ=(2.4513+0.0074*46.5)*10-2 =0.02794W•m-1• K-
A=3.14*d*l=3.14*0.02*1.25=0.079m2
Δtm=[(T1-t2)-(T2-t1)]/ln[(T1-t2)/(T2-t1)]
=[(99.9-27.9)-(100.1-65.1)]/ln[(99.9-27.9)/( 100.1-65.1)]=51.29
V=26.2*ΔP^0.54=26.2*0.32^0.54=14.16m3.h-1
α=ρVCp(t2-t1)/3600AΔtm
=1.118*14.16*1.005*1000*(65.1-27.9) /3600/0.0785/51.29 =40.82
Nu=dα/λ=0.02*40.82*1000/27.94=29.22
u=V/3600/3.14*4/d2=14.16/3600/3.14*4/0.02^2=12.53m/s Pr=μCp/λ=1.005*19.42/27.94=0.698
Re=duρ/μ=0.02*12.53*1.118/19.42*10^6=1.44E4
Nu/Pr^0.4=29.22/0.698^0.4=33.73
2、加入静态混合器
计算方法与上相同
合并作图：4.0
Pr
/
Nu~Re关系图
其中，上线为直管换热，下线为加入静态混合器后
七、实验结果分析
由公式
Re
lg
lg
Pr
lg
4.0
m
A
Nu
+
=
可知，分别对4.0
Pr
/
Nu和Re取对数，并作图所作出
的直线的斜率即为m；截距即为lgA.。
由图可知：加入前m=0.7933,lgA=-1.7636,进而得出A=0.1714，加入静态混合器后m=0.8022，lgA=-1.6302，进而得出A=0.1959。
由此可知:
加入前为α=0.1714*Re0.79Pr0.4,
加入后为α=0.1959*Re0.80Pr0.4
八、误差分析
1、正常拟合结果应为α=0.023Re0.8Pr0.4即关于m的拟合比较精确，但是A的拟合变差较大。
其主要原因是由于取对数坐标，即在lgA的拟合上比较精准，但是取对数之后，变得点差略大。
2、关于m的拟合与0.8略有差别，其主要原因可能是因为
（1）蒸汽所在的玻璃管内有冷凝液积存于管上，从而降低了传热系数。
（2）在进行传热热量计算时，为了简化实验计算，近似以α代替总传热系数K，即令Q=αAΔtm。
（3）改变压降后，度数时间间隔太短，从而传热体系未达到稳定状态，造成读数与实际情况不相符。
3、有对比可知，加入静态混合器后更加接近真实数据，即加强传热是以损失阻力为代价
九、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。
因为水蒸气膜状冷凝的对流给热系数远大于空气的强制对流给热系数，所以水蒸汽与管壁的传热速率远远大于空气与管壁的传热速率，从而管壁温度更接近于蒸汽温度。
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：无影响，因为采用量纲分析的方法，即压强的变化可以反映在其他数据上，从而对α关联无影响。
5以空气为介质的传热实验中雷诺数Re应如何计算？
答：由Re=duρ/μ可知，其中d容易测得，ρ、μ可根据定性温度手册或使用内插法计算，u可由孔板流量计测得。