北 京 化 工 大 学

实   验   报   告

                                                                                          

传热膜系数测定实验

班级：化工1001班      姓名：李泽洲       学号：2010011015

同组人：杨政鸿、陈双全

一、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、蒸汽发生器等装置，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。

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；

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 ，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：

            

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

                                   

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：

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：

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：

                                        

式中：

    α——传热膜系数，[W/(m²·℃)]；

    Q——传热量，[W]；

    A——总传热面积[m²²]。

   Δt_m——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：

         

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/m³³]；

V——流体体积流量，[m³³/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

式中  Δp——孔板流量计压降，kpa；

Vs——空气流量，m³/h。

四、实验装置

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

本实验装置流程如下图所示，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。

图1 套管式换热实验装置和流程

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、不凝气体放空阀； 9、冷凝水回流管； 10、蒸气发生器； 11、补水漏斗； 12、补水阀； 13、排水阀

五、实验操作

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。

六、实验数据记录及处理

本实验内管内径为0.020m，有效长度为1.25m。

（一）直管传热

原始数据

首先求得空气平均温度，然后查空气平均温度下空气的物性数据表可得下表：

经数据处理可得下表：

以第一组数据为例，计算如下：

空气平均温度 ℃

对数平均温度℃

空气流量   

传热量       

传热膜系数  w/(m²·℃)

努塞尔准数 

普朗特准数 

雷诺数     

（二）加混合器

原始数据：

用相同的方法可查得物性：

经数据处理可得下表：

以第一组数据为例，计算如下：

空气平均温度 ℃

对数平均温度℃

空气流量   

传热量       

传热膜系数  w/(m²·℃)

努塞尔准数 

普朗特准数 

雷诺数     

由以上数据可作出Nu/Pr^0.4 与Re关系图，如下：

※ 实验结果讨论※

（1）从图中可以看出，不管传热是否被强化，Nu/Pr^0.4～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=ARe^mPrⁿ（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/Pr^0.4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。

（4）由 及 可知，直线斜率即为雷诺数Re的指数，而截距即为lgA,将未强化时的Nu/Pr^0.4～Re的关系曲线进行拟合得α=0.0179；m=0.7959，与公认的关联式有一点偏差。

（5）将加混合器强化时的Nu/Pr^0.4～Re的关系曲线进行拟合得α=0.0297；m=0.7903。

七、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q_v、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/Pr^0.4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）。

 

第二篇：传热膜系数测定实验报告

北 方 民 族 大 学

学生实验报告

院（部）： 化学与化学工程

姓 名： 郭俊雄 学 号： 20082995 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 081 同组人员： 林艺明、 胡鹏、 秦开勉 课程名称： 化工原理实验 实验名称： 传热膜系数测定实验 实验日期： 2010.11.4 批阅日期： 成 绩： 教师签名：

北方民族大学教务处制

实验名称：传热膜系数测定实验

一、 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；

4. 测定套管换热器的静压损失与雷诺损失的关系。

二、 基本原理

mnp对流传热的核心问题是求算传热膜系数α，当流体无相变时对流传热准数关系式的一般形式为：Nu?ARePrGr

对于强制湍流而言。Gr数可忽略，即

Nu?ARemPrn

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关系式中的指数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，得到直线方程为

lgNu?lgA?mlgRe Pr0.4

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带入方程中，则可得系数A，即

A?Nu 0.4mPrRe

用图解法，根据实验点确定直线位置有一定人为性。而用最小二乘法回归，可得到最佳关联结果。应用计算机辅助手段，对多变量方程进行一次回归，就能的道道A、m、n。

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其特征数定义式分别为

Re?du?

?，Pr?Cp?

?，Nu??d ?

实验中改变空气的流量，以改变Re值。根据定性温度(空气进、出口温度的算数平均值)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

Q=αA△tm

2式中α——传热膜系数，W/(m.℃)；

Q——穿热量，W；

A——总传热面积，m2；

△tm ——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃。

穿热量可由下式求得

Q?Wcp(t2?t1)/3600??Vscp(t2?t1)/3600

式中W——质量流量，kg/h；

cp——流体的比定压热容，J/(kg.℃)；

t1,t2——流体进、出口温度，℃；

ρ——定性温度下流体密度，kg/m3；

Vs——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与孔板流量计压差△p的关系式为 Vs=26.2△p0.54

式中△p——孔板流量计压降，kPa；

Vs——空气流量，m3/h。

三、 装置和流程

1. 设备说明

本实验空气走内管，蒸汽走环隙。内管为黄铜管，其管径为Ф(25×2)mm，有效长度为

1.25m。空气进出口温度和壁温分别由铂电阻和热电偶测得。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的两端。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，最大鸭梨17.50kPa，最大流量100 m3/h。

2. 采集系统说明

(1) 压力传感器

本实验装置采用ASCOM5320型鸭梨传感器，其测量范围为0—20kPa。

(2) 显示仪表

本实验中所有温度和压差均由人工智能仪表读取，测量点分别为：孔板压降，进出口温度，壁温。

3. 流程说明

流程图如下：

1、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水口 4、补水阀 5、排水阀

6、套管换热器 7、放气阀 8、冷凝水回流管 9、空气流量调节阀

10、压力传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机

四、

1. 2. 3. 4.

操作要点

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。 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。 打开总电源开关。

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(10组数

据)，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。

五、 数据处理

原始数据记录如下：

表1.直管传热数据记录表

表2.强化传热数据记录表

传热系数相关计算（以表1第一组数据为例）：

△tm =

(96.7?49.6)?(96.7?76.2)（tw?t1)?(tw?t2)

℃==34.33℃

w1lnln

(96.7?76.2)(tw?t2)

查取空气物性数据：

Cp=1008 KJ·Kg-1·K-1

-3

定性密度ρm= 1.078 Kg·m 定性温度下Pr ：0.701

-3

入口密度ρin =1.128 Kg·m

定性粘度μ=0.198×10 Pa·s

-1-1

定性热导率λ=0.0284 W·m·K

-4

Vs?26.2?p0.54=26.2×1.230.54 m3?h?1=29.30 m3?h?1

Q??inVsCp(t2?t1)/3600=1.078×29.30×1008×（72.6-49.6）/3600=203.40 J·s-1

??

Nu=

203.40Q-2-1

= =71.89 W·m·KA?tm3.14?0.021?1.25?34.33

?d71.89?0.021

==53.16

0.0284?

4qm4?mVs4?1.078?29.30===26879 ?d?3600?d?3600?3.14?0.021?0.198?10?4

Re=

相关计算结果如下：

强化传热系数计算结果表

六、

实验结论及误差分析

相关数据关联曲线如下：

由图可知：

强化传热前，A=0.0317，m=0.7448，n=0.4 则Nu=0.0317Re0.7448Pr0.4

强化后拟合结果：A=0.0493，m=0.7491，n=0.4 则Nu=0.0493Re0.7491Pr0.4

误差分析：

系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的跳跃值取其一也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。

七、 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：接近蒸汽温度。因为蒸汽冷凝传热膜系数a(蒸汽)>>a(空气)。

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：传热系数α正比于流速，故当空气流速增大时传热系数亦增大，由Q=WCP(t2-t1)/3600=ρVScP（t2-t1）/3600，当Vs增大且维持Q恒定时，温差随着减小，即出口温度降低。

3.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对的关联有无影响？

mn答：由公式Nu=ARePr，发现其变量均与压强的值无关，故采用不同的蒸汽压无影响。

4.试估算空气一侧的热阻的百分数。

答：忽略污垢热阻时，热阻计算主要为111??，则空气热阻比例为K?1?

1??0.96，即热阻主要表现为空气热阻。 ?0.0280.6836.本实验可采取哪些措施强化传热？

答：提高空气流速，内管加入填充物或采用螺纹管。

编者：郭俊雄

2010.11.06