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：

（1）

对于强制湍流而言，数可忽略，即

（2）

在本文中，采用origin软件对上述准数关系式中的指数、和系数进行计算机求解。

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，这样式(2)便成为单变量方程，两边同时去对数得：

（3）

利用origin软件对其作图，采用双对数坐标，利用线性函数对数据进行拟合，即可很好的求解出自变量对的线性关系，最终拟合结果的和分别对应上述关系式中的与。

对于方程式的关联，首先要有、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。

牛顿冷却定律为：

（4）

式中——传热膜系数，

——传热量，

——传热面积，，

——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

（5）

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，

空气的体积流量由孔板体积流量计测得，其流量与孔板流量计压降的关系为：

（6）

式中——孔板流量计压降，

——流体体积流量，

空气的流速为：

（7）

流体管路阻力损失为：

（8）

式中——流体管路阻力损失，

——管路压降，

——流体密度，

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：

表1.直管相关数据表

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；

步骤2：利用求取各个流量下流体的平均温度，并利用线性插值，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求得各流量下的，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、Re、Pr数据组的定义式，求得各流量下的、Re、Pr值

步骤7：利用origin对对作图，并利用其中的拟合命令求解得到对应的与；

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：

表3.直管处理中间数据

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. 与Re关系图

上图origin拟合分析结果如下表5所示：

步骤8中结果如表6，表7以及图3所示：

表6.直管阻力损失与流量关系表

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，在混合管下，经过数据转换后，直管的对流传热准数关系式分别为：

混合管的对流传热准数关系式为：

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

附录2.

一维插值过程：

已知相邻的两组数据,求之间的所对应的值，其具体式子如下：

求解过程：

式中——平均对数温度

——分别为冷、热流体温度

——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：

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：

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，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。

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：闵云超学号： 20091400

专业：化学工程与工艺班级： 092

同组人员：闵云超、宋小玲

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： 2011/10/13 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

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：

对于强制湍流而言。Gr数可忽略，即

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

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

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

，，

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△t_m

式中α——传热膜系数，W/(m².℃)；

Q——穿热量，W；

A——总传热面积，m²；

△t_m ——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

式中W——质量流量，kg/h；

c_p——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；

V_s——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V_s与孔板流量计压差△p的关系式为

V_s=26.2△p^0.54

式中△p——孔板流量计压降，kPa；

V_s——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、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。

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(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）：

△t_m =℃=40.17

查取空气物性数据：

C_p=1.0072 KJ·Kg^-1·K^-1

定性密度ρ_m= 1.1118 Kg·m^-3

定性粘度μ=0.198×10^-4 Pa·s

定性热导率λ=0.027 W·m^-1·K^-1

^Pr=Cp*u/^λ=0.716

=26.2×2.41^0.54=42.13

=1.1118×42.13×1.0072×1000x（72.6-49.6）/3600=363.003J·s^-1

= 115.11 W·m^-2·K^-1

Nu==85.27

Re===43163

传热实验报告

第二篇：传热膜系数测定实验报告

专栏推荐