管内强制对流传热膜系数的测定

装订 线实验报告课程名称： 过程工程原理实验 指导老师： 成绩：__________________实验名称： 管内强制对流传热膜系数的测定 实验类型：________________同组学生姓名：__________一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的1、了解套管式换热器的结构和传热热阻的组成。

2、学习测定流体间壁换热总传热系数的实验方法。

3、掌握近似法和简易Wilson 图解法两种从传热系数实验数据求取对流传热膜系数的数据处理方法。

4、掌握根据实验数据获得传热准数经验公式的方法和数学工具。

5、掌握热电偶、UJ-36电位差计的长图式自动记录仪的使用方法。

二、实验内容1、在空气-水套管换热器中，测定一系列空气流量条件下冷、热流体进、出口温度。

2、通过能量衡算方程式和传热速率基本方程式计算总传热系数K i 的实验值。

3、分别用近似法、简易Wilson 图解法求取空气侧对流传热膜系数αi 。

4、根据实验获得的对流传热膜系数αi 和空气流速u i ，整理得到努赛尔数Nu 与雷诺数Re 之间的幂函数型经验公式。

5、把实验获得的经验公式与化工原理教材和参考书中的列出的同类公式进行比较，讨论其异同点。

6、根据实验装置情况分析实验测试数据的误差来源。

三、实验原理流体与固体壁面间的对流传热过程可以用牛顿冷却定律描述：()w Q A t A T t αα=∆=− （1）式中 Q ——总传热速率，W ；α——对流传热膜系数，W/ m 2·K ；A——传热面积，m 2 ； T ——流体温度，K ；t w ——固体壁面温度，K 。

如果能够用实验直接测定流体温度T 和固体壁面温度t w ，,则可以根据式（1）的关系直接计算对流膜系数α ：()w Q Q A t A T t α==∆− （2）对于多数情况而言，直接测定固体壁面的温度是一件相当困难的任务，实验技术成本高且数据准确性差。

对于两股流体间壁换热的情况，直接测量两股流体的温度却是一件相对容易的工作。

因此，通过测量两股换热流体温度来推算某一侧流体与壁面间的对流传热膜系数就成为广泛应用的实验研究方法。

1、总传热系数K 的实验求取根据换热器传热速率基本方程式m Q KA t =∆ （3）式中 K——换热器总换热系数，W/(m 2·K)；△t m ——对数平均温差，K 。

对数平均温差的定义为12211221()()ln[()/()]m T t T t t T t T t −−−∆=−− （4）由能量恒算关系式，总传热速率满足下式：12()p Q Gc T T =− （5）式中 G——热流体的质量流量，kg/s ；c p ——热流体的恒压比热容，J / (kg·K)。

实验测定G 、t 1、t 2、T 1、T 2并计算出Q 后，可根据下式求取总传热系数K ：mQK A t =∆ （6）2、近似法推算对流传热膜系数α总传热系数与对流传热膜系数之间的关系为12111122211S S m bd d dR R K d d d αλα=++++ （7）在本实验中，上式可化简为1K α≈ （8）3、简易Wilson 图解法推算对流传热膜系数α实验测取一系列{u i ，K i }数据后，以1/u 0.8为横坐标，1/K 为纵坐标作图，得到一条直线，记斜率为m ，则0.8i i u mα= （9）4、传热准数经验方程式流体在管内作强制湍流，被加热状态，工程上最常用的准数关联式的形式为n i mi i A Nu Pr Re = （10）其中： i i i i d Nu λα=，i ii i i d u µρ=Re ，ii pi i c λµ=Pr 对于圆形直管内强制对流情况，式中A=0.023，m=0.8，当流体被加热时，n=0.4，当物体被冷却时n=0.3。

对于流体是被冷却空气的情况，Pr≈常数，式（10）可简化为mi i C Nu Re = （11）线性拟合lgNu ～lgRe ，可得到系数C 和指数m 。

对于流体是被冷却空气的情况，可化简为0.80.02Re Nu =三、实验装置四、实验步骤1、打开总电源开关，打开仪表电源开关，给热电偶冰瓶内加冰。

2、打开电脑，运行传热系数实验软件，输入“学号”，单击“实验操作”按钮，进入实验界面。

点击“开始实验”按钮，按以下步骤操作：⑴记录流量传感器的初值双击UJ-36电位差计，得一放大图，点击“读取数据”，即下初读数V0;⑵启动风机点击总电源按钮，接通电源，在点击风机电源按钮，启动风机。

双击空气流量调节阀，使阀门开度最大。

⑶开启冷却水调节阀门开度达到最大。

⑷开启加热器和温控仪⑸观察系统是否稳定点击曲线上已走平的曲线上一点，如果显示系统已经稳定，即可读取数据并保存。

⑹实验停车：做完六组实验，保存相关数据后，停止加热器器加热，待温度降至50℃左右，关闭冷却水，关闭风机，关闭电脑。

五、实验数据记录及处理1、原始数据记录表12、求取总传热系数K定性温度t≈60℃，空气的恒压比热容cp=1006J/kg ·K ，套管换热器规格为Φ=30×2.5mm ，L=1.5m ，以换热管外侧面作为传热面积基准，则传热面积220.030 1.50.14A d L m m ππ==××=外根据公式（4）、（5）、（6），计算结果见表2。

3、简易Wilson图解法推算对流传热膜系数α作1/K-1/u0.8图，得到斜率m，根据公式（9）计算出对流传热膜系数α。

结果见表3。

作1/K-1/u0.8图：4、传热准数经验方程式60℃时空气密度ρ=1.06Kg/m3，黏度μ=2.01×10-5Pa·s，空气导热系数λ=0.029W/m·K，空气气体比热容cp＝1.005KJ/Kg·℃，换热管内径d=0.025m。

⑴根据近似法求得的α计算：表4⑵根据Wilson图解法求得的α计算：表5作lgNu～lgRe图：线性拟合后，得到：1近似法：m=0.759，lgC=-1.608，计算得C=0.025，于是0.760.025ReNu=2Wilson图解法：m=0.800，lgC=-1.766，计算得C=0.017，于是0.800.017ReNu=六、结果分析从以上比较可以看到，两种方法求得的α比较接近，简易Wilson图解法的结果略大于近似法的结果。

在理论上通过分析可知，近似法得到的α一定小于Wilson法得到的α，因此实验结果与理论完全符合。

本实验中，水流经套管换热器的环隙一侧，流态处于高度湍流状态，且属于良导热流体，而空气是不良导热流体；同时本实验装置的换热管材料是紫铜，是优秀的导热材料，因此可以用近似法处理对流传热膜系数。

⑵确定Nu=BRe n近似法的结果：0.760.025Re Nu=简易Wilson图解法的结果：0.800.017Re Nu=由两实验结果比较可知，用图解法得到的准数方程比用近似法得到的准数方程更接近于经验准数方程。

原因：近似法处理时忽略了冷流体侧的对流传热膜系数、换热管的导热系数和两侧的污垢热阻，而图解法中假设条件较少，因此近似法相比图解法有更大的误差。

近似法的准确性取决于被忽略热阻与空气侧热阻之间的相对大小。

在lgNu～lgRe图中，近似法的线在Wilson线的下方，前者的斜率小于0.8，后者的斜率基本等于0.8，气量越小，两者的值越接近，即两线越靠近，这与理论完全相符。

七、思考题1、在双对数坐标中作Nu与Re的关系线时，要求实验点分布均匀。

实验操作时，应如何分配？答：实验开始时把流量开到最大，确定最大质量流量，本实验规定最小质量流量为0.007kg/s，再根据质量流量成等比数列的原则分配实验数据。

2、请叙述开机与关机的次序。

答：开机——启动风机；使阀门开度达到最大；开启冷却水；开启加热器。

关机——关闭加热器；将阀门开到最大；当温度指示低于30℃之后关闭冷却水；关闭阀门；关闭风过程工程原理实验机。

3、为什么不用水侧的温度和流量来估计总的传热量值，而是用空气侧的？答：水除了与空气进行热交换外，还向环境传热；同时水的比热容和质量流量远大于空气，同样的传热速率水的温差远小于空气，会造成较大误差。

4、若空气进口温度基本保持不变，且水的进出口温度变化不大于1℃，当空气流量减小时，出口气温有何变化？试定性分析。

答：空气流量减小，传热速率Q减小，因为总传热系数K和传热面积A不变，由/mK Q A t=∆得，空气进出口温差减小。

因为空气进口温度不变，所以出口温度减小。

5、为提高总传热系数K，可采用哪些方法？其中最有效的方法是什么？答：为提高总传热系数K，可以选择热阻较小的材料作为传热管，清洗管壁以减小污垢热阻，增大水流量以增大水侧传热系数，增大空气流量以增大空气侧传热系数等方法。

其中最有效的方法是增大空气流量以增大空气侧传热系数，因为空气侧热阻是整个传热热阻的主要部分。

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