传热膜系数测定实验报告

长 江 大 学实 验 报 告传热膜系数测定实验班级： 姓名： 学号： 班内序号： 指导老师：一、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，并分析影响α的因素；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；用图解法和线性回归法对αi 的实验数据进行处理；3、通过对管程内部插有螺旋型麻花铁的空气——水蒸汽强化套管换热器的实验研究，确定其特征数关联式中常数B 、m 的值和强化比，了解强化传热的基本理论和基本方式。

4、测定5~6个不同流速下的套管换热的管内压降ΔΡ。

并在同一坐标系下绘制出ΔΡ1~Nu 与强化管ΔΡ2~Nu 关系曲线，比较实验结果。

二、实验原理（1）套管式传热膜系数的测定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：p n m Gr A Nu ⋅⋅⋅=Pr Re （1）对于强制湍流而言，Gr 准数可以忽略，故 n m A NuPr Re ⋅⋅= （2）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：Re lg lg Pr lg4.0m A Nu+= （3）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：mNuA Re Pr 4.0⋅=（4）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：μρdu =Re , λμCp =Pr , λαdNu =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：m t A Q ∆⋅⋅=α （5）式中：α——传热膜系数，[W/(m ²·℃)]； Q ——传热量，[W]； A ——总传热面积[m 2²]。

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：()()3600/3600/1212t t C V t t C W Q p p -⋅⋅=-⋅=ρ （6）式中：W ——质量流量，[kg/h]；Cp ——流体定压比热，[J/(kg ·℃)]；t 1、t 2——流体进、出口温度[℃] ρ——定性温度下流体密度，[kg/m 3³]； V ——流体体积流量，[m 3³/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0.5426.2s V p =∆式中 Δp ——孔板流量计压降，kPa ；Vs ——空气流量，m 3/h 。

(2)管内强化热系数的测定本实验是采用换热器内管加入螺旋形麻花铁的方法来加强传热的。

在近壁区域，流体一面由于螺旋形麻花铁的作用而发生旋转，一面还周期性的受到螺旋形金属的干扰，因而可以使传热强化。

强华传热时Nu′= B· Re m，其中B、m的值因为螺旋型麻花铁的尺寸不同而不同。

同样可用线性回归方法确定B、m的值。

单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔数Nu′与普通管的努塞尔数Nu的比。

显然，强化比越大，强化效果越好。

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 1224.0061.8042.9022t t t ++=== ℃ 对数平均温度 21112261.824.055.574100.624.00ln ln100.661.80m t t t T t T t --===----℃ 空气流量 0.540.54326.226.20.3915.7571/s V p m h ==⨯= 传热量 2161.8024.00ρ 1.117525.75711005185.8136003600s s t t Q V C W --==⨯⨯⨯= 传热膜系数 185.81α42.590.02 1.2555.574 3.14m Q A t ===⨯⨯⨯w/(m 2·℃) 努塞尔准数 εd 42.590.0276.61λ0.027780u N ⨯=== 普朗特准数 5μ1005 1.92501076.61λ0.02780p r C P -⨯⨯=== 雷诺数 54ρ4 1.117525.7571161843600μ36000.02 3.14 1.925010s e V R d π-⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯（二）加麻花铁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 1256.2032.0044.1022t t t ++=== ℃对数平均温度 21112256.2032.0055.256100.882.00ln ln100.656.20m t t t T t T t --===----℃ 空气流量 0.540.54326.226.20.1810.3788/s V p m h ==⨯= 传热量 2156.2032.00ρ 1.114010.3788100571.8836003600s s t t Q V C W --==⨯⨯⨯= 传热膜系数 78.11α18.010.02 1.2555.256 3.14m Q A t ===⨯⨯⨯w/(m 2·℃) 努塞尔准数 εd 18.010.0212.92λ0.027780u N ⨯=== 普朗特准数 5μ1005 1.93100.6957λ0.02780p r C P -⨯⨯=== 雷诺数 54ρ4 1.114010.3788105993600μ36000.02 3.14 1.9310s e V R d π-⨯⨯===⨯⨯⨯⨯⨯由于数据的不稳定性，在这里我选取了普通加热时的第3～7组和加强化时的第5～9组这10组数据，得到的Nu/Pr^0.4 与Re 关系图，如下：N u /p r 0.4Re※ 实验结果讨论※（i ）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。

(ii) 实验中加入麻花铁后，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。

（iii ）由 （3）式知，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；m=0.00411，与公认的关联式有一点偏差。

(iv) 将加混合器强化时的Nu/Pr 0.4～Re 的关系曲线进行拟合得A=35481.34；m=0.00191。

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222121112111R R m d d d K d d d δαλα=⨯+⨯+⨯++ 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，R 1、R 2为污垢热阻。

因R 1、R 2和金属壁的热阻较小，可忽略不计，则Tw ≈tw ，于是可推导出2111w w T T T tαα-=-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。