传热膜系数测定实验报告
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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： 化工10
学 号： 2010
姓 名：
同 组 人：
实验日期：
一、 报告摘要
本实验通过对公式4.0PrRemANu的变形，得RelglgPrlg4.0mANu，通过实验测得壁温wt；空气进出口温度1t、2t；孔板压降p。查表及由已知公式得到不同温度下空气的密度、黏度、管壁材料的热导率、普朗特数Pr、比定压热容pC。再根据公式)]/()ln[(/)]()[2121tttttttttwwwwm（、54.02.26pVs、3600/)(12ttCVQps、mtAQ、dNu、duRe，这样即可得到Relg)Pr/lg(4.0与Nu的关系，再利用图解法或最小二乘法拟合出m、lgA。这样就能得出传热膜系数的半经验关联式。
二、 实验目的
① 掌握传热膜系数的测定方法；
② 通过实验掌握确定强化与非强化传热过程中传热膜系数准数关联式的系数A和指数m、n的方法；
③ 测定套管换热器的静压损失与雷诺准数的关系；
④ 通过实验提高对准数关系式的理解，并分析影响的因素，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：
pnmGrANuPrRe
对于强制湍流而言，Gr数可以忽略，即
nmANuPrRe
本实验可简化上式，取4.0n（流体被加热）。
4.0PrRemANu
在两边取对数，即得到直线方程：
RelglgPrlg4.0mANu
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
mNuARePr4.0 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
duRe , CpPr , dNu
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
mtAQ
式中 ——传热膜系数，W/（m²·℃）；
Q——传热量，W；
A——总传热面积，m²；
mt——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
3600/3600/1212ttCVttCWQpsp
式中 W——质量流量，kg/h；
pc——流体定压比热，J/（kg·℃）
1t，2t——流体进、出口温度，℃；
——定性温度下流体密度，kg/m³；
sV——流体体积流量，m³/h。
空气的体积流量有孔板流量计测量，其流量sV与孔板流量计压降p的关系为
54.02.26pVs
式中 p——孔板流量计压降，kPa；
sV——空气流量，m³/h。
四、 实验装置
1、 实验装置图
图-1 套管式换热器实验设备流程图
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（压差）传感器 11、孔板流量计 12、空气管 13、风机
2、 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。
3 、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。
4、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、 实验内容及步骤
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 检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在1/2~2/3；
③ 打开总电源开关及仪表开关（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，接通蒸汽发生器的加热电源，打开放气阀；
⑤ 待蒸汽产生后，开启风机，将空气流量控制在某一定值。待进出口温度、壁温仪表稳定后，记录进出口温度、壁温和压差数据，改变空气流量9次，重复实验，记录数据；
⑥ 强化传热实验是在上述实验完成后，将强化元件插入铜管中，再改变空气流量9次并记录数据；
⑦ 实验结束后，先停蒸汽发生器电源，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，液面过高，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，孔板流量计压差读数不应从0开始，最小不低于0.1kPa。实验中合理取点，以保证数据点均匀。
c. 每改变一个流量后，应等到数据稳定后再测取数据。
六、 实验数据及处理
1.原始数据如下：
管道内径md020.0，长度mL25.1
表-1 强化传热前数据
序号 进口温度1t/℃ 出口温2t/℃ 壁温T1/℃ 壁温T2/℃ ΔP/Kpa 管路压降/Kpa
1 37.4 65.2 100.4 100.1 3.72 3.68
2 38.2 66.5 100.6 100.3 2.68 2.62
3 37.4 66.5 100.4 100.2 2.19 2.23
4 36.1 66.3 100.4 100.2 1.72 1.85
5 35.1 66.3 100.4 100.2 1.39 1.43
6 34.2 66.7 100.4 100.3 0.97 0.8
7 32.8 67.1 100.4 100.4 0.63 0.63
8 31.7 67.2 100.4 100.4 0.46 0.48
9 30.6 67.6 100.4 100.4 0.31 0.35
10 30.1 68.2 100.3 100.3 0.2 0.22
表-2 强化传热数据
序号 进口温度1t/℃ 出口温2t/℃
壁温T1/℃ 壁温T2/℃ ΔP/Kpa 管路压降/Kpa
1 35.1 76.1 100.3 100.2 1.55 9.8
2 36 77.2 100.3 100.2 1.12 7.16
3 35.9 77.7 100.4 100.3 0.79 5.15
4 35.5 77.9 100.4 100.3 0.59 3.89
5 34.8 78.3 100.4 100.4
0.41 2.97
6 33.9 78.4 100.3 100.4 0.29 2.02
7 33.1 78.7 100.4 100.3 0.21 1.51
2.数据处理
计算示例（以表-1第二组数据为例）
对数平均温度差
21122112()()(100.338.2)(100.666.5)46.7100.338.2lnln100.666.5mTtTttCTtTt
进口温度1t下，定性密度31.135/kgm
查取46.7C下的空气物性数据如下：
比热容111.005CpkJkgK
定性粘度19.72Pas
定性热导率1128.40mWmK
传热面积20785.025.1020.0mdLA
54.02.26pVs=0.54326.22.6844.62/mh
udAuVs42 224444.62/39.47/0.023600sVumsmsd
雷诺数60.0239.471.135Re45426.1419.7210du
普朗特数3631.0051019.7210Pr0.69779128.410Cp
根据传热量3600/3600/1212ttCVttCWtAQpspm
带入数据得：
3212/36001.13544.621.00510(66.538.2)/3600108.39/()0.078546.7spmVCttWmCAt
