化工原理实验传热实验报告

一、实验目的

1、了解套管换热器的结构和壁温的测量方法 2、了解影响给热系数的因素和强化传热的途径

3、体会计算机采集与控制软件对提高实验效率的作用 4、学会给热系数的实验测定和数据处理方法 二、实验内容

1、测定空气在圆管内作强制湍流时的给热系数α1

2、测定加入静态混合器后空气的强制湍流给热系数α1’ 3、回归α1和α1’联式NuAReaPr0.4中的参数A、a *4、测定两个条件下铜管内空气的能量损失 二、实验原理

间壁式传热过程是由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热三个传热过程所组成。由于过程复杂，影响因素多，机理不清楚，所以采用量纲分析法来确定给热系数。

1）寻找影响因素

物性：ρ，μ ，λ，cp 设备特征尺寸：l 操作：u，βgΔT 则：α=f（ρ，μ，λ，cp，l，u，βgΔT） 2）量纲分析

ρ[ML-3]，μ[ML-1 T-1]，λ[ML T-3 Q-1]，cp [L2 T-2 Q-1]，l[L] ，u[LT-1]， βgΔT [L T-2]， α[MT-3 Q-1]]

3）选基本变量（独立，含M，L，T，Q-热力学温度） ρ，l，μ, λ 4）无量纲化非基本变量

α：Nu＝αl/λ u: Re＝ρlu/μ cp: Pr＝cpμ/λ βgΔT: Gr＝βgΔT l3ρ2/μ2 5）原函数无量纲化 6）实验

Nu＝ARea Prb Grc

强制对流圆管内表面加热：Nu＝ARea Pr0.4 圆管传热基本方程： 热量衡算方程：

圆管传热牛顿冷却定律：

(Tt)(Tw1tw1)AA1w2w2圆筒壁传导热流量：Q2

ln(A2/A1)ln[Tw2tw2)/(Tw1tw1)]空气流量由孔板流量测量：qv26.2P0.54 [m3h-1，kPa] 空气的定性温度：t=(t1+t2)/2 [℃]

三、实验流程

1、蒸汽发生器 2、蒸汽管 3、补水漏斗 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

图1、传热实验流程

套管换热器内管为φ27×3.5mm黄铜管,长1.25m,走冷空气，外管为耐高温玻璃管，壳程走100℃的热蒸汽。进、出口温度由铂电阻（Pt100）测量，使用时测温点位于管道中心。壁温1、壁温2由热电偶测量，测温点通过锡焊嵌入管壁中心，测量值为壁中心温度。蒸汽发生器加热功率为1.5kW，变频器为西门子420型，风机为XGB型旋涡气泵，最大静风压17kPa，最大流量100 m3/h。此外，还用到了北京化工大学化工原理实验室开发的数据采集与控制软件。 四、实验操作

1、检查蒸汽发生器中的水位，约占液位计高度4/5左右，如不够需加水；

2、按下总电源、加热器、风机绿色按钮，开仪表开关，等待20分钟套管间充满水蒸汽；

3、约到15分钟时，观察壁温1、壁温2的变化以及水蒸汽的滴状冷凝情况；

4、当有蒸汽和不凝性气体从套管间排出时，全开流量调节阀，用鼠标点击上图中绿

色按钮启动风机预热设备5分钟；

5、通过计算机间隔3～4Hz调节频率10→50→10Hz，每个点稳定约1.5分钟记录数

据，注意随时查看结果，调整布点及发现错误等；

6、加入静态混合器进行强化传热实验，先将出口温度计拔出，旋转放入混合器，再

将温度计放回中心位置。调节频率10→50Hz，孔板压降最小值大于0.1kPa； 7、测完数据关风机，2分钟后，检查壁温100℃基点偏差；

8、关闭加热器，与6步相同取出静态混合器放好，检查液位加水，关闭计算机。 五、实验数据

表1选择上行数据 空气普通对流给热系数表（l=1.25,d=0.020m），100℃基点= 99.9 ℃ 序号 空气入口温度/℃ 31.2 33.7 33.1 31.7 30 29.1 28.3 27.7 27 26.5 26.1 空气出口温度/℃ 62.7 64.4 65 65.3 65.7 66 66.5 66.9 67.1 66.5 66.8 壁温壁温2 1 T2/T1/℃ ℃ 100 99.3 99.8 99.4 99.8 99.5 99.9 99.6 99.8 99.7 100 99.7 99.8 99.8 99.8 99.8 100.1 99.8 99.8 99.8 100 99.8 孔板气速 空气流压降 u 量/Kpa /m*s-1 /m3*h-1 4.27 3.04 3 1.26 0.76 0.48 0.32 0.23 0.15 0.23 0.19 热流量Q/W 给热系数/W*m-2K-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 50.7575 57.3763 558.6280 139.2843 42.2494 47.7588 450.1721 117.1391 41.9483 47.4184 464.4346 121.0455 26.2585 29.6826 306.7519 79.1691 19.9852 22.5913 248.5715 63.6042 15.5933 17.6267 200.6565 51.0682 12.5271 14.1606 166.9580 42.5449 10.4810 11.8477 143.3902 36.5596 8.3207 9.4057 116.5407 29.5372 10.4810 11.8477 146.6870 36.8588 9.4536 10.6863 134.6444 33.7912 Nu Pr Re 57793 47530 47191 29634 22638 17694 14226 11910 9468 11964 10795 Nu/Pr^0.4 log(Nu/Pr^0.4) logRe 115.00 96.21 99.41 65.11 52.40 42.10 35.09 30.16 24.38 30.47 27.94 2.06 4.76 1.98 4.68 2.00 4.67 1.81 4.47 1.72 4.35 1.62 4.25 1.55 4.15 1.48 4.08 1.39 3.98 1.48 4.08 1.45 4.03 2 空气强化对流给热系数表（加入混合器），100℃基点= 99.9 ℃ 99.53 0.697 83.25 0.696 86.02 0.696 56.34 0.697 45.34 0.697 36.44 0.697 30.37 0.697 26.10 0.697 21.10 0.697 26.37 0.697 24.18 0.697 空气入口温度/℃ 32.2 31.8 31.5 31.4 31.2 31.5 32 33 34.4 序号 空气出口温度/℃ 81.8 81.6 81.4 80.6 79.4 77.1 77.1 76.2 76.1 孔板壁温1 壁温2 压降 T1/℃ T2/℃ /Kpa 100.1 100.1 100 100.1 99.8 99.8 99.8 99.9 99.9 Re 7183 7940 9288 11328 15336 19200 23722 28735 34143 99.8 99.9 99.8 99.8 99.8 99.7 99.7 99.6 99.5 0.1 0.12 0.16 0.23 0.4 0.6 0.89 1.27 1.76 气速 空气流热流量u 量Q/W /m*s-1 /m3*h-1 6.68 7.38 8.62 10.48 14.13 17.59 21.76 26.37 31.45 7.56 8.34 9.74 11.85 15.97 19.88 24.60 29.81 35.55 112.16 124.39 145.70 175.01 231.70 273.74 334.71 388.41 446.22 给热系数/W*m-2K-1 37.94 41.68 48.64 57.32 74.26 84.35 103.59 119.32 138.73 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Nu Pr 0.6949 0.6950 0.6950 0.6951 0.6952 0.6954 0.6954 0.6954 0.6953 Nu/Pr^0.4 log(Nu/Pr^0.4) 30.55 33.59 39.22 46.27 60.05 68.37 83.91 96.65 112.19 26.41 29.04 33.91 40.00 51.92 59.13 72.56 83.58 97.01 1.49 1.53 1.59 1.67 1.78 1.83 1.92 1.99 2.05 六、实验结果作图及分析 数据处理：

已知公式：0.70632104tkg/m3

以表1中第一组数据为例：

(99.6531.2)(99.6561.7)（tt)(twt2)501.09℃ △tm =w1℃=

(twt1)(99.6531.7)lnln(twt2)(99.6561.7)Pr0.70632104t=0.7063-210-4*46.95=0.697

Nu0.4可知，分别对和Re取对数，并作图所作出的直线Nu/PrlgAmlgRe0.4Pr的斜率即为m；截距即为lgA.。 普通

由公式lgy=0.73x-1.682.5log （Nu/Pr^0.4)2.01.51.00.50.03.84.04.24.4log Re4.64.85.0实验数据线性 (实验数据)由图可

知：m=0.73,lgA=-1.89,进而得出A=0.013。因此得出关联结果为：Nu0.013Re0.73Pr0.4，

du0.76cp0.4)()继而得出传热膜系数0.013( d强化后

由图可知：m=0.81,lgA=-1.62,进而得出A=0.024。因此得出关联结果为：

Nu0.024Re0.81Pr0.4du0.73cp0.4)() 继而传热膜系数0.024(d实验结果分析：传热膜系数公认的关联式为0.023du0.8cp0.4()()，而实验得出的d关系式为0.013du0.73cp0.4()()。可以看出系数A=0.013有差距，指数a=0.73也与d公认式中a=0.8有一定的误差因素，比如说：管壁不够光滑；管件材料不可能完全相同；

还有实验中Pr在0.6950左右，不满足公认式的条件（0.71、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：管壁的壁温接近蒸汽温度，因为蒸汽的传热膜系数较大，壁温更接近于传热膜系数大的一面。

2、蒸汽发生器中的水是循环利用的，为什么每次实验还检查液位补水？

答：因为有部分蒸汽从排气孔向外排出了。因此实验设备里的总水量减少了，所以要在

下次实验前加水补液位。

3、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的关联式有无影响？说明原因。

答：由公式NuARemPrn，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、水蒸汽的温度是100℃，管道尺寸是φ27×3.5mm，结合实验数据， （1）计算套管换热器总传热系数K1，

（2）计算空气一侧的热阻1/α1占总热阻1/ K1的百分比。 答：（1）

1/a2=(T-Tw)/q=(100-99.8)/558.3=0.00036, 1/a1= (tw-t)/q=(100.1-46.95)/558.3=0.095,

d/=0.0035/0.028=0.125则K=1/(1/a1+1/a2+ d/)=4.54 (2) 1/a1/(1/ K)= 0.095*4.54=0.4313=43.13%

5、结合实验数据分析，假如空气入口温度不变、蒸汽温度不变，空气流量增大后，壁

温和出口温度有什么变化？（提示：Q1A1tm答：Q1A1tm4d12u1cp(t2t1)）

4流量增大后u增大，Q不变，则△tm 减小，进口温度又不变，所以出口温度减小。 d12u1cp(t2t1)，A1不变，而传热系数α正比于流速，空气