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1、北京化工大学实验报告课程名称：化工原理实验实验日期：2010.11.23班级：化工0802姓名：王拓明同组人：马文燕王国键王硕一装置型号：而：OM型压力传赢传热膜系数测定实验一、摘要本实验通过水蒸气加热空气，来测量两组进出口温度，进而通过牛顿冷却定律求得传热膜系数，在计算得出Nu,Re,Pr,最终得出传热膜系数准数关系式中的系数A和指数m、n。比较强化传热膜系数和无强化传热系数的关系，在分析两种情况下的准数关联式有何差别。关键词：传热膜系数对流传热准数关联式牛顿冷却定律二、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
2、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。4、测定层流直管道的人随Re变化关系。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：Nu=ARemPrnGrp对于强制湍流而言，Gr准数可忽略，故NII=ARePr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Ao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，再两边取对数，即得到直线方程:.Nu._gPr7gA+，HgRe在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程得指
3、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：Nu_Pr014-Rew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。应用计算机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到a、m、n.对于方程得关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为：dupCpadRe=,Pr=l-,Nu=实验中改变冷却水的流量以改变Re准数的值。根据定性温度(冷空气进，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值。进而算得NU准数值。牛顿冷却定律：Q=aAZm式中：一传热膜系数，【w/nPC】Q传热量，
4、【w】A一一总传热面积，Im?tm一一管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，【】传热量Q可由下式求得：=W.Cp(r2-r1)/3600=p-VCp(t2-r1)/3600式中：W质量流量，【kg/h】Cp流体定压比热，【J/kg】tlt2流体进出口温度，【】P一定性温度下流体密度，kg/n?】V一一流体体积流量，【nP/s】四、实验流程流程说明：本实验装置流程如下图，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，空气经加热后，排入大气。空气的流量由空气流量调节阀调节。蒸气由蒸气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PI流管返回蒸气发
5、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。铜管两端用塑料管和管路相连，用于消除热效应。131套管式换热实验装置和流程1一风机2一孔板流量计3空气流量调节阀4一空气入口测温点5一空气出口测温点6水蒸气入口壁温7水蒸气出口壁温8不凝性气体放空阀9一冷凝水回流管10-蒸汽发生器11一补水漏斗12一补水阀13一排水阀五、实验操作1、熟悉设备，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、检查蒸气发生器中的水位，使其高度保持在水灌高度的l2-23o液位过高，水会溢入蒸气套管，过低则可能烧毁加热器。3、打开总电源开关，启动风机，接通蒸气发生器的加热电源，
6、打开放气阀。开始实验操作。4、将空气流量控制在某一值，仪表数值稳定后，记录数据。5、通过改变频率，改变空气流量，重复上述实验操作，记录数据15组。为保证湍流状态,孔板压差读数不应从0开始，最低不小于O.lkp,实验中要合理取点，以保证数据点均匀。6、强化传热，在上述实验完成后，将强化元件（静态混合器）插入铜管中，在改变空气流量，方法同上，记录15组数据左右。7、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，最后清理现场。备注：本次实验操作简单，主要有一个同学控制流量变化即可，所以时间比较短，但要注意观察曲线的变化趋势，尽量选择合理有效的试验点。六、实验数据处理实验数据原始记录表1（无强化过程）：序
7、号空气入口温度t空气出口温度tC壁温Tl/C壁温T2压降kpa温差,c143.368.1100.4100.73.4742.6243.168.4100.2100.83.0442.6342.468.3100.2100.52.6542.8440.868.1100.5100.52.3243.6539.467.7100.2100.51.9844.3638.067.7100.4100.61.4745.0736.767.9100.7100.61.0345.6833.867.7100.4100.80.6646.8931.367.7100.4100.70.3847.71029.968.0100.8100.90.
8、2448.41129.368.4100.6100.20.1748.41237.364.8100.7100.63.9447.3序号特征温度t01C密度(kgm3)热导率(mwmk)粘度(uPas)比热容(kjkgk)流量(m3h)速度(ms)155.701.07429.0019.881.00551.30045.368255.751.07429.0019.891.00547.76042.237355.351.07529.0019.861.00544.35039.221454.451.07829.0019.821.00541.27036.498553.551.08129.0019.781.00537
9、.89033.508652.851.08429.0019.741.00532.26028.529752.31.08529.0019.711.00526.62023.542850.751.09028.0019.641.00520.93018.510949.501.09528.0019.581.00515.54013.7431048.951.09728.0019.541.00512.12010.7181148.851.09728.0019.541.00510.0608.8971251.051.09028.0019.651.00554.94048.587序号传热量w给热系数(wm2*C)普朗克准数P
10、r雷诺数Re努塞尔准数NuIgRelgNuPr041381.48114.000.6964900379.454.691.962362.28108.430.6964561275.554.661.943344.80102.640.6964244771.594.631.924339.1899.020.6963970569.224.601.905323.6693.130.6963663265.244.561.886289.8382.030.6963131257.574.501.827251.6870.310.6962591949.414.411.768216.0558.840.6962055941.51
11、4.311.689172.8446.140.6961536732.654.191.5810141.4137.200.6961202826.364.081.4811120.5031.740.696999022.504.001.4112459.52123.800.6965386287.264.732.00以第五组数据为例，计算过程如下：特征温度to=t2+ti=53.55,查表利用内差法得：P=1.081kgm3=19.78uPas;Cp=I.005kJ/kgk;=29.00mwmk;A=O.0785m2qv=26.2*p0.4=26.2*1.98AO.4=37.89Om3/h；u=37.8936
12、OO(O.O25*3.1415*O.O22)=33.5O8ms;Q=P*qv*Cp*(t2-t)/3600=1.075*44.350*(67.7-39.4)/3600=323.66w；tm=(Tl-t2)(T2-tl)ln(Tl-t2)(T2-tl)=44.3C;=Q/(Atm)=323.66/(0.0785*44.3)=93.13wm2C;一些准数的计算：Nu=a*d=65.24Pr=Cp*/-0.696Re=d*u*P=36632IgNuZPr04=1.88lgRe=4.56回归所得直线方程为：y=0.792-1.7406IgA=-1.7406A=IO1746=0.0182综上所述：Nu=
13、O.O182Reo792Pr04实验数据原始记录表2(强化过程)：序号空气入口温度t1C空气出口温度t2r壁温Tl/C壁温Tz/C压降kpa温差IP139.780100.3100.70.00437.0238.582.5100.2100.70.10035.4337.181.4100.3100.70.19036.8436.181.1100.2100.70.25037.3535.480.6100.2100.60.34037.9634.479.8100.4100.70.44039.1733.679.5100.2100.60.44039.4833.778.5100.1100.70.69040.1934.
14、178.1100.2100.70.88040.31034.677.9100.1100.41.04040.11135.677.9100.2100.61.21039.91236.877.8100.2100.41.46039.51338.277.7100.1100.61.79039.01440.678.2100.2100.41.91037.8序号特征温度to*C密度(kgm3)热导率(mwmk)粘度(uPas)比热容(kjkgk)流量(m3h)速度(ms)159.851.06028.9220.091.0051.3291.175260.501.05828.9720.131.0057.5566.6823
15、59.251.06228.8820.061.00510.6869.451458.601.06528.8320.031.00512.39310.960558.001.06728.7920.001.00514.63212.940657.101.07028.7319.961.00516.81814.873756.551.07728.6919.931.00516.81814.873856.101.07328.6619.911.00521.44318.963956.101.07328.6619.911.00524.45221.6251056.251.07228.6719.911.00526.76123.
16、6661156.751.07128.7119.941.00529.04125.6821257.301.06928.7419.971.00532.14028.4241357.951.06728.7920.001.00535.87931.7301459.401.06228.8920.071.00537.15932.862序号传热量w给热系数(wm2*C)普朗克准数Pr雷诺数Re努塞尔准数NuIgReIgNU/PW115.8454.570.698124037.743.091.64298.20353.290.6987024243.903.852.453140.35485.360.69810006336
17、.124.002.594165.81565.680.69811655392.424.072.665197.00661.470.69813807459.514.142.726228.07743.120.69815946517.314.202.787232.09750.040.69816074522.864.212.788287.75913.990.69820439637.824.312.879322.281017.730.69823308710.214.372.9110346.771100.860.69825485767.954.412.9511367.281172.210.6982758981
18、6.584.442.9712393.261268.890.69830431883.014.483.0113422.151377.370.69833856956.844.533.0414414.221395.910.69834777966.364.543.05以第五组数据为例，计算过程如下：特征温度to=t2+t=58.00C,查表利用内差法得：P=1.067kgm3=20.00uPas;Cp=L005kJ/kgk;=28.79wmk;A=0.0785m2qv=26.2*ApA0.4=26.2*0.340A0.4=14.632m3/h；u=14.632/3600/(0.025*3.1415*0.
19、022)=12.940ms；Q=P*qv*Cp*(t2-t)/3600=197.00wtm=(Tl-t2)(T2-tl)ln(Tl-t2)(T2-tl)=37.9=Q/(A*tm)=661.47wm2C;一些基本的准数计算：Nu=a*d=459.51Pr=Cp*P/=0.698Re=d*u*P=13807lgNuPr04=2.72lgRe=4.14回归所得直线方程为：y=0.9016-1.6082IgA=1.6082A=10/682=o0246综上所述iNu=O.O246Reo9,6Pr4七、实验结果作图bednIO工工2.22.z2.22.FO-IdINSIIgNuZPr0MgRe关系图Ig
20、华=IgA+相IgRe其直线斜率为m,截距为IgAoPr1、表一（无强化元件）计算结果所作直线，对流传热准数关联式：Nu=O.O182Reo792Pro42、表二（有强化元件）计算结果所作直线，对流传热准数关联式：Nu=O.O246Re9,6Pr43、加入静态混合器后传热强化，其传热膜系数增大。m值也增大。4、分析知：强化传热过程可通过提高流体的湍动程度。表现为雷诺数的增大。八、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：iw=i+Q（A*az）因为蒸气冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，接近蒸气温度。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
21、时的温度将升高还是降低？为什么？答：传热膜系数正比于流速的0.8次方，所以当空气流速增大时，传热膜系数增大Q=P*Vs*Cp*（t2-t）当V增大，Q保持不变，温度随之减小，因此出口温度会降低。3如果采用不同蒸气的压强进行实验，对的关联有无影响？答：NU=ARemPrn可以看出其变量与压强值无关，故采用不同的蒸汽压将不会发生影响。4试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分数。答：空气强制对流传热膜系数为100,水蒸气膜状冷凝传热膜系数为1000,所以空气热阻为1/100=0.01,水蒸气侧热阻为1/10000=0.0001所以空气热阻比例为0.01/0.01+0.0001=0.99,所以热阻主要表现
22、为空气热阻。5以空气为介质的传热实验中雷诺数Re应如何计算？答：根据雷诺数计算公式Re=%，可知需要测量管径，空气流速及相应状态下的物性值（P,）o6本实验可采取那些措施强化传热？答：改变流动条件。通过设计特殊传热壁面，使流体在流动过程中不断改变流动方向，提高湍流程度，提高空气流速。加入填充物或改用严格逆流的套管换热器或螺旋板换热器。参考资料：1、化工原理实验杨祖荣编2、化工原理陈敏恒主编九、问题、建议等1、本次实验过程中，在测定没有强化时，因为没有仔细观察数据的趋势，导致实验数据拟合的不好，所以在实验结束之后重新测了一遍。别的实验过程都符合实验要求。2、实验过程中压力表的示数很不稳定，容易引起测量的误差,3、希望老师在实验的过程中，能及时指导实验操作。4、强化传热过程后，取出强化传热装置，仪器出口温度出现较大变化，原因不明。,。
