传热综合实验

班级：化学工程与工艺 姓名：韩兴云 学号：033112037 组别：甲4

一、实验目的：

1、 测定光滑圆形直管管外蒸气冷凝，管内为空气强制对流时的传热系数——K值；

2、 学会用实验方法，讲所测实验数据整理成准数方程式

3、 了解并掌握热电偶和电位差计的使用，及其温度测量。

二、基本原理概述

1、 测定传热系数K。

根据传热速率方程式得：

其中：传热速率Q，既可以用热流体得放热速率计算，也可以用冷流体的吸收速率计算。

传热推动力Δtm可用对数平均温度差计算。逆流时，

S＝лdl

2、 测定给热系数α

在蒸汽－空气换热系统，若忽略管壁与污垢的热阻，则总传热系数与分传热系数的关系为：

由于蒸汽冷凝给热系数远大于管壁对空气的给热系数，所以α1＝K

3、 求与Re的定量关系式。

由因次分析法可知，流体在圆形管中呈强制湍流时的给热系数，符合下列准数关联式：

本实验就是通过调节空气的流量，测得对应的给热系数，然后将流量整理为Re，将给热系数整理为Nu。再将所得的一系列Nu－Re数据，通过图解法或者回归分析法，求得待定系数A、n。进而得到给热系数α与Re的经验公式。

三、装置与流程：

来自鼓风机的空气通过调节阀1转子流量计2和换热管3，经换热后排空。热量由缠绕在换热管表面的电热丝4供给；空气流量由转子流量计2测定；进、出口空气温度由温度计读取，其进口压强由U形管液柱压差计显示；壁温由热电偶测量。

四、实验数据及处理：

表一 普通套管换热器原始数据 测量次数 1 2 3 4 5 6 7 测量次数 1 2 3 4 5 6 项目 t1 /℃ 1 30.4 2 32.8 3 33.5 4 35 5 37.4 6 40.7 7 41.6 压差计ΔP/kPa 3.54 2.98 2.32 1.72 1.16 0.45 t1/℃ 44.8 42.5 38.8 36.3 34.5 32.8 t2/℃ 75.0 74.5 73.5 73.3 73.6 75.6 毫伏表E/mV 4.13 4.12 4.11 4.11 4.09 4.09 压差计ΔP/kPa 0.60 1.35 2.10 2.82 3.48 4.16 4.33 表二 强化套管换热器原始数据

t1/℃ 30.4 32.8 33.5 35.0 37.4 40.7 41.6 t2/℃ 67.1 66.4 65.7 65.7 66.5 67.8 68.2 毫伏表E/mV 4.59 4.60 4.60 4.60 4.60 4.60 4.60 表三 普通套管换热器实验数据处理表

t2 /℃ t /℃ ρ/(kg/m3) Cp/(J/kg·k) λ/(w/m·k) μ/(Pa·s) Pr0.4 Vt0/(m3/h) V/(m3/h) Tw/℃ Δtm/℃ Q/w 67.1 48.8 1.097 1005 66.4 49.6 1.094 65.7 49.6 1.094 65.7 50.4 1.092 66.5 52 1.086 67.8 54.3 1.079 68.2 54.9 1.077 0.02816 0.02821 0.02821 0.02827 0.02838 0.02854 0.02858 19.5 0.866 15.57 16.51 109.2 60.4 185.6 23.62 24.92 109.5 59.9 255.7 67.9 48.1 22.03 29. 31.2 109.5 59.9 306.8 81.5 57.8 27.58 34.49 36.21 109.5 59.1 338.9 91.3 .6 32.01 38.42 40.23 109.5 57.5 354.9 98.2 69.2 35.57 42.11 43.94 109.5 55.2 358.7 103.4 72.5 38.85 42.99 44.81 109.5 54.6 358.4 104.5 73.1 39.62 19.6 19.6 19.6 19.7 19.8 19.8 α/(w/m2·℃) 48.9 Nu u/(m/s) Re lnNu lnRe 34.7 14.6 126.9 24592.7 30788.3 35668.3 39217.3 42342.6 43101.8 3.55 9.71 3.87 10.11 4.06 10.33 4.17 10.48 4.24 10.58 4.28 10.65 4.29 10.67

由Nu=ARemPr0.4 , 可得lnNu=lnA+mlnRe+0.4lnPr

所以以lnNu——lnRe作图，可得一直线，直线的斜率是m,截距是lnA+0.4lnPr

作图，可得m=0.78，lnA+0.4lnPr=-3.9922，

所以A=0.0195

即Nu=0.0195Re0.78Pr0.4

表四 强化套管换热器实验数据处理表 项目 t1 /℃ t2 /℃ t /℃ ρ/(kg/m3) Cp/(J/kg·k) λ/(w/m·k) μ/(μPa·s) Pr0.4 Vt0/(m3/h) V/(m3/h) Tw/℃ Δtm/℃ Q/w α/(w/m2·℃) 1 44.8 75.0 59.9 1.060 1005 0.022 0.02883 0.02867 0.02857 0.02852 0.02853 20.1 0.866 38.76 40.60 98.40 38.50 362.8 150.0 35.48 37.28 98.16 39.66 354.7 142.3 31.20 32.94 97.93 41.73 342.4 130.6 26.75 28.35 97.93 43.13 315.4 116.4 21.85 23.24 97.46 43.36 273.7 100.4 14.55 15.57 97.46 43.26 200.7 73.8 20.0 19.9 19.8 19.8 19.8 2 42.5 74.5 58.5 1.065 3 38.8 73.5 56.2 1.073 4 36.3 73.3 54.8 1.077 5 34.5 73.6 54.1 1.079 6 32.8 75.6 54.2 1.079 Nu u/(m/s) Re lnNu lnRe 103.7 35. 98.7 32.96 91.1 29.12 81.5 25.06 70.5 20.55 51.7 13.77 37854.1 35102.4 31402.8 27262.2 22397.4 15007.9 4. 10.54 4.59 10.47 4.51 10.35 4.40 10.21 4.25 10.02 3.95 9.62

由Nu=BRem, 可得lnNu=lnB+mlnRe

所以以lnNu——lnRe作图，可得一直线，直线的斜率是m,截距是lnB.

作图得，m=0.75 , lnB=-3.30677

所以B=0.0366

即 Nu=0.0366Re0.75

强化比的计算：

同一流量下，强化管的努塞尔准数Nu与普通管的努塞尔准数Nuo之比，即Nu/Nuo.

当流量等于40.60m3/h时，Nu=103.7, 当流量等于40.23m3/h时, Nuo=69.2.

所以强化比=103.7/69.2=1.50

实验数据处理过程：

以普通管第一组数据为例

孔板流量计压差ΔP=0.60kPa,进口温度t1=30.4℃，出口温度t2=67.1℃，壁面温度热电势4.59mV.

已知数据及有关常数：

(1)传热管内径di及流通段面积F

di=20.0mm=0.0200m

F=л(di2)/4=3.142*0.02002 /4=0.0003142m2

(2)传热管有效长度L及传热面积Si L=1.00m

Si=лLdi=3.142*1.00*0.0200=0.06284m2

(3) t1为孔板处空气的温度，为由此值查得空气的平均密度ρ

当t1=30.4℃时，ρ= kg/m3

(4)传热管，测量段上空气平均物性常数的确定

先算出测量段上空气的定性温度t /℃

t= （t1 +t2）/2=(30.4+67.1)/2=48.8 ℃

查得：

测量段上空气的平均密度ρ=1.097 （kg/m3）

测量段上空气的平均比热Cp=1005(J/kg·k)

测量段上空气的平均导热系数λ=0.02816 (w/m·k)

测量段上空气的平均黏度μ=19.5 (μPa·s)

测量段上空气的平均普朗特准数的0.4 次方为：Pr0.4=0.866

（5）空气流过测量段上平均体积V(m3/h)的计算：

Vto=20.243*(ΔP)0.5139=15.57(m3/h)

V=Vto*(273+t)/(273+ t1)=16.51(m3/h)

(6) 冷热流体间的平均温度差Δtm/℃的计算：

Tw=1.2705+23.518*4.59=109.2℃

Δtm= Tw-t=109.2-48.8=60.4℃

(7) 其余计算

传热速率 Q=V*ρ*Cpi*Δt/3600=15.57*1.097*1005*(67.1-30.4)/3600=185.6 w

α=Q/(Δtm Si)=185.6/(60.4*0.06284)=48.9 (w/m2·℃)

传热准数Nu=α*di/λ=48.9*0.0200/0.0283=34.7

测量段上空气的平均流速

u=V/(F*3600)=16.51/(0.0003142*3600)=14.60(m/s)

雷诺准数Re=di*u*ρ/μ=0.0200*14.60*1.097/0.0000195=126.9

(8)作图，回归得到准数关联式Nu=ARemPr0.4中的系数

绘制两个实验的Nu—Re的关系图：