实验报告

课程名称：__过程工程原理实验（甲）I__  指导老师：____  成绩：__________

实验名称：传热综合实验         实验类型：工程实验   同组学生姓名：_______  

一、实验目的和内容                                        二、实验装置与流程示意图

三、实验的理论依据（实验原理）                四、注意事项                 

五、原始记录数据表                                  六、整理计算数据表          

七、数据整理计算过程举例                八、实验结论

九、实验结果的分析和讨论

一、实验目的和内容

1、掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。

2、把测得的数据整理成形势的准数方程，并与教材中相应公式进行比较。

3、了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验装置与流程示意图

本实验装置流程如图1由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。

图1      竖管对流传热系数测定实验装置流程图

表1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表

      空气-水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行换热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器内管，热交换后从风机出口排出。

      注意：本实验中，普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。

三、实验的理论依据（实验原理）

在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。

空气在传热管内对流传热系数的测定

 如图2所示，间壁式传热过程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所组成。

图2      间壁式传热过程示意图

间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有

热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：

热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：

冷流体（空气）的质量流量可由（5）式计算：

注意：空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度r₀当作1kg/m³时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正：

当内管材料导热性能很好，即l值很大，且管壁厚度较薄时，可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等，即T_W2» t_W1，T_W1» t_W2,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：

即：                 

一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。下面介绍其他两种测定对流传热系数a₂的实验方法。

（1）近似法求算空气侧对流传热系数a₂。

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：

总传热系数K可由式（1）求得：

用本装置进行实验室时，换热管外侧、管壁，内侧污垢热阻均忽略不急，则可由式（9）近似得出：

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所求得的结果准确性越高。

准数方程式

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：

式中：Nu—努塞尔数，，无因次；

Re—雷诺数 ，，无因次；

Pr—普兰特数，，无因次；

上式适用范围为：Re＝1.0×10⁴～1.2×10⁵，Pr＝0.7～120，管长与管内径之比L/d≥60。当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3。

故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu~Re直线，确定Nu=BReⁿ的拟合方程，并与公认的经验公式进行对比，以验证实验效果。

通过普通管和强化传热管实验结果的对比，分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。

四、注意事项

  (1)开始加热功率可以很大，但当温度达到100℃左右，有大量不凝气体排出时，加热电压一般控制在250V左右。

（2）实际实验管路要和仪表柜上选择开关及计算机上的显示一致，否则实验失败。

（3）实验中不凝气体阀门和冷凝水阀门要一直开启，防止积水，影响实验效果。

（4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下。一般传热稳定时间都至少需保证8分钟以上，以保证数据的可靠性（第一组数据的测定至少稳定15分钟）。

（5）实验过程中，要确保蒸汽发生器内水位不能低于警戒水位。

五、数据处理

 普通管原始数据

处理数据50～60℃下空气热容为1005J/(kg·K)，导热系数为0.0285/[W/(m·K)]

空气粘度为1.97×10^-5/Pa·s

在双对数坐标内做Nu~Re图像为：

Nu=0.001 Re^1.032

强化管实验数据处理

原始数据

处理数据

在双对数坐标内做Nu~Re图像为：

6 实验结果分析：

6.1准数方程式：   

根据图像及双对数坐标下直线方程，可得：

对于普通管，有Nu=0.001 Re^1.032；

对于强化管，有Nu=0.036 Re^0.772。

  6.2 结果分析： 

6.2.1 从实验结果可以发现，热流体流速越大，横管对流传热系数越大，热量交换越迅速，越明显，换热效果也越好。另外，随着热流体温度的升高，平均温差变化很小，可以认为基本上没有发生变化，故在生产中在负载允许的情况下，应适当增大流速，以更好地换热任务。

6.2.2 在管内加装弹簧，增大空气流动时的湍流程度后，空气在换热过程中所获得的热量增大，所以强化管的α较普通管有明显的增大，说明传热效果更好。因此在工程上，使用列管式换热器时，常通过增加壳程挡板来增大湍流程度，以获得更好的换热效果。

6.2.3 通过加弹簧方法来提高传热效果，由于污垢不断积累所产生的热阻和流体运行阻力的增加，使得效果的提高并没有想象中那么理想，所以实际生产中很少用这样的方法。

6.3 误差分析：

无论是普通管还是强化管，实验得到的Nu与Re的关系式与公认的经验式（Nu=0.02Re^0.8）有一定的偏差。分析起来，产生偏差的主要原因可能有：

（1）测量仪器本身的系统误差和外界因素的干扰。比如由于长期有人做实验，导致管内污垢层积，使管内热阻增大，导致测得的数据发生偏离。

（2）实验数据处理过程中，假设内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，所以可以认为同一截面处换热管两侧壁温近似相等，即：， 而实际上内管材料的性能究竟有没有这么好，有待确定。

（3）测定实验数据时，要求在稳定传热状态下，要求稳定时间在8min以上，而事实上测量数据的时候，在温度稳定5min左右就已经开始采集数据，而有可能此时传热尚未达到真正的稳定。即使每次数据都在度数稳定8min采集，也不能保证此时传热已经稳定，因为过程工程原理实验是工程实验，实验结果受实际复杂情况影响较大。    

 （4）数据处理的时候也会引入一定的误差。

  6.4思考题：

6.4.1 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？

在不考虑错流和折流的情况下，实验中冷流体和蒸汽的流向有两种：一种是两者流动方向相同，即并流；另一种是两者流动方向相反，即逆流。

这两种情况的传热效果是不相同的，因为在同样的进、出口温度下，逆流的传热温差比并流的大，所以当传热管的传热面积和传热系数不变时，逆流时传热速率更大，传热效果也更好。

6.4.2 在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？

不一致。计算冷流体质量流量时的密度是孔板流量计测压的地方的温度对应的密度，应该将压力换算到常压下进行计算。本实验测压处的压力近似认为是常压。

求雷诺数时，所也用的密度是传热管中的定性温度所对应的气体密度，它所表示的是管内空气的平均温度。在处理数据的时候，将雷诺数Re的公式进行转化：

6.4.3 实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？

冷凝水不及时排走将会附着在管壁上，由于水的导热性能远差于紫铜，所以未及时排走的冷凝水将降低传热的速率，使传热效果变差。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t均增加，其它参数不变，故 (ρ²gλ³r/μd₀△t)^1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。

要及时排走冷凝水，可以使管束有一定的倾斜，同时也可以设置冷凝液排泄挡板和改善冷凝表面状况等。

7 讨论心得：

  7.1 对间壁式传热器的认识：间壁式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。按照结构区分，可分为管式和板式，实验中所用为管式，且是横管。

  7.2 对强化传热的认识：强化传热的目的是用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。从传热速率方程可以看出，增大传热系数、扩展传热面积和增大传热平均温差均可提高传热效率。

第二篇：《化工原理》(C)教学大纲

《化工原理D（64学时）》教学大纲

英文名称：Principle of Chemical Engineering

学 分：4 学 时：64 学时 理论学时：48学时 实验学时：16 学时 先修课程：高等数学、普通物理、物理化学、无机化学、有机化学

适用专业：自动化、轻化工程、化学等专业

教学目的：

本课程是在学生学完预修课程: 高等数学、物理学和物理化学等课程学习的基础上开设的一门专业基础课，是一门工程学科的课程。使学生掌握研究化工生产中各种单元操作的基本原理，过程设备和计算方法。培养学生具有运用课程有关理论来分析和解决化工生产过程中常见实际问题的能力。并为后续专业课程的学习打下必要的基础。

教学要求：

1． 熟练掌握最基本的单元操作的基本概念和基础理论，对单元过程的典

型设备具备基础的判断和选择能力；

2． 掌握本大纲所要求的单元操作的常规计算方法，常见过程的计算和典

型设备的设计计算或选型；

3． 熟悉运用过程的基本原理，根据生产上的具体要求，对各单元操作进

行调节；

4． 了解化工生产的各单元操作中的故障，能够寻找和分析原因，并提出

消除故障和改进过程及设备的途径。

教学内容：

绪论（2学时）

1．化工过程与单元操作的关系

化工生产过程的特点 化工工艺学与化学工程学的性质

单元操作的任务

2．《化工原理》课程的性质，内容

基础理论 典型单元操作 相关课程

3．《化工原理》课程规律和重要基础概念

物料衡算 能量衡算 单位换算和公式转换 平衡关系 过程速率 经济效益 基本要求：

了解《化工原理》课程的性质和学习要求。

重 点：

化工原理课程中三大单元操作的分类和过程速率的重要概念的内涵。

难 点：

使学生通过对课程性质的了解，把基础课程的学习思维逐步转移到对专业技术课程的学习上，在经济效益观点的指导下建立起“工程”观念。

第一章 流体流动（14学时）

1．概述

流体的特性 连续介质模型

2．流体静力学原理和应用

流体密度 流体静压强 流体静力学基本方程 U型压差计

3．流体流动中的守恒定律

流体流动的连续性方程及其应用 定态流动

1

柏努利方程及其几何意义和应用 流线与轨线

4．流体流动的阻力

管流现象 流动型态——层流和湍流

雷诺数的物理意义和临界值 流动阻力分析 管流阻力计算

牛顿粘性定律 管流速度分布 边界层的发展和和分离

5．流体流动阻力的计算

直管阻力计算式 层流时的摩擦系数 湍流时的摩擦系数

海根-泊稷叶公式 布拉修斯公式 范宁公式

局部阻力系数法和当量长度法 非圆管道的当量直径计算法

因次分析法 Moody图及其使用

6．管路计算

简单管路与复杂管路 简单管路计算的方程组

管路的设计型计算 管路的操作型计算

空气、水在管中的常用流速范围 简单管路的典型试算法

7．流速和流量的测量

皮托管 孔板流量计 文丘里流量计 转子流量计

基本要求：

熟练掌握流体静力学基本方程式，连续性方程式和柏努利方程式及其应用；正确理解流体的流动类型和流动阻力的概念；掌握流体流动阻力的计算，简单管路的设计型计算和输送能力的核算。了解测速管，文丘里流量计,孔板流量计和转子流量计的工作原理和基本计算。 重 点：

流体流动过程中的基本原理及流体在管内的流动规律；柏努利方程式的应用；流体在管道内的流动阻力产生的原因和摩擦阻力的计算；简单管路的计算。

难 点：

流体的不同流型的摩擦系数及其计算，简单管路的设计型计算和输送能力的核算。

第二章 流体输送机械（6学时）

1．离心泵的结构和工作原理

叶轮的构造及其类型 泵壳的作用 气缚现象与灌泵

2．离心泵的性能参数和特性曲线及影响因素

泵的流量、扬程、 轴功率和效率参数 升扬高度 扬程、轴功率

效率与流量的关系曲线 泵的设计点和离心泵的铭牌参数

液体物理性质对特性曲线的影响

泵的转速和叶轮直径对特性曲线的影响

3．离心泵的工作点和流量调节

管路特性曲线方程式 改变阀门的开度、改变泵的转速及叶轮直径对离心泵工作点的影响 离心泵的串联和并联

4．离心泵的安装和选型

汽蚀现象 安装高度 离心泵的类型 离心泵的选型

5．其他类型的流体输送机械

往复泵 风机

基本要求：

掌握离心泵的性能参数、泵的特性曲线、工作点和流量调节；了解离心泵安装高度的确定原则；正确选用离心泵的型号。

重 点：

离心泵的特性曲线及其影响因素 ; 管路特性曲线方程式。

2

难 点：

离心泵的工作点的改变 ; 离心泵安装高度的计算。

第三章 传热及换热器（12学时）

1．概 述

传热的基本方式 冷、热流体热交换的形式 传热速率和热通量及其相互关系 传热在化工生产中的应用

2．热传导

温度场与傅立叶定律 导热系数的物理意义 温度和压力对导热系数的影响 平壁和圆筒壁的热传导过程的特点 壁内温度分布形式 接触热阻

热传导速率的计算式

3．对流传热

对流传热过程分析 对流传热过程的分类 牛顿冷却定律

影响对流传热系数的主要因素 无相变化流体的对流传热系数准数关联式

有相变化流体的传热系数关联式 对流传热系数的一般范围

传热系数计算公式中的解析方法、因次分析法和纯经验法的应用

4．传热过程计算

冷、热流体间壁传热过程的分解 传热速率方程式及其物理意义

无相变化与有相变化时热负荷的计算 恒温传热与变温传热平均温差的计算 推导对数平均温度差的简化假设条件 总传热系数的意义和计算

传热面积的计算与壁温的估算

换热器的设计型计算 换热器的核算型计算

5．换热器

换热器的分类 传热过程的强化途径 换热器的设计与选型

基本要求：

熟练掌握热传导的基本原理，傅立利定律，平壁与圆筒壁的稳定热传导及计算，掌握对流传热的基本原理，牛顿冷却定律，对流传热系数关联式的用法和条件；熟练运用传热速率方程并对热负荷、平均温度差、总传热系数进行计算；要求能够根据计算结果及工艺要求选用合适的换热器。了解列管换热器的结构特点及其应用。

重 点：

傅立叶定律及其一维稳态热传导应用；牛顿冷却定律和影响对流传热系数的主要因素；流体在圆形直管内强制湍流传热及对流传热系数的计算；换热器的热负荷计算，对数平均温度差的计算；总传热系数的计算；换热器的设计型计算。

难 点：

传热过程中传热速率、传热推动力和热阻的基本概念；流体的相态的物理性质，流动状况和类型以及传热设备的型式对对流传热过程的影响；对流传热系数的类比法的应用，换热器的总传热系数与对流传热系数的关系及其简化应用；换热器的核算型计算。

第五章 液 体 蒸 馏（12学时）

1．概述

蒸馏原理与蒸馏操作 闪蒸

2．双组分体系的汽液平衡

理想体系的汽液平衡 非理想体系的汽液平衡

3．双组分简单蒸馏

简单蒸馏

4．双组分连续精馏

3

连续精馏原理与过程分析 基本型连续精馏塔的设计型和操作型计算

其它类型的连续精馏

基本要求:

了解蒸馏与蒸发的区别；掌握相对挥发的定义；了解闪蒸的原理；掌握用安托因方程计算平衡的汽液相组成；掌握 “t~x~y”图线、泡点线和露点线；了解总压对泡点线和露点线的影响；了解正、负偏差溶液的形成和特点。了解简单蒸馏的计算；掌握精馏原理及回流的定义；掌握全塔物料衡算；掌握恒摩尔流假设；掌握五种进料状态；掌握平衡线、q线、精馏段操作线和提馏段操作线；掌握理论板的定义及全塔效率的概念。掌握全回流、最小回流比和最佳加料板位置的概念；掌握进料状态对理论塔板数的影响；掌握设计型计算中图解法、逐板计算法求解理论塔板数的方法；了解吉利兰快速估值法和芬斯克方程求最少理论塔板数。在操作型计算中，掌握进料浓度、回流比的变化对塔顶产品和塔底产品的影响。了解直接蒸汽加热、分凝器、冷液回流、侧线出料和回收塔各自的特点。

重 点:

相对挥发度 , “t~x~y”图线 , 精馏原理 , 恒摩尔流假设 , 进料状态 , 操作线方程 , 操作型计算和设计型计算。

难 点:

“t~x~y”图线 , 精馏原理 , 操作型计算与判断。

第六章 气 液 传 质 设 备（2学时）

1． 概述

塔设备的分类 塔设备的性能指标

2． 填料塔

填料塔的结构 填料的种类 填料塔的流体力学性能和气液传质

填料塔附件 等板高度

3． 板式塔

板式塔的结构 塔板的型式 塔板的流体力学性能 塔板效率

4． 填料塔和板式塔的比较

两种塔型的异同点 塔型的选择

基本要求：

了解填料塔和板式塔的主要构件；掌握塔内气液两相的流动状况和传质特性；了解常见的不正常操作情况和评价设备的基本性能；熟悉常规塔设备的一般计算方法。

重 点：

气体通过填料层的压力降；影响泛点气速的主要因素。板式塔的负荷性能图；筛板塔的设计。

难 点：

填料塔压降通用关联图及其应用；板式塔的操作参数与塔板结构尺寸的关系。

实验教学： 1.流体流动阻力测定实验（4学时）

基本要求：

测定流体流过光滑管与粗糙管的直管阻力，作出实测的摩擦系数与雷诺数曲线，并与教材中推荐的经验曲线或理论关系曲线相比较；测出一定开启度的闸阀的局部阻力系数数值。

重 点：

4

保证实验中的流动稳定，正确读取转子流量计读数和Ｕ型压差计及压差传感器的读数。

难 点：

实验系统的气体排除，倒Ｕ型管压差计及压差传感器的使用。

2.离心泵性能特性曲线测定实验（４学时） 基本要求：

测定离心泵在一定转速下输送水的特性曲线，即压头、轴功率和泵效率与流量曲线。 重 点：

了解离心泵的结构，操作要点；仪器的使用方法各操作参数的测定方法。

难 点：

离心泵的灌泵和启动；真空表和压力表的正确读数；涡轮流量计的正确使用；扭矩仪及压差传感器的正确读数。

3.对流给热系数测定实验（4学时）

基本要求:

观察水蒸气在管外壁面冷凝的现象;学会用热电阻测量内管壁温的原理及测定方法,测出“水与水蒸汽”或“空气与水蒸汽”体系的传热膜系数，并与由经验式计算值相比较。

重 点：

了解套管换热器的结构；蒸汽中冷凝水和不凝性气体排放；流体流量的稳定；热电阻的温度正确读取。

难 点：

保持蒸汽压力恒定；使传热处于稳定状态；冷凝液的液面恒定。

4.精馏实验（4学时）

基本要求:

掌握双组分连续精馏塔的实验原理及测定方法,测定“乙醇与水”体系的全塔效率或等板高度。

重 点：

了解精馏塔的结构；全回流条件下的总板效率或等板高度的测定。

难 点：

非理想物系的理论塔板数的求取。

考核方式：

理论课闭卷考试，实验成绩结合实验操作和实验报告得到。

总平成绩结合理论考试和实验成绩得到。

考题出自全国《化工原理》专业指导委员会编制的试题库。

参考教材：

1．管国锋,赵汝溥.《化工原理》(第二版)，化学工业出版社，2003

2．冯晖,居沈贵,夏毅.《化工原理实验》，东南大学出版社，2003

3．陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋.《化工原理》上册(第二版),化学工业出版社，1999

4．陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋.《化工原理》下册(第二版)，化学工业出版社，2000

5. 柴诚敬,张国亮.《化工流体流动与传热》，化学工业出版社，2000

6. 贾绍义,柴诚敬.《化工传质与分离过程》，化学工业出版社，2001

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