化工原理の传热实验
一、实验目的
1、学习传热系数的测定方法；
2、学习传热膜系数及其准数联式的测定方法。
二、实验原理
本实验有套管换热器4套，列管式换热器4套，首先介绍套管换热器。
套管换热器管间进饱和蒸汽，冷凝放热以加热管内的空气，实验设备如图2-2-5-1（1）所示。
传热方式为：冷凝—传导—对流
1、传热系数可用下式计算：
(1)
图2-2-5-1（1） 套管换热器示意图
式中：q——传热速率[W]
A——传热面积[m2]
△tm—传热平均温差[K]
1传热速率q用下式计算：
（2）
式中：
——空气流量[m3/s]
Vh——空气流量[m3/h]
——空气密度[kg/m3]，以下式计算：
（3）
Pa——大气压[mmHg]
Rp——空气流量计前表压[mmHg]
t1——空气进换热器前的温度[℃]
Cp——空气比热[
]，查表或用下式计算：
（4）
tm=(t1+t2)/2——空气进出换热器温度的平均值（℃）
t2——空气出口温度[℃]
②传热平均面积A：
（5）
式中：dm=传热管平均直径[m]
L—传热管有效长度[m ]
③传热平均温度差△tm用逆流对数平均温差计算：
T←——T
t1——→t2
(6)
式中：T——蒸汽温度[℃]
2、传热膜系数（给热系数）及其关联式
空气在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数可用下面准数关联式表示：
（7）
式中：Nu——努塞尔特准数
Re——雷诺准数
Pr——普兰特准数
αo——系数，经验值为0.023
m——指数，经验值为0.8
n——指数，经验值为：流体被加热时n=0.4，流体被冷却n=0.3
为了测定传热膜系数，现对式（7）作进一步的分析：
（8）
α——空气与管壁间的传热膜系数[W/m2·k]
本实验可近似取α=K[传热系数]，也可用下式计算：
（9）
Ai——传热管内表面积[m2]
tW——管壁温[℃]
tm——空气进、出口平均温度[℃]
d——管内径[m]
λ——空气的导热系数[W/m·k]，查表或用下式计算：
λ=0.0244+7.8×10-5tm （10）
（11）
u——空气在加热管内的流速[m/s]
μ——空气定性温度（tm）下的粘度[pa·s]，查表或用下式计算：
μ=1.72×10-5+4.8×10-8tm （12）
d，ρ——意义同上。
（13）
Cp, μ, λ——意义同上
在定性温度tm=50~70℃时普兰特准数值Pr=0.698~0.694，取平均值为0.696，那么Prn=0.6960.4=0.865，代入式（7）即可得如下的实验关联式：
（14）
式中α=0.865αo，测定α、m值后，再算出αo值，即可得到本实验的准数关联式（7）的形式。
三、 实验流程
本实验套管换热器流程如图2-2-5-2（a）所示，它为双套管并装换热器，其中一套的内管为光滑铜管，另一套为螺纹铜管（图中只画出其中一套设备）。冷空气由风机1送入，经表压计2测定表压，流量计3测定流量，阀4调节气量，温度计5测定进口温度，进套管换热器6被加热，热空气出口温度由7测量。进套管间的蒸汽由温度计8测量温度，压力表9测定压强，阀10调节进汽量。冷凝水由疏水器12排除，管间的不凝气由放空管11定期排放。另外，管壁及各测温点还配有热电偶测温装置。
本实验列管换热器流程如图2-2-5-2（b）所示，冷空气由风机1送入，经阀2调节气量，气体流量计3测定流量并由气体加热器12将空气加热到指定温度，经温度计4测定进口温度后送入列管式换热器，冷却后的空气由温度计5测量温度，然后排出换热器；进换热器的水的流量由阀10调节，经液体流量计9测定流量及温度计6测定温度后进入换热器，冷热流体在列管的管壁上进行热量交换，经加热的水由温度计8测定温度后排出换热器。
1—风机 2—表压计 3—流量计 4—空气调节阀 5—进口温度计
6—换热器主体 7—出口温度计 8—蒸汽温度计 9—蒸汽压力表 10—蒸汽调节阀
11—不凝气放空管 12—疏水器
图2-2-5-2（a） 套管式传热实验装置流程图
实验装置结构参数
四、 实验步骤
1、向锅炉加水至指定水位，通电加热至锅炉产生蒸汽压1.5kg/cm2（表）左右，待用。
2、关闭调节阀4，起动风机1，慢慢开启阀4至最大，观察流量压差计3的最大读数量程，确定5—6组读数及每组读数的压差值。
3、开启蒸汽阀10进汽，压力表9控制在0.5[kg/cm2]（表）左右，同时打开放空阀11至有蒸汽排出时关闭。
4、按拟好的压差量程，空气的流量由大至小测取读数（但不能测流量为零的读数）每组读数包括空气流量、表压、进出口温度和蒸汽进口温度。若用液体温度计测温度，要求读到0.1℃，若用热电偶测温，可由电位差计的读数查表而得温度。
5、数据测量完毕，先关蒸汽后停风机。
6、由测得的流量压差读数，根据流量曲线图查出相应的流量。
五、实验报告要求
1、计算传热系数K值。
2、计算Nu准数及Re准数，并用下列方法之一关联出传热膜系数的通用关联式。
(a)在双对数坐标纸上关联；
(b)用最小二乘法关联。
六、原始数据及数据处理：
传热膜系数Nu的测定及双对数坐标关联
七、计算举例说明：
密度：=
空气比热：
速率：
传热平均面积：
平均温度差：
传热系数：
雷诺数：
普拉特准数：
八、对实验结果进行分析与讨论。
从图像中线性回归方程的相关系数来看，实验数据结果不是很准确。产生误差的来源很多，读数不稳定 、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热流量值下降等都使结果有一定的偏差。而且在处理数据时，采用很多近似处理，而实际实验时很多的条件并不稳定。在实验过程中采用改变空气流量来调节，但是在改变空气流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气出口温度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气出口温度才会稳定，而我们测定的温度一定要是这个稳定的温度，所以在测定中没有经过足够长的时间导致测定的温度不是稳定的温度，所以实验时要注意等待五分钟待数据比较稳定时，这样实验结果就比较准确
九、注意事项：
1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
2、必须保证蒸汽上升管线的畅通。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3、必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图1所示）必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
4、调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。
5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热
十、讨论
1、对比不同操作条件下的传热洗漱，分析数值，可得出什么结论？
答：K值总是接近热阻大的流体侧的∝值，实验中，提高空气侧的∝值以提高K值。
2、针对该系统，如何强化传热过程才更有效，为什么？
答：提高对传热系数∝值，如提高空气流速，内管加入填充物或者螺纹管。加热面在上，制冷面在下。
3、传热实验为什么用Nu-Re代替Nu-空气流速？
答：这就是准则数的好处所在，根据相似原理得出的准则数可以减少实验次数。比如说Re涉及到流速，粘度，和定型尺寸，他们有很多组合，如果每种组合都做实验，会花费大量的时间和精力。而当Re=1000时候，有很种组合，都会得到。
而且根据相似理论，当Re相同时，他们对换热的影响是一直的。
如果用空气流速，只考虑了速度，而没有考虑因为温度影响而有差异的物性，还有几何形状，就很不全面。
4、在传热实验中,采用什么办法可以提高K值?蒸汽与空气换热K值取决于哪种流体,为什么?
答：增强换热器传热效果最积极的措施就是设法提高设备的传热系数（K）。
换热器传热系数（K）的大小实际上是由传热过程总热阻的大小来决定，换热器传热过程中的总热阻越大，换热器传热系数（K）值也就越低；换热器传热系数（K）值越低，换热器传热效果也就越差。
换热器在使用过程中，其总热阻是各项分热阻的叠加，所以要改变传热系数就必须分析传热过程的每一项分热阻。如何控制换热器传热过程的每一项分热阻是决定换热器传热系数的关键。
5、为什么每改变一次流量都要等5-6分钟才能读取数据？
答：为使系统的换热充分恒定。
十一、思考题
（1）影响传热膜系数的因素有哪些？
答：膜的厚度，液体的物性，以及压力温度。还有材料的分子结构及其化学成份、材料重度、材料湿度状况和温度状况。
（2）在蒸气冷凝时，若存在不凝性气体，你认为将会有什么影响？应该采取什么措施？
答：对换热系数影响很大，一般想办法除去，比如溴化锂吸收式制冷机均陪伴真空泵，其作用就是及时排除系统内的不凝性气体。1）会由于空气中含有水分造成冰堵。冰堵不单使制冷效率下降。而且会导致系统停机。压力不断降低，还会损坏压缩机。2）空气混入压缩腔，由于空气中含有不凝性气体，如氮气。这些不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。3）并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。
（3）本实验中所测定的壁面温度是靠近蒸气侧的温度，还是接近空气侧的温度？为什么？
答：壁面温度是靠近蒸汽温度。应为壁面温度接近于对流传热系数大的一侧的温度，而在实验过程中是以
，所以
，所以壁面温度接近于蒸汽温度。
（4）在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？
答：空气和蒸汽的流向，冷凝水不及时排走，蒸汽冷凝过程中，存在不冷凝气体，对传热的有影响等。
（5）当空气流速增大时，空气离开换热器的温度将升高还是降低？为什么？
答：在换热器热源不变的情况下，当空气流速增大时空气离开换热器的温度会变低。原因是换热时间不足。但也有可能不变，即但热源温度足够高时。
（6）本实验中空气和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？
答：是有影响的，一般逆流比顺流传热效果好，紊流比层流传热效果好。
第二篇：化工原理传热实验数据处理
长春工业大学
化工原理传热试验数据处理
化学工程学院
高分子材料与工程专业
090604班
自己做的，如有错误，敬请谅解
六、原始数据记录
直管换热
加混合器
换热管内径d=0.021m，长度L=1.25m
数据处理
(1)对于直管换热器
以第四组数据为例计算
Δt= t2-t1=72.40℃-58.30℃=14.10℃
Δtm= 
= 
= 33.15℃
查表得ρ=1.09㎏/㎡
Cp=1.005㎏/㎏·K
λ=27.28mol/m·K
μ=18.85uPa·s
根据公式
Vs=26.2Δp^0.54=26.2×0.93^0.54m³/h=25.19 m³/h
换热管截面积
S=πd ²/4=3.14×0.021 ²/4m ²=0.000346m ²
那么u=Vs/S=25.19/0.000346/3600m/s=20.23m/s
Q=Wcp(t2-t1)/3600=ρVscp(t2-t1)/3600
=1.09×25.19×1.005×14.10/3600kW
=0.1089kW=108.9W
又Q=αAΔtm A=πdL=3.14×0.021×1.25= 0.082467
得α=Q/（AΔtm）
=108.9/( 0.082467×33.15)=39.56W/㎝²·℃
Re=duρ/μ=0.021×20.23×1.09/18.85×1000000=24560.54
Pr=Cpμ/λ=1.005×18.85/1000000/27.28=0.694
Nu=αd/λ=39.56×0.021/27.28=30.45
=0.864
Nu/ =35.233
(2)对于直管换热器
以第五组数据为例计算
Δt= t2-t1=83.30℃-63.30℃=20.00℃
Δtm= = 
=24.18℃
查表得ρ=1.08㎏/㎡
Cp=1.009㎏/㎏·K
λ=28.12mol/m·K
μ=19.28uPa·s
根据公式
Vs=26.2Δp^0.54=26.2×0.54^0.54m³/h=18.78 m³/h
换热管截面积
S=πd ²/4=3.14×0.021 ²/4m ²=0.000346m ²
那么u=Vs/S=18.78/0.000346/3600m/s=15.08m/s
Q=Wcp(t2-t1)/3600=ρVscp(t2-t1)/3600
=1.08×18.78×1.009×20.00/3600kW
=0.11372kW=113.72W
又Q=αAΔtm A=πdL=3.14×0.021×1.25= 0.082467
得α=Q/（AΔtm）
=113.72/( 0.082467×24.18)=57.05W/㎝²·℃
Re=duρ/μ=0.021×15.08×1.08/19.28×1000000=17739.91
Pr=Cpμ/λ=1.005×19.28/1000000/28.12=0.692
Nu=αd/λ=57.05×0.021/28.12=42.61
=0.863
Nu/ =49.375
直管换热
加混合器
根据以上计算得其他组数据如下
根据以上计算得其他组数据如下
数据分析
(1）根据以上数据在双对数坐标系上绘出Nu/Pr^0.4-Re的关系线如下
（2）直管换热传热膜半经验关联式为Nu=0.008Re0.84Pr0.4
加混合器传热膜半经验关联式为Nu=0.001 Re1.08Pr0.4
（3）对于直管换热由公式：
可以看出
A=0.008,m=0.84
将实验得到关联式数据的与公认的关联式相比较：
A的百分差：（0.023-0.008）/0.023=65.2％
m的百分差：（0.84-0.8）/0.8=5％
对于加混合器换热由公式：可以看出A=0.001,m=1.08
将实验得到关联式数据的与公认的关联式相比较：
A的百分差：（0.023-0.001）/0.023=95.7％
m的百分差：（1.08-0.8）/0.8=35％