实验名称    传热实验 

一、实验目的

1、加深对传热过程的理解。了解实验流程，各设备（风机、蒸汽发生器、套管换热器）结构。

2、学习并掌握传热系数K、对流传热系数α的测定方法。

3、学会用最小二乘法或作图法确定准数关系式中             常数A和指数m。

4、比较传热效果，了解工程上强化传热的措施。

5、培养工程观念、动手能力和其它综合素质。

二、实验装置、流程及操作说明

1、传热装置

双套管传热实验流程图

温度：t₁—气温（校正用），t₂—套管进气温度，t₃—进口截面壁温

      t₄—套管出气温度， t₅—出口截面壁温，

t₆—蒸汽发生器内水温=管外蒸汽温度

说明：因为蒸汽与大气相通，蒸汽发生器内为接近常压，因此t₆也可看作管外饱和蒸汽温度。

压力：进气压力膜盒压力表（校正流量用），蒸汽发生器压力传感器（控制蒸气量用）

阀门：F₁、F₂—放空阀，F₃、F₄—冷空气进口阀，F₅、F₆—蒸汽进口阀

说明：在风机启动时，必须保证F₁、F₂是开启状态，F₃或F₄有一个是全开，一个全关闭。在启动加热电源时，必须保证F₅或F₆一个全开，一个全关。

2、流程说明：

本装置主体套管换热器内由一根紫铜管，外套管由抛光不锈钢制作。两端法兰连接，在外套管上为方便观察管内蒸汽冷凝情况，设置有两对视盅，后视盅有源照明。管内铜管测点间有效长度1000（毫米）。下套管换热器内有弹簧螺纹，作为管内强化传热与上光滑管内无强化传热进行比较。

空气由风机送来，经转子流量计后进入被加热铜管进行加热升温，自另一端排出放空。在进出口两个截面上，在铜管管壁内和管内空气中心分别装有2支热电阻，可分别测出两个截面上的壁温和管中心的气温；一个热电阻t1可将转子流量计前进口的气温测出，一个热电阻可将蒸汽温度t6测出，其分别用1、2、3、4、5、6来表示，如图示。

蒸汽来源蒸汽发生器，内装有一组2kw加热源，由调压器控制加热电压以便控制加热蒸汽量。蒸汽进入套管换热器的铜管外套，冷凝释放潜热，为防止蒸汽内有不凝气体设置有放空口，以排出少部分蒸汽为代价，而冷凝液则回流到蒸汽发生器内再利用。

3.有关设备仪表参数：

        旋涡气泵：风压14kPa， 风量72m³/h ，750w

        套管换热器：内加热紫铜管：φ22×2，有效加热长1000 mm

　　                外抛光不锈钢套管：φ100×2

        蒸汽发生器：容积10 升，可调电加热：2 kw

                    操作压力：常压（配0—2500Pa膜盒压力表）

        转子流量计：LZB-40，4—40m³/h

        调压器：2kw固态模块调压

        电阻传感器：Pt100

        温度数显仪表：温度巡检仪表，显示精度0.1℃

        压力传感器：0—2500Pa

膜盒压力表：0—6000Pa

本实验消耗和自备设施：   蒸馏水：  电负荷：2.75 kw

三、实验原理

1、管内Nu、α的测定计算

⑴、管内空气质量流量的计算G  [kg/s]

    空气转子流量计的标定条件：P₀=101325  Pa

                              T₀ =273+20  K

                              ρ₀=1.205   kg/m³

空气转子流量计的实际条件：P₁=P₀+ΔP   Pa 

 ΔP—为进气压力表读数

                           T₁ =273+t₁    K    t₁—为进气温度

                               kg/m³

则实际风量为：

管内空气的质量流量为：G=V₁*ρ₁  [kg/s]

⑵、管内雷诺数Re的计算

因为空气在管内流动时，其温度、密度、风速均发生变化，而质量流量却为定值，因此，其雷诺数计算按下式进行：

上式中的物性数据μ可按管内定性温度t_定=(t₂+t₄)/2求出。

⑶、热负荷计算

套管换热器在管外蒸汽和管内空气的换热过程中，管外蒸汽冷凝释放出潜热传递给管内空气，我们以空气为恒算物料流进行换热器的热负荷计算：

根据热量衡算式： q=G*Cp*Δt

Δt——空气的温升 Δt=t₄-t₂   [℃]

C_p——定性温度下的空气恒压比热[kJ/kg ^. K]

G——空气的质量流量[kg/s]

    管内定性温度t_定=(t₂+t₄)/2

⑷、α测定、努塞尔特准数Nu测定值

又由传热速度方程：q=αAΔt_m

α_测定= 

     

式中：A——管内表面积 A=d_iπL    [m²]  d_i=18mm  L=1000 mm

Δt_m——管内平均温度差Δt_m=

 

⑸、α经验计算、努塞尔特准数Nu计算值：

 α=0.023Re^0.8Pr^0.4

 

上式中的物性数据λ，P_r均按管内定性温度求出。

Nu_计算=0.023 Re^0.8Pr^0.4

2、管外α的测定计算

⑴、管外α测定值

已知管内热负荷q

管外蒸汽冷凝传热速率方程为：q=α₀AΔt_m

α_0测定=

式中：A—管外表面积 A=d₀πL  [m²]  d₀=22mm，L=1000mm

Δt_m—管外平均温度差

⑵、管外α的计算值

根据蒸汽在单根水平圆管外按膜状冷凝传热膜系数计算公式计算出：

上式中有关水的物性数据均按管外膜平均温度查取。

 

3、总传热系数K的测定

（1）K测定：

已知管内热负荷q ，又据总传热方程：q=KAΔt_m 

式中：A—管外表面积 A=d₀πL   [m²]

 Δt_m—管外平均温度差Δt_m=

（2）K计算：（以管外表面积为基准）

式中：  R₁，R₀——管内外污垢热阻，可忽略不计。     

λ——铜导热系数380 [w/m²K]

由于污垢热阻可忽略，而铜管管壁热阻也可忽略（铜导热系数很大且铜壁不厚，若同学有兴趣完全可以计算出来此项比较），上式可简化为：

四、实验步骤

1、检查

检查阀门：风机放空阀F₁和F₂是否处于全开状态；F₄全开F₃全关；F₆全开F₅全关；（先作上边光滑管）

检查水位：蒸汽发生器内的水是否合适（液面应处于液位计的90%—70%，水少需要补充蒸馏水）。

2、打开电加热开关，调节压力控制在1000—1200Pa之间开始加热。

3、当t3≥97℃时，启动风机开关，逐渐关小放空阀F1或F2开始送气，调节风量至予定值，当温度显示仪表上所显示的各点温度基本稳定后，一般每个点约需要1分钟。记录光滑管各数据。

风量调节按12，14，17，20，24，28，32

光滑管做完后，开始做下边的螺纹管。

1、阀门切换

   蒸汽转换：全开F₅关闭F₆；

   风量切换：开大F₁和F₂，全开F₃，关闭F₄。

2、当t₃≥97℃时，逐渐关小放空阀F₁或F₂开始送气，调节风量至予定值，当温度显示仪表上所显示的各点温度基本稳定后，一般每个点约需要2分钟。记录螺纹管各数据。

   风量调节按10，12，14，17，20，24，28

3、实验结束时，先关闭电加热开关。再徐徐开启F₁和F₂放空阀，当转子完全落下时，再关闭风机电源。

警告：

实验前应检查蒸汽发生器内蒸馏水是否足够（必须加注蒸馏水）。

提示：

1、一般按要求加蒸馏水可满足一到两次次实验用水消耗量。当连续做实验时，在加水时，应先将加热电压关闭，使蒸汽发生器压力趋于零时，烧杯加蒸馏水到合适为止。

2、风机启动前，必须保证出口风管上的放空阀打开，以防风量突然升高而损坏转子流量计。

五、综合性设计性方案

实验任务书一

强化传热的途径探讨，螺纹管强化传热的研究

（1）查阅资料，概述强化传热的途径。

（2）以实验室提供的普通套管换热器和螺纹套管换热器为例，设计一实验方案，测定不同流速下的普通套管换热器或螺纹套管换热器的对流传热系数   ，通过实验数据说明，本实验要提高传热效果，可采取哪些措施。

（3）用作图法关联出上述两种管Nu=ARe^mPr^0.4中的系数 A、m的值。

（4）传热系数随着雷诺数的增大而增大，试分析是否存在最佳的操作雷诺数。

实验任务书二

对流给热系数的测定与列管换热器设计（适用于普通管）

（1）设计一列管换热器，用100℃ 的水蒸气将空气加热至70℃ ，空气来源于周围环境，流量分别为2000m³/h 、3000 m³/h 。

（2）为了给设计提供空气的对流给热系数，利用实验室现有的套管换热器，设计适宜的实验方案测定空气在圆管内传热的对流传热系数。

（3）根据当地气候条件确定空气进口温度，进行列管换热器的设计，给出列管换热器的主要结构参数，如管数、管程数、壳程数、管子直径、壁厚、管长、裕度、具体型号等，并校核空气流速与阻力。

实验任务书三

对流给热系数的测定与套管换热器设计（适用于螺纹管）

（1）设计一螺纹套管换热器，用于预热空气，加热介质为100℃ 的水蒸气，需将空气加热至90℃，空气来源于周围环境，流量分别为15m³/h 、20 m³/h。

（2）制定适宜的实验方案，测定螺纹管内空气的对流传热系数。

（3）根据当地气候条件确定空气进口温度和适宜的空气流速，进行套管换热器的设计，给出套管换热器的主要结构参数，如内管直径、内管壁厚、管长等，并校核其阻力。

六、实验数据记录及处理

表1 原始数据：

管内径= 18 mm  管外径=  22mm    

管长    1000mm   大气压=101325  Pa

表格自己设计

本实验在厂内经过调试数据见附页，现以第1组数据为计算示例：

第1组 原始数据：

管内径= 18 mm  管外径=  22mm    管长    1000mm   大气压=101325  Pa

1、管内Nu、α的测定计算

    管内定性温度：t=(t2+t4)/2=(29.4+72.2)/2=50.8

    管内空气物性数据：λ=0.02828 [W/mk] μ=19.65×10^-6  [PaS]  Pr=0.6961

⑴、管内空气质量流量的计算G  [kg/s]

空气转子流量计的实际条件：

P₁=P₀+ΔP=101325+1300=102625  Pa

              T₁ =273+t1=273+29.7=302.7   K

                kg/m³

    则实际风量为：

管内空气的质量流量为：G==10.10*1.181=11.93  [kg/h]

⑵、管内雷诺数Re的计算

⑶、α测定、努塞尔特准数Nu测定值

    热负荷：q=GCpΔt=11.93/3600*1005*(72.2-29.4)=142.6  [W]

α_测定=

式中：管内表面积 A=diπL=0.018*3.1416*1.0=0.05655   m²

空气的温升 Δt=t4-t2=72.2-29.4=42.8    ℃

管内平均温度差

Δt_m= 

   

⑷、α经验计算、努塞尔特准数Nu计算值：

 Nu_计算=0.023 Re^0.8Pr^0.4=0.023*11930^0.8*0.6961^0.4=36.32

2、管外α的测定计算

    管外定性温度：

管外水物性数据：ρ=962.8 [kg/m³] λ=0.6865 [W/mk] μ=0.2827 CP  r=2257.4 [kJ/kg]

⑴、管外α测定值

α_0测定=

式中：管外表面积 A=d₀πL=0.022*3.1416*1.0=0.06912    m²

管外平均温度差

Δt_m=

⑵、管外α的计算值

3、总传热系数K的测定

（1）K测定：(以管外表面积为基准)

式中：管外平均温度差

（2）K计算：（以管内外表面积为基准）

上式可简化为：

      K_计=46.2  [w/m²k]

八、注意事项：

1、在启动风机前，应检查三相动力电是否正常，若缺相，及易烧坏电机；为保证安全，检查接地是否正常；

2、每组实验前应观察蒸汽发生器内合适的水位，水位过低或无水，电加热一定会烧坏。因为电加热用地是湿式，绝对不能干烧。

3、在用前。可用部分蒸馏水冲洗蒸汽发生器2—3次。

九、思考题：

1、为什么向电加热釜中加水至液位计液面应处于液位计的90%—70%？

2、光滑管和螺纹管的给热系数，哪种管的传热效率高？

3、如何确定螺纹列管式换热器的传热面积？

4、什么情况下用双对数坐标系作图？

5、气-汽换热的结果是什么？

6、当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度是升高还是降低？

7、准数关联式 Nu=ARemPr0.4应用范围？

8、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?

9、螺纹管传热效率高的原因？

10、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？

11、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？

12、实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？传热系数k接近于哪种流体的？

13、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

第二篇：化工原理实验-传热实验

传热实验

                      ——传热系数的测定

2011011743   分1   黄浩

实验日期：20##-11-15

同组实验者：周昱、曹庆辰、陈辰

地点：化工实验教学中心108室

实验内容：传热系数的测定

一、实验目的

（1）掌握传热系数K、给热系数α和导热系数λ的测定方法。

（2）比较保温管、裸管、汽水套管的传热速率，并进行讨论。

（3）掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。

二、实验原理

根据传热基本方程、牛顿冷却定律及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Q以及各相关温度，即可算出K、α和λ。

（1）测定汽-水套管的传热系数K [W/(m2·℃)]

?=?/?Δ??

式中：A——传热面积，m2；

Δ??——冷、热流体的平均温差，℃；

Q——传热速率，W；

?=?汽×?

式中：?汽——为冷凝液流量（kg/s），

r——为汽化潜热（J/kg）。

（2）测定裸管的自然对流给热系数α [W/(m2·℃)]

?=?/?(?????)

式中：tW，tf——壁温和空气温度，℃。

（3）测定保温材料的导热系数λ [W/(m·℃)]

?=??/??(?????)

式中：q——热通量，W/(m²)

T_W，t_W——保温层两侧的温度，℃；

b——保温层的厚度，m；

Am——保温层内外壁的平均面积，m²。

三、实验流程与装置

该装置主体设备为“三根管”：汽水套管、裸管和保温管。这“三根管”与锅炉、汽包、高位槽、智能数字显示控制仪等组成整个测试系统。如图1：

图1 传热系数测定的实验装置示意图

工艺流程为：锅炉内加热的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝，冷凝液由计量管或量筒收集。三根管外情况不同：一根管外用珍珠岩保温；一根为裸管；还有一根为套管式换热器，管外有来自高位槽的冷却水。可定性观察到三个设备冷凝速率的差异，并测定K、α和λ。

1）各种设备的尺寸：

2）锅炉加热功率：0~6 kW。

3）冷却水流量：0~160 L/h。

4）温度测量采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用DS系列智能数字显示控制仪。

四、实验步骤与注意事项

（1）熟悉设备流程，检查各阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。

（2）打开锅炉进水阀，加水至液面计高度的2/3。

（3）将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220 V，满功率加热，待出口有蒸汽溢出时，一定要关闭其中的两个加热阀，将加热功率调至适宜值。

（4）然后，打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值，并记录。

（5）待过程稳定（即热电偶15和16的温度相近）后，记录汽水套管、裸管、保温管单位时间内的冷凝液量及各相关热电偶1~16数值。汽-水套管一般记录60 s时间内的冷凝液量，裸管及保温管一般3 记录90s以上的冷凝液量。备注：热电偶温度与电压的关系：?=0.0185+25.8123??0.7416?²+0.0375?³.

（6）重复步骤（5），直至数据重复性较好。注意：实验前后需各记录一个室温值。

（7）实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。

（8）实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其1/2高度。

（9）注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。

（10）锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。

五、原始数据记录表格

1. 环境条件

2. 数据表格

表1　保温管的给热系数α的原始数据

表2　裸管的自然对流给热系数α的原始数据

表3　汽-水套管的总传热系数K的原始数据

六、实验结果与讨论

1. 保温材料的导热系数λ的测定：

在手册中查得，当温度为100℃时，饱和水蒸汽的冷凝潜热为2258.4kJ/kg=2258.4J/g

由给定的管路数据：保温壁壁厚b=17mm，保温层外半径r₂=25mm、内半径r₁=8mm，得r_m=14.92mm，A_m=2πLr_m=0.0591m²

因水的密度随温度的相对变化不大，而且冷凝水的温度也不可知，因此认为1ml水~1g水。

因?=?汽×?，?=??/??(?????)，可将原始表格处理为：

表4　保温管的给热系数α的处理数据

考虑到前面几组可能存在测量方法和和传热未达到平衡等因素的影响，因此选取后六组进行平均，最后得：保温材料的导热系数?=0.351 W/(m·K)

2. 裸管的自然对流给热系数α的测定

饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g，冷凝水的密度仍取1000kg/m³

而实验室气温，即裸管管外空气温度，取实验前后温度的平均值：24.5℃

由给定的管路数据：裸管外半径r=8mm，则A=2πLr=0.0337m²

因?=?汽×?，?=?/?(?????)，可将原始表格处理为：

表5　裸管的自然对流给热系数α的处理数据

因第二组实验结果明显偏大，因此去掉该组数据，可得到裸管的自然对流给热系数为：α=35.678W/(m²·s)

3. 汽-水套管的总传热系数K的测量

饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g，冷凝水的密度仍取1000kg/m³

一般情况下，工程中提到的总传热系数都是以外表面为基准的，由给定的管路数据：内管层的外半径为r_o=8mm，则A_o=2πLr_o=0.0302m²

因汽-水形成逆流，而

又因?=?汽×?，?=?/?Δ??，可将原始数据处理为：

表6　汽-水套管的总传热系数K的处理数据（以水蒸气做热量衡算）

对上述六组数据取平均值，得汽-水套管的总传热系数K=950.434W/(m²·K)

因为还使用转子流量计记录了冷却水的流量，因而也可以以冷却水为研究对象进行热量衡算：Q=c_pq_m△t，其中△t为冷凝水的进出口温度差。又可将原始数据处理为：

表7　汽-水套管的总传热系数K的处理数据（以冷却水做热量衡算）

对上述六组数据取平均值，得汽-水套管的总传热系数K=955.58 W/(m²·K)，与之前使用内层水蒸气做热量衡算的结果相似，但比它稍大，这是因为冷却水还与外层空气做热量交换，总传热量=与水蒸气的传热量+与空气的传热量，测得的传热系数就偏大，不如使用内层水蒸气做热量衡算准确。

七、实验结果讨论

经过三个管路的实验，我们最终得到了如下结果：

我们通过实验得到了三根传热管的?、α和K，但?的单位与另外两者不同，因此可使用热阻R来比较传热能力（保温能力）：

对于保温材料，R=(r2-r1)/ ?A_m=0.8195K/W，对于裸管，R=1/αA=0.8317 K/W，对于汽水套管，R=1/KA=0.0348 K/W。这似乎与我们的认知有偏差，保温材料应比裸管的热阻大才符合常理，实际上这二者可比性不大，因为一个是固体传热，另一个是对流换热，而且保温材料的换热面积大，这会使得它的热阻下降。但在实际中，保温材料两侧的温差更小，传热推动力小，因而传热速率更低。

八、思考题

1.观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因

答：保温管的传热速率为76.116W，裸管的传热速率为91.277W，汽-水套管的传热速率为2121.2W，因此传热速率：保温管<裸管<汽水套管。保温管的传热速率慢，是因为其壁较厚，而且材料的导热系数小；裸管其次，是因为自然对流的条件下给热系数很小；而汽水套管的传热最快，是因其为强制对流，给热系数较大。

2.测定传热系数K时，按现实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管内，用哪种方法更准确？为什么？

答：该问在之前的数据处理中已经讨论过了——使用管内冷凝液进行热量衡算更准确，因为它只与套管进行热量交换，而管外冷却水还与管外空气进行对流换热，得到的总传热系数偏大。如果改变流程，冷却水走管内，则使用管内冷却水进行热量衡算更准确。

3. 汽包上装有不凝气排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。

答：不凝气排放口安装在汽包上方，而冷凝液排放口在汽包下方。不凝气排放口是为了排出水蒸气中的不凝气，防止其积累或者进入换热管中，影响热量衡算的准确性。冷凝液排放口也有相似作用，但位置不同。

4.若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后Δ??值是否相同？

答：不同。原实验装置是逆流，平均温差大，而调换后是并流，平均温差较小。

5.在间壁两侧流体的对流给热系数α相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K值，应从哪侧入手？

答：壁温较接近α大的一侧流体的温度。而当α相差较大时，K更接近α较小的一侧，因此，欲提高K值，应从α较小的一侧入手，增加该侧的对流给热系数。