化工原理实验报告三空气总传热

时间:2024.7.3

实验三、总传热系数与对流传热系数的测定

一、实验目的

1.了解间壁式换热器的结构与操作原理;

2.学习测定套管换热器总传热系数的方法;

3.学习测定空气侧的对流传热系数;

4.了解空气流速的变化对总传热系数的影响。

二、实验原理

本实验采用套管式换热器,热流体走管间,为蒸汽冷凝,冷流体走内管,为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。

实验流程如图1所示。

图1. 传热实验装置流程图

1-空气流量调节阀  2-转子流量计   3-蒸汽调节阀    4-蒸汽压力表   5-套管换热器    6-冷凝水排放筒

7-旋塞     8-空气进口温度计     9-空气出口温度计     10-不凝气排放口

套管换热器5由不锈钢管(或紫铜管)内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支,用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上,各焊有三对热电偶,型号为WRNK-192。

不锈钢管规格F21.25´2.75,长1.10米     S=pdoL=0.0734m2

紫铜管F16´2,长1.20米                S=pdoL=0.0603m2

转子流量计(空气,0~20m3/h,20℃)

数字显示表SWP-C40

此设备的总传热系数可由下式计算:

               其中  

式中:——传热速率,W;

 ——传热面积,m2;S=pdoL

——对数平均温度差,℃

*——饱和蒸汽温度,℃,根据饱和蒸汽压力查表求得;

——分别为空气进、出口温度,℃。

通过套管换热器间壁的传热速率,即空气通过换热器被加热的速率,用下式求得:

, W

其中,Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vs×r,其中r为进口温度下空气的密度。

对流传热系数的计算公式为

式中

S─内管的内表面积,m2

a─空气侧的对流传热系数,W/(m2×°C);

Dtm─空气与管壁的对数平均温度差,°C。 

所得到的a值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联:

式中

Re─Reynolds number雷诺准数,

Pr─Prandtl number普朗特准数,

空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。

实验过程中,蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通,避免冷凝水在器内积存。

空气的流量Vs由转子流量计测得,单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是,需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量,需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度,此温度即空气入口处温度。

实验过程中,锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05(0.04)MPa,此压力为表压力,水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此,水蒸气温度为110.4(109.4)℃。

三、实验步骤

1.实验开始时,先开通锅炉加热器开关,等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa,打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中,稍稍开启,以便不凝性气体能连续排出,不致积累。然后,打开气泵,通空气,并保持旁路始终开通,避免气泵因憋气过热而烧坏。

2.调节空气的流量,从低流速开始,做8个点,每点测量时必须待流速稳定,加热蒸汽压强维持稳定,空气出口温度不变后,才可记录数据。需记录的数据包括:空气的流量和进、出口温度。

3.实验完毕后,关闭气泵,关闭加热电源。

四、数据处理与讨论

1.总传热系数K的测定

本实验所用的装置为不锈钢管,相应的数据处理如下:

不锈钢管外表面积=0.0734m2   内管横截面积1.9473´10-4 m2   蒸汽温度T=110.4℃

表1. 总传热系数的测定数据与处理结果

以第三组数据为例:

平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45°C

查表,在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kg×°C)

在32.5°C的进口温度下,密度为1.155kg/m3

若不对流量计读数进行校正,可采用如下计算方法

若对流量计进行温度校正,则需采用以下步骤

误差为

结果表明,K值随空气流量的增加而增大,其值接近空气侧的a。

2.空气侧对流传热系数ai的测定

本实验所用的装置为不锈钢管,相应的数据处理如下:

不锈钢管内表面积= 0.0544m2   内管横截面积1.9473´10-4 m2   蒸汽温度T=109.4℃

46℃时空气的密度r=1.107kg/m3      70℃时空气的比热容Cp=1.009kJ/(kg×°C)

表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果

以第一组数据为例,其计算过程如下

计算结果列于表1中,空气的ai与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出,其斜率为0.87,接近Dittus-Boelter equation中的0.8。

比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数,可以看出:K值与ai值接近(因为不是同一次实验,K值比ai值小)。原因在于水蒸气膜状冷凝的ao值很大,在5000以上,与ai值相比,其热阻可以忽略。

图2. 实验测定空气侧对流传热系数ai与管内平均流速u的关系

五、思考题

1.  本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量?

因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数,而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻,所以提高空气的流动速度可提高K的值。

2.  不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近?

多步串联传热过程中,每步的温差与该步的热阻成正比,内外侧对流传热的热阻比较,水蒸气冷凝的对流传热系数大,热阻小,所以该步的温差小,即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度,这也与实验过程观测到的现象一致。

3. 转子流量计读数是否准确,如何校正?

转子流量计在出厂时是根据20°C、101kPa下的空气进行标定的,实际情况与之不符时,需根据密度进行校正。校正公式为

4.不凝性气体对冷凝传热有何影响?

不凝性气体能严重降低冷凝传热系数,1%的不凝性气体可使ai值减小50%。应及时排出不凝性气体,避免在蒸气腔内积累。

    5. 空气侧的对流传热系数与空气平均流速成何关系?

    在湍流强制对流的条件下,根据Dittus-Boelter equation,管内流动ai与u0.8成线性关系。本实验测定结果与此相近。


第二篇:化工原理实验报告-_传热


北京工商大学化工原理实验报告

实验名称:对流传热系数的测定


一、      预习报告

1. 实验目的

2. 实验原理


3. 实验装置与流程:将本实验的主要设备、仪表和仪器等填


入附图相应的位置

空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

1、                   ; 2、                         ;3、                    

4、                 ; 5、                         ;6、                    

7、                 ;   8、                          ;9、                    

10、               ; 11、                     ; 12、                    ;13、                 ;14、                       ;15、                   

16、                 ;17、                       ;18、                   


4. 本实验测定哪些数据及测定方法

5. 操作要点


二、      实验数据表

1.     设备主要技术数据

2.     实验数据处理结果表


三、计算示例(以     组数据为例

1.已知数据及有关常数:                 

2. 热负荷Q、对流传热系数α、传热准数Nu和雷诺准数Re的计算。

3. 作图、回归得到准数关联式中的系数。


四、传热准数Nu和雷诺准数Re关系图


五、讨论

   1. 由实验结果得出:随着冷流体流速的增加,流体在管内的对流传热系数                                

   2. 热电偶是根据           原理制成的一种测温元件,它是将温度转化为       信号,并使用          仪表进行测量。

   3. 将实验得到的准数关联式与文献比较,并分析产生偏差的原因?

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