综合传热实验

时间:2024.6.3

综合传热实验

一、实验目的

综合传热实验是将干饱和蒸汽通过一组实验铜管,管子在空气中散热而使蒸汽冷凝为水,由于钢管的外表状态及空气流动情况的不同,管子的凝水量亦不同,通过单位时间凝水量的多少,可以:

1、观察和分析影响传热的诸多因素;

2、计算出每根管子的总传热系数K值。

二、装置简介

    实验装置示意图见图11.3-1:

图11.3-1 综合传热实验装置示意图

1.电热蒸汽发生器  2.蒸汽出口测温琴键开关  3.琴键开关转换开关  4。蒸汽入口测温琴键开关  5.温度显示仪表 6.蒸汽出口  7.电接点压力表  8.安全阀。9。连接软管分汽缸 10.排水放气阀  11.φ25翅片管  12.φ25铜光管  13.φ25.9铝管  14.24×26铜方管  15.φ30铜管  16.凝结刻度储水器  17.放水阀 18.支架台  19.岩棉保温管 20.水位计  21.自动加热开关组  22.风机开关

实验台由电热蒸汽发生器、一组表面状态不同(铜光管、铝光管、管外加铝翅片以及不同保温材料的保温管)的六根铜管、分汽缸、冷凝管、冷凝水蓄水器(可计量)及支架等组成。强制通风时,配有一组可移动的风机(图中未绘出),用它来对管子吹风。因而,实验台可进行自然对流和强迫对流的传热实验。通过实验,可对各种不同影响传热因素进行分析,从而建立起影响传热因素的初步认识和概念。

三、实验方法及步骤   

   1、打开电热蒸汽发生器上的供汽阀,然后从底部的给水阀门(兼排污),往蒸汽发生器的锅炉加水,当水面达到水位计的三分之二高处时,关闭给水阀门。  

   2、打开蒸汽发生器上的电加热器(手动)开关,指示灯亮,内部的电锅炉加热。待电接点压力表达到要求压力时(事先按需要用螺丝扳手调定),  电接点压力表动作(断电)。此时,  由电接点压力表控制继电器,使加热器按一定范围进行加热,以供实验所需的蒸汽量。

   3、打开配气管上所有阀门(或按实验需要打开其中几个阀门)和玻璃蓄水器下方的放水阀。然后,打开供汽阀缓慢向测试管内送汽,(送汽压力略高于实验压力),预热整个实验系统,并将系统内的空气排挣。

   4、待蓄水器下部放水阀向外排出蒸汽一段时间后关闭全部放水阀门,预热完毕。此时,要调节配气管底部放水阀门使其微微冒汽,以排除在胶管内和配气管中的凝水。调节送汽压力,即可开始实验。为防止玻璃蓄水器破坏,建议实验压力为0.02Mpa,最大不超过0.05Mpa。

   5、做自然对流实验时,将蓄水器下部的全部水阀全部关闭,注视蓄水器内的水位变化,待水位上升至“0”刻度水位时开始计时(如实验多根管子,只要在开始计时,记下每根蓄水器水位读数即可),实验正式开始。凝结水水位达到一定高度时,记下供汽时间和凝结水量。

   6、如要进行强迫对流实验,放掉积存在蓄水器及管路中的水,开动风机对被试管进行强迫通风。实验方法同上。

   7、实验完毕时,关闭电源,打开所有的放水阀、排气阀,水排净后再将所有阀门关闭,并切断电源即水源。

四、传热系数的计算

   所有的被试管均以基管(铜管)表面积为准,则

   传热面积      F=πd L                   [ m2 ]                     (11.3-1)

   传热量        Q=G r                     [ W ]                    (11.3-2)

   总传热系数    K=G/FΔt                  [W/m2℃]                 (11.3-3)

   式中:   d: 试验管外径

            L: 试验管长度    自然对流时L=0.78m

                             强迫对流时L1=0.52m

           G:凝结水量    G=hgsY/τ×10-6    [kg/s]                  (11.3-4)

            r:汽化潜热  (查饱和蒸汽表)当P=0.02Mpa,  Y=2243  [KJ/kg]

            h:蓄水器的水位高度              [格数]

           gs:每格的凝结水量              10[mmL/格]

            Y:凝结水密度                    [kg/m3]

            τ:供汽时间                     [ s ]

           Δt:管内外温差                   [ ℃ ]

           Δt=t1-tf

           当P=0.04Mpa    t1=109.5℃(饱和温度)

tf:试验时的室内环境温度 

五、数据测试报告

数据记录表


第二篇:传热综合实验控制装置


传热综合实验控制装置

一、实验目的

1. 了解间壁式传热元件,掌握给热系数测定的实验方法;

2. 测定列管式换热器的总传热系数,测定管内传热系数α与Re之间的关系;

3. 考察流体流速对总传热系数的影响;

4. 比较套管换热器中普通管和强化管给热系数的不同;

5. 比较并流流动传热和逆流流动传热的特点,并测定其给热系数的大小;

6. 掌握热电阻测温的方法,观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象;

7. 学会给热系数测定的实验数据处理方法,了解影响给热系数的因素和强化传   热的途径。

二、基本原理

 

   在工业生产过程中,大量情况下,冷、热流体系通过固体壁面(传热元件)进行热量交换,称为间壁式换热,如图(4-1)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。

传热过程达到稳定时,有

                (4-1)

式中:Q-传热量,J/s;

m1-热流体的质量流率,kg/s;

cp1-热流体的比热,J/(kg ?℃);

T1 -热流体的进口温度,℃;

T2 -热流体的出口温度,℃;

m2-冷流体的质量流率,kg/s;

cp2-冷流体的比热,J/ kg ?℃);

t1 -冷流体的进口温度,℃;

t2 -冷流体的出口温度,℃;

a1-热流体与固体壁面的对流传热系数,W/(m2?℃);

A1-热流体侧的对流传热面积,m2;

-热流体与固体壁面的对数平均温差,℃;

a2-冷流体与固体壁面的对流传热系数,W / (m2 ?℃);

A2-冷流体侧的对流传热面积,m2;

-固体壁面与冷流体的对数平均温差,℃;

K-以传热面积A为基准的总给热系数,W/(m2 ?℃);

-冷热流体的对数平均温差,℃;

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(4—2)计算,

                      (4-2)

式中:TW1 - 热流体进口处热流体侧的壁面温度,℃;

TW2 - 热流体出口处热流体侧的壁面温度,℃。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式(4—3)计算,

                         (4-3)

式中:tW1-冷流体进口处冷流体侧的壁面温度,℃;

tW2-冷流体出口处冷流体侧的壁面温度,℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式(4—4)计算,

                            (4-4)

    当在套管式间壁换热器中,环隙通水蒸气,内管通冷空气或水进行对流传热系数测定实验时,则由式(4-1)得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数,

                           (4-5)

实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2;冷空气或水的进出口温度t1、t2;实验用紫铜管的长度l、内径d2,;和冷流体的质量流量,即可计算a2。

然而,直接测量固体壁面的温度,尤其管内壁的温度,实验技术难度大,而且所测得的数据准确性差,带来较大的实验误差。因此,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给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式(4-1)得,

                          (4-6)

    实验测定、并查取下冷流体对应的 、换热面积A,即可由上式计算得总给热系数K。

下面通过两种方法来求对流给热系数。

1.近似法求算对流给热系数

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为,

              (4-7)

式中:d1-换热管外径,m;

d2-换热管内径,m;

dm-换热管的对数平均直径,m;

b-换热管的壁厚,m;

-换热管材料的导热系数,W/(m?℃);

-换热管外侧的污垢热阻,

-换热管内侧的污垢热阻,

用本装置进行实验时,管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百;而管外为蒸汽冷凝,冷凝给热系数可达~左右,因此冷凝传热热阻可忽略,同时蒸汽冷凝较为清洁,因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜,导热系数为383.8,壁厚为2.5mm,因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻也忽略不计,则由式(4-7)得,

                              (4-8)

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,此法所得的准确性就越高。

2.              传热准数式求算对流给热系数

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时,若符合:Re=1.0×104~1.2×105,Pr=0.7~120,管长与管内径之比l/d≥60,则传热准数经验式为,

                     (4-9)

  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;

当流体被加热时n=0.4,流体被冷却时n=0.3;

a-流体与固体壁面的对流传热系数,W / (m2 ?℃);

d-换热管内径,m;

 l-流体的导热系数,W/(m?℃);

u-流体在管内流动的平均速度,m/s;

r-流体的密度,kg / m3;

 m-流体的粘度,Pa ? s;

cp-流体的比热,J / (kg ?℃)。

当水或空气在管内强制对流被加热时,可将式(4-9)改写为,

           (4-10)

令,                        (4-11)

                             (4-12)

                                        (4-13)

                        (4-14)

则式(4-7)可写为,

                                             (4-15)

当测定管内不同流量下的对流给热系数时,由式(4-14)计算所得的C值为一常数。管内径d2一定时,m也为常数。因此,实验时测定不同流量所对应的,由式(4-4)、(4-6)、(4-12)、(4-13)求取一系列X、Y值,再在X~Y图上作图或将所得的X、Y值回归成一直线,该直线的斜率即为m。任一冷流体流量下的给热系数a2可用下式求得,

                        (4-16)

3.冷流体质量流量的测定

(1)若用转子流量计测定冷空气的流量,还须用下式换算得到实际的流量,

                           (4-17)

式中:V '—实际被测流体的体积流量,m3 / s;

ρ'—实际被测流体的密度,kg / m3;可取下对应的被测流体的密度,具体可见冷流体物性与温度的关系式;

V—标定用流体的体积流量,m3 / s;

 ρ—标定用流体的密度,kg / m3;对水ρ = 1000 kg / m3;对空气ρ = 1.205 kg / m3;

ρf—转子材料密度,kg / m3。

    于是                                     (4-18)

(2)若用孔板流量计测冷流体的流量,则,

                                  (4-19)

式中,V为冷流体进口处流量计读数,ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

4.冷流体物性与温度的关系式

在0~100℃之间,冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

(1)空气的密度与温度的关系式:

(2)空气的比热与温度的关系式:60℃以下J/(kg ?℃),

70℃以上J/(kg ?℃)。

(3)空气的导热系数与温度的关系式:

(4)空气的黏度与温度的关系式:

三、实验装置与流程

1.实验装置流程

图一 空气-水蒸气换热综合实验流程图

1—鼓风机出口放空阀;2—孔板流量计;3-套管换热器冷风进口温度测量;4—套管换热器普通管进冷风阀;5—套管换热器强化管进冷风阀;6—套管换热器冷风进口侧蒸汽温度测量;7—套管换热器不凝气排空阀;8—套管换热器冷风出口侧蒸汽温度测量;9—套管换热器出口热风温度测量;10—列管换热器出口热风温度测量;11—转子流量计;12—列管换热器逆流冷风进口阀;13—列管换热器并流冷风放空阀;14—列管换热器逆流冷风进口温度测量;15—列管换热器并流冷风进口阀;16—列管换热器逆流冷风放空阀;17—列管换热器并流冷风进口温度测量;18—蒸汽接口;19—蒸汽进口阀;20—蒸汽进口压力;21—水汽排空阀;22—冷凝水排空阀。

1)套管换热器内气汽换热操作流程

来自蒸汽发生器的水蒸汽进入不锈钢套管换热器环隙,与来自风机的空气在套管换热器内的普通管或强化管内进行热交换后,不凝气经不凝气放空阀放空、冷凝水经水汽排空阀排入地沟。

冷空气经孔板流量计计量流量后,通过阀门切换进入套管换热器内管—普通管或强化管(紫铜管)内,热交换后经列管换热器放空阀(13或16)放空。

2)列管换热器操作流程

来自鼓风机的冷空气经过孔板流量计进入套管换热内管—普通管或强化管或普通和强化同时通过,被套管换热器内的蒸汽预热后,作为列管换热器的热介质进入列管换热器管程,与壳程的冷风换热后放空;

来自鼓风机的冷空气经转子流量计后,通过阀门切换选择与管内的热风并流或逆流进行热交换后放空。逆流流程为:打开列管换热器逆流冷风进口阀(如图一中的12)和列管换热器逆流冷风放空阀(如图一中16);并流流程为:打开列管换热器并流冷风进口阀(如图一中15)和列管换热器并流冷风放空阀(如图一中13)。

2.设备与仪表规格

(1)紫铜管规格:直径φ19×1.5mm,长度L=1000mm,共两根

(2)套管换热器外管不锈钢管规格:直径φ100×5mm,长度L=1000mm

(4)铂热电阻及无纸记录仪温度显示

(5)全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表

(6)列管规格:直径φ12×1mm,长度L=1000mm,共19根

(7)列管外套规格:直径φ100×5mm,长度L=1000mm

(8)孔板流量计规格:0-30m3/h

(9)转子流量计规格:2.5-25m3/h

四、实验步骤与注意事项

1.套管换热器实验步骤

1)       打开控制面板上的总电源开关,打开仪表电源开关,使仪表通电预热,观察仪表显示是否正常。

2)       在蒸汽发生器中灌装清水:开启发生器电源,水泵会自动将水送入锅炉,灌满后会转入加热状态。蒸汽压力达到要求后,系统会自动处于保温状态。

3)       打开控制面板上的风机电源开关,让风机工作,同时打开普通管冷风进口阀(如图一中的4)或强化管冷风进口阀(如图一中的5),让套管换热器里充有一定量的空气。

4)       通过不锈钢软管,将蒸汽发生器出气管和装置进蒸汽接口(如图一中的18)连接好。打开水汽排空阀(如图一中的21),排出上次实验余留的冷凝水,在整个实验过程中也保持一定开度并注意开度适中,开度太大会使套管换热器壳程内蒸汽量不足,开度太小会使套管换热器壳程内的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5)       在通水蒸汽前,也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除,否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。排除冷凝水的具体方法是:关闭蒸汽进口阀(如图一中的19),打开冷凝水排空阀(如图一中的22),利用蒸汽压力把管道中的冷凝水带走,当听到蒸汽通过的响声时关闭冷凝水排除阀,方可进行下一步实验。

6)       开始通入蒸汽时,蒸汽进口阀(如图一中的19)的开度不可太大,务必让蒸汽徐徐流入换热器中,使系统由“冷态”逐渐转变为“热态”,此过程不得少于10分钟,以防不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。

7)       上述准备工作结束,系统也处于“热态”后,调节蒸汽进口阀(如图一中的19)的开度,使蒸汽进口压力维持在0.04MPa左右,可通过调节蒸汽发生器出口阀(蒸汽发生器出蒸汽口)及蒸汽进口阀开度(如图一中的19)来实现。

8)       通过调节普通管进冷风阀(如图一中的4)或强化管进冷风阀(如图一中的5)来改变冷空气流量,在每个流量条件下,均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值。一般每个流量下至少应使热交换过程进行5分钟以上才能达到稳定;改变流量,记录不同流量下的实验数值。

9)       记录4~6组实验数据,可结束实验。

10)   实验结束后,先关闭蒸汽发生器,关闭蒸汽进口阀(如图一中的19),关闭仪表电源,待系统逐渐冷却后关闭风机电源,待冷凝水流尽,关闭水汽排空阀(如图一中的21),关闭总电源。

11)   待蒸汽发生器为常压后,将锅炉中的水排尽。

2.列管换热器实验步骤

1)       打开控制面板上的总电源开关,打开仪表电源开关,使仪表通电预热,观察仪表显示是否正常。

2)       在蒸汽发生器中灌装清水,开启发生器电源,水泵会自动将水送入锅炉,灌满后会转入加热状态。蒸汽压力达到要求后,系统会自动处于保温状态。

3)       打开控制面板上的风机电源开关,让风机工作,同时打开普通管进冷风阀(如图一中的4)或强化管进冷风阀(如图一中的5),让套管换热器里充有一定量的空气。

4)       通过不锈钢软管,将蒸汽发生器出气管和装置进蒸汽接口(如图一中的18)连接好。打开水汽排空阀(如图一中的21),排出上次实验余留的冷凝水,在整个实验过程中也保持一定开度并注意开度适中,开度太大会使套管换热器壳程内蒸汽量不足,开度太小会使套管换热器壳程内的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5)       在通水蒸汽前,也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除,否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是:关闭蒸汽进口阀门(如图一中的19),打开冷凝水排空阀(如图一中的22),利用蒸汽压力把管道中的冷凝水带走,当听到蒸汽通过的响声时关闭冷凝水排除阀,方可进行下一步实验。

6)       开始通入蒸汽时,蒸汽进口阀(如图一中的19)的开度不可太大,务必让蒸汽徐徐流入换热器中,使系统由“冷态”逐渐转变为“热态”,不得少于10分钟,防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。

7)       上述准备工作结束,系统也处于“热态”后,调节蒸汽进口阀(如图一中的19)的开度,使蒸汽进口压力维持在0.04MPa左右并恒定,可通过调节蒸汽发生器出口阀(蒸汽发生器出蒸汽口)及蒸汽进口阀开度(如图一中的19)来实现。

8)       通过调节普通管冷风进口阀(如图一中的4)或强化管冷风进口阀(如图一中的5)开度来改变空气流量。空气经套管换热器加热后要求出口温度稳定在90℃左右并保持恒定。加热后的空气作为列管换热器的热介质。

9)       当列管换热器热风进出口温度相差不大时,结束设备预热。打开列管换热器并流冷风进口阀(如图一中的15)和列管换热器并流冷风放空阀(如图一中的13),保持冷风并流管路畅通。通过调节列管换热器并流冷风进口阀(如图一中的15)的开度,保持冷风流量到一定值,待列管换热器进出口温度稳定5min左右后,记录冷热流体进出列管换热器的温度、流量等实验数据。

10)   同样,打开列管换热器逆流冷风进口阀(如图一中的12)和列管换热器逆流冷风放空阀(如图一中的16),保持冷风逆流管路畅通。通过调节列管换热器逆流冷风进口阀(如图一中的12)的开度,保持冷风流量到一定值(与并流流量一致),待列管换热器进出口温度稳定5min左右后,记录冷热流体进出列管换热器的温度、流量等实验数据。

11)  每种流动方式(逆流和并流)记录4~6组实验数据,结束实验。

12)   实验结束后,先关闭蒸汽发生器,关闭蒸汽进口阀(如图一中的19),关闭仪表电源。待系统逐渐冷却后关闭风机电源。待冷凝水流尽,关闭水汽排空阀(如图一中的21),关闭总电源。

13)   待蒸汽发生器为常压后,将锅炉中的水排尽。

3.注意事项

1)       实验开始前,先打开水汽排空阀,并注意开度适当,开得太大会使换热器里的蒸汽跑掉,开得太小会使不锈钢套管环系里的蒸汽压力过大而使不锈钢管炸裂。

2)     实验时,务必在套管换热器内管通一定量的空气并排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后,方可开启蒸汽阀门。

3)       刚开始通入蒸汽时,要仔细调节蒸汽进口阀的开度,让蒸汽徐徐流入换热器中,使系统由“冷态”逐渐转变为“热态”,此过程不得少于10分钟,以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。

4)       操作过程中,蒸汽压力一般控制在0.05MPa(表压)以下,否则可能造成不锈钢管爆裂。

5)        必须在传热过程达到稳定状态后,才能记录实验数据。

6)        实验过程中要随时注意蒸汽量的调节和蒸汽压力的稳定。

五、实验报告

1.    根据获得的实验数据计算冷流体给热系数;

2.    根据冷流体给热系数的准数式:,由实验数据作图拟合曲线,确定准数式中的常数A及m的值;

3.    以为纵坐标,为横坐标,将处理后的实验数据标绘在图上,并与教材中的经验式比较;

4.    比较普通管和强化管的给热系数的大小;

5.  比较列管换热器在冷热介质流量相同的情况下,并流和逆流时的给热系数的大小。

六、思考题

1.    实验中冷流体和蒸汽的相对流向对传热效果有何影响?

2.    在计算空气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?它们分别表示什么状态下的密度,应在什么条件下进行计算。

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?如果采用不同压强的蒸汽进行实验,对α关联式有何影响?

二.实验原理:

对于流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式可以表示成:

                                                     (1)

系数C与指数则需由实验加以确定。对于气体,Pr基本上不随温度而变,可视为一常数,因此,式(1)可简化为:

                                                          (2)

    式中:                                  

    通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差,空气的进、出口温度和换热器的壁温(因为换热器内管为紫铜管,其导热系数很大,且管壁很薄,故认为内、外壁温度与壁面的平均温度近似相等),根据所测的数据,经过查物性数据和计算,可求出不同流量下的Nu和Re,然后用线性回归方法(最小二乘法)确定关联式中常数A的值。

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化工原理实验报告实验名称传热膜系数测定实验实验时间20xx年11月姓名班级学号同组人正文一报告摘要套管换热器为本实验的研究对象而以冷空气及热蒸汽为介质冷空气走黄铜管内热蒸汽走环隙研究热蒸汽与冷空气之间的传热过程...

传热系数测定实验报告模板

实验报告模板数据仅供参考传热系数的测定一实验目的1掌握传热系数K给热系数和导热系数的测定方法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...

化工实验报告-传热系数的测定

太原师范学院实验报告ExperimentationReportofTaiyuanteachersCollege系部化学系年级大四课程化工实验姓名学号日期20xx1015项目气体强制对流传热系数的测定一实验目的1...

化原实验报告—-传热实验

化工基础实验报告实验名称化工传热试验班级姓名学号成绩实验时间同组成员一实验预习要求阐明实验目的原理流程装置实验步骤注意事项要采集的数据设计实验数据原始记录表提出预习中思考的问题实验目的1掌握传热系数K对流传热系...

北京化工大学传热膜系数测定实验报告

北京化工大学实验报告传热膜系数测定实验班级化工1001班姓名李泽洲学号20xx011015同组人杨政鸿陈双全一摘要选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理通过建立水蒸汽空气传热系统分别对普通管换热器和强化管换...

浙江大学化工原理(过程控制)实验报告_传热综合实验2

1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...

传热实验实验报告(48篇)