化原实验报告—-传热实验

时间:2024.7.3

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,对流传热系数α和导热系数λ的测定方法;

         (2)比较保温管、裸管和汽水套管的传热速率,并进行讨论。

实验原理:根据传热基本方程、牛顿公式以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,以及各有关的温度,即可算出K,α和λ。

(1)     测定汽水套管的传热系数K:K=Q/(A*Δtm ) 其中A为传热面积,Δtm 是冷热流体的对数平均温差。

(2)     测定裸管的自然对流给热系数α:α=Q/(A*(tw—tf)) 其中tw、tf分别为壁温和空气温度。

(3)     测定保温材料的导热系数λ:λ=Qb/(Am*(T—t)) 其中T、t分别为保温层两侧的温度,b为保温层的厚度,Am是对数平均面积。

而传热速率Q=Wr 其中W是冷凝液流量,r是冷凝潜热。

流程装置:装置主体设备为三根管:保温管,裸管和汽水套管。这三根管与汽包,水槽,加热器,温度感应器等组成整个测试系统。工艺流程如下:锅炉内产生的水蒸气送入汽包,然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝,固定时间内冷凝液由计量筒或量筒收集,以测量计算冷凝速率。三根紫铜管外散热情况不同:一根管外用珍珠岩保温;另一根是裸管(近似大空间对流);还有一根管外是冷却水(湍流换热),为一套管式换热器。

二、           实验步骤

(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)打开加热开关,并将调压器调至220V,待有蒸汽后再将调压器电压调低,使感温电阻15处的温度稳定在100摄氏度左右;

(3)打开套管换热器冷却水进口阀,调节冷却水流量在80L/h左右;

(4)待传热过程稳定后,同时测量各设备单位时间的冷凝液量、壁温和水温;

(5)重复步骤(4);

(6)改变冷却水流量,再测汽水套管的单位时间的冷凝液量,壁温和水温两次;

(7)改变冷却水流量至100L/h左右,重复上述步骤并记录;注意数据的重复性;

(8)       实验结束,切断电源,关闭冷却水阀。

三、           实验结果与分析

查表可得,水在一个大气压的条件下的沸点是100摄氏度,冷凝潜热为r=2258.4KJ/Kg,

在一百摄氏度,一个大气压的条件下,水的密度ρ=958.4Kg/m3,Q=W*r

1、裸管的自然对流给热系数α:(取第一组数据计算)

实验前后平均室温为23.65℃,裸管内壁平均温度为101.36℃,tw—tf=77.71℃;

从表中得,冷凝液平均流量为V=0.02411ml/s,Q=ρ*V*r=52.19W;

又裸管为Ф16*1.5紫铜管,管长L=0.73m,

即传热面积A=π*L*d=0.037 m^2;

则 α=Q/(A*(tw—tf)) =18.30(W/(m^2*℃))。

2、保温材料的导热系数λ:(取第一组数据计算)

从表中得保温层外侧平均温度为70.89℃,保温层内侧平均温度为101.57℃,T-t=30.68℃;

又保温层内管为Ф16*1.5紫铜管,外管为Ф50*5有机玻璃管,管长L=0.75m。

即保温层厚度b=12mm,Am=2*π*L*(r2-r1)/Ln(r2/r1)=0.0617 m^2;

从表中得,平均流量为V=0.0139ml/s,Q=ρ*V*r=30.06W;

则λ=Q*b/(Am*(T—t)) =0.191 ( W/(m^2*℃))

3、汽水套管的传热系数K:(取第一组数据计算)

在冷却水流量为80L/h时,

ΔT1=101.36-75.36=25.99℃,ΔT2=101.14-24.39=76.75℃;

Δtm=(ΔT2-ΔT1)/Ln (ΔT2/ΔT1)=46.88 ℃;

传热面积A=π*L*d=0.0301 m^2

冷凝液流量为V=0.963ml/s, Q=ρ*V*r=2085.1 W;

即K=Q/(A*Δtm ) =1474.8 ( W/(m^2*℃))

在冷却水流量为101L/h时,

ΔT1=102.00-38.86=63.14℃,ΔT2=101.14-24.39=76.75℃;

Δtm=(ΔT2-ΔT1)/Ln (ΔT2/ΔT1)=69.72 ℃;

传热面积A=π*L*d=0.0301 m^2

冷凝液流量为V=1.017ml/s, Q=ρ*V*r=2200.5 W;

即K=Q/(A*Δtm ) =1046.5 ( W/(m^2*℃))

(对于所有实验数据的处理的excel表格见附表部分)

【对于实验结果的分析】

(1)裸管——对流传热系数

实验测得裸管对流传热系数为18.30(W/(m^2*℃))。

相应地,用理论计算裸管外的大空间对流传热系数,由Tm=62.5℃计算得Gr=2.39*10^9,Pr=0.708,由公式α=Cλ/L*(PrGr)^n计算得α=6.42(W/(m^2*℃))。与实验测得的18.30相比较小,但在一个数量级。可以推测由于周围空间的扰动,使得传热不完全以大空间自然对流的方式进行,让实验测得的传热系数较理论增大。

(2)保温管——导热系数

    实验测得保温管保温材料的导热系数为0.191(W/(m^2*℃))。

一般来说,保温材料的导热系数不宜大于0.20( W/(m^2*℃)),实验测得的数据恰满足此要求。然而由化工原理书的附录中得:实验所用保温材料珍珠岩的导热系数为0.0210~0.0620( W/(m^2*℃)),为良好绝热材料。 而实验测得保温材料导热系数为0.191( W/(m^2*℃)),与理论值相比较高。原因可能有以下两点:一是由于书附录中的导热系数测量条件为25℃,实验中材料外壁温度已达到约70℃,二者相距较大;二是可能实验中保温材料的填充并不为完全紧密填充,同时也可能在其中有导热系数较大的杂质,导致实验测得的导热系数较大。

(3)汽水套管——传热系数

    实验测得在冷却水流量80L/h时传热系数为1474.8 ( W/(m^2*℃))。

    在冷却水流量101L/h时传热系数为1046.5 ( W/(m^2*℃))。

汽水套管的传热系数与保温管、裸管相比显然不在一个数量级。对冷流体是水,热流体是水蒸气冷凝的K值一般在10^3数量级,实验数据基本符合要求。然而理论上增大冷却水流量时,传热系数K会略微增大;但在实验中流量由80L/h增大到101L/h时,K值却从1474.8( W/(m^2*℃))下降到1046.5( W/(m^2*℃))。通过对原始数据的观察可知,冷却水出口的温度由75.36℃下降到38.86℃,下降幅度很大。因此怀疑是补充进了新的冷却水,使得冷却水的循环过程并未达到稳定状态,即传热过程未达到稳态,而使得实验数据与理论存在较大偏差。可能应再过一段时间再进行数据的测量。与此同时,注意到套管内壁的温度已经小于水的沸点,怀疑可能有冷凝潜热以外的热量放出,这也会对实验数据产生一定的影响。

四、           自评

包括实验收获、建设意见等。

化工中的理论值和实际值还是有一些偏差的,所以化工生产中的许多数据还是需要实测。设备的尺寸和类型不同,操作条件的不同,都会使得结果有很大的不同。

实验中发现实验设备存在一定的问题。具体表现在:汽水套管设备中存在一定的泄漏现象;热电偶读数时两个按钮可能被同时按下导致读出错误的数据。

本次试验中发现一个实验条件的改变可能导致一些看似完全不相关的数据的改变,如套管冷却水流量改变后保温管、裸管的流量也发生了变化。这就需要对实验装置的内部结构有一定的了解。可见,做实验必须完全控制好所有的变量。

五、           指导教师批阅意见

实验报告评分表

指导教师批阅意见

教师签名                  

日    期                  


附表:原始数据&数据处理excel表格,其中红框中的数据为原始数据。

 


第二篇:传热实验实验报告


江    苏    大    学

实   验   报   告

完成报告所需时间________________      教师评定______________________

_______________________________________________________________________________

              

                          实验   传热实验

一.实验目的

1、了解换热器的结结构及用途。

2、学习换热器的操作方法。

3、了解传热系数的测定方法。

4、测定所给换热器的传热系数K。

5、学习应用传热学的概念和原理去分析和强化传热过程,并实验之。

二.实验原理

根据传热方程Q=KA△tm,只要测得传热速率Q,冷热流体进出口温度和传热面积A,即可算出传热系数K。在该实验中,利用加热空气和自来水通过列管式换热器来测定K,只要测出空气的进出口温度、自来水进出口温度以及水和空气的流量即可。

在工作过程中,如不考虑热量损失,则加热空气释放出的热量Q1与自来水得到的热量Q2应相等,但实际上因热损失的存在,此两热量不等,实验中以Q2为准。

三、实验流程和设备

实验装置由列管换热器、风机、空气电加热器、管路、转子流量计、温度计等组成。空气走管程,自来水走壳程。列管式换热器的传热面积已标出为0.4㎡。

实验流程图

四、实验步骤及操作要领

1、通过模拟操作熟悉设备流程,掌握各阀门、转子流量计和温度计的作用。

2、实验开始时,先开水路,再开气路,最后再开加热器。

3.通过阀门控制所需的气体和水的流量。

4、待系统稳定后,记录水的流量、进出口温度,记录空气的流量和进出口温度。

5、按照所给数据调节水和空气流量,重复上一步。

6、实验结束后,关闭加热器、风机和自来水阀门。

五、实验数据记录和整理

1、设备参数和有关常数

列管换热器的管数n =2根,空气进口温度T =120,换热流型 错流

换热面积 =0.4

2、实验数据记录

3、数据处理

六、实验结果及讨论

1、求出换热器在不同操作条件下的传热系数。

计算第一组数据

Q=KA△tm =WcCpc(tc2-tc1)

tc=(tc1+tc2)/2=(22.4+26.5)/2=24.45℃

查表并用内差法求得 Cpc=4.179kJ/(kg·℃);

先按逆流计算对数平均温度差△tmˊ

逆流:th1=120℃→th2=44.8℃            

tc2=26.5℃←tc1=22.4℃

则△t1=(th2-tc1)=44.8-22.4=22.4℃     

 △t2=(th1-tc2)=120-26.5=93.5℃

所以△tmˊ=(△t1-t2)/(㏑△t2/△t1)=49.759℃;

错流时温度变化因素

P=(tc2-tc1)/(th1-tc1)=(26.5-22.4)/(120-22.4)=0.042

R=(th1-th2)/(tc2-tc1)=(120-44.8)/(26.5-22.4)=18.34

代入单壳程双管程温度系数计算公式得φ=0.977

则△tmˊ=0.977×49.76=48.62℃

所以

K=WcCpc(tc2-tc1)/(A△tm)

=〔(80/3600)×4.179×1000×4.1〕/(0.4×48.62)=19.58W/(㎡·℃)

同理计算下两组数据填入表格

2、对比不同操作条件下的传热系数,分析数值,你可得出什么结论?

答:比较一二组可知当空气流量改变而水的流量不改变时,传热系数有很大变化,且空气流量越大,传热系数越大,传热效果越好;表较二三组可知,空气流量不变,水的流量改变时,传热系数变化不大。

综上可知,传热系数主要取决于热流体,热流体流量越大,传热效果越好。

3、转子流量计在使用时应注意什么问题?应如何校正读数?

答:转子流量计不能用于流量过大的流体测量,使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上,流体介质自下而上地通过转子流量计。

读数时应读转子的最大截面与玻璃管刻线相交处的数值,可以读初始值和最终值,取两者之差来校正读数。

4、针对该系统,如何强化传热过程才能更有效,为什么?

答:该系统传热效果主要取决于热流体,所以可以通过增加空气流量,提高其所占比例来强化传热效果。

5、逆流换热和并流换热有什么区别?你能用实验装置加以验证吗?

答:(1)逆流换热时热流体是冷热流体流动方向相反;而并流传热时,其冷热流体流动方向相同。

(2)在相同操作条件下,逆流换热器比并流换热器所需传热面积小。

所以可以改变冷热流体进出口方向,测得在相同传热效果下,逆并流所需传热面积大小,从而加以验证。

6、传热过程中,哪些工程因素可以调动?

答:可以增加传热面积,提高传热系数,或者增加对数平均温度差来提高传热效率。也可以尽量采用逆流传热来减小换热器面积,节约设备成本。

7、该实验的稳定性受哪些因素的影响?

(1)冷凝水流通不畅,不能及时排走;

(2)空气成分不稳定,导致被冷凝效果不稳定;

(3)冷热流体流量不稳定;

(4)传热器管表面的相对粗糙度。

8、你能否对此实验装置作些改进,使之能够用于空气一侧对流传热系数的测定?

答:改成套管式换热器

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