化 工 原 理 实 验 报 告

实  验  名  称：     对流传热系数测定实验   

                                                                                                          

学          院：        化学工程学院        

专          业：       化学工程与工艺       

班          级：        化工094班           

姓          名：  余凯杰  学  号 09402010429

同 组 者 姓 名：     江国栋     秦臻         

指  导  教  师：         张亚静              

   日          期：    2011年11月8日          

一.实验目的

   1、观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型。

   2、测定空气在圆直管内强制对流给热系数α_i。

   3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe^mPr^0.4中常数A、m的值。

   4、掌握热电阻测温的方法。

二.实验原理

在套管换热管器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，在逆流传热过程达到稳定后，有如下关系式：

VρC_p（t₂-t₁）=α_iA_i(t_w-t)_m                                      (1)

 式中：V-------被加热流体体积流量，m³/s

       ρ--------被加热流体密度，kg/m³

       C_p--------被加热流体平均比热，J/(kg·℃)

       α_i --------流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m²·℃)

       t₁、t₂------被加热流体流进、出口的温度，℃；

       A_i--------内管的外壁、内壁的传热面积，m²

(T-T_w)_m-------水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃。

(T-T_w)_m=﹛（T₁-T_w1）-（T₂-T_w2）﹜/ （ln[(T₁-T_w1)/(T₂-T_w2)]）          (2)

(t_w-t)_m-------内壁与流体间的对数平均温度差，℃

(t_w-t)_m=[(t_w2-t₁)-(t_w1-t₂₎]/ln[(t_w2-t₁)/(t_w2-t₂)]                          (3)

式中：T₁、T₂-------蒸汽进、出口温度，℃；

      T_w1、T_w2、t_w1、t_w2-------外壁和内壁上进出口温度，℃；

当内管材料的导热性能很好，即λ值很大时，且管壁厚度很薄时，可认为T_w1=t_w1，T_w2=t_w2，即为所测该点的壁温。

    由(3)式可得：α_i= VρC_p（t₂-t₁）/A_i(t_w-t)_m                          (4)

若能测得被加热流体的V、t₁、t₂，内管的换热面积A_i，水蒸汽温度T，壁温T_w1、

T_w2，就可以通过上式计算出对流给热系数α_i。

1．流体在只管内强制对流时的给热系数，可以按下列半经验公式求得：

α_i =0.023λRe^0.8Pr^0.4/d_i

式中：α_i ------流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m².℃)；

         λ ------流体的导热系数，W/(m².℃)；

d_i-------内管直径，m；

         Re-------流体在管内的雷诺数，无因次；

         Pr -------流体的普朗克常数，无因次。

上式中，定性温度均为流体的平均温度，即t_f=(t₁+t₂)/2。

2．对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：

Nu_i=ARe_i^mPr_iⁿ

其中：， ，

物性数据λ_i、C_pi、ρ_i、μ可以根据定性温度查的，经过计算可知，对于内管被加热的空气，普兰特准数变化不大，可以认定是常数，这样通过实验测定不同流量下的Re_i与Nu_i，将上式转化为：，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三.实验装置流程示意图

1．实验装置图

装置工作流程图，来自蒸汽发生器内的水蒸气进入玻璃套管换热器内，与

来自风机的空气进行热交换，冷凝水经阀门排入地沟。冷水经涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管）热交换后排出装置外。

图1  实验装置图

2．设备与仪表规格

  （1）．紫铜规格：直径φ20×1.5mm，长度L=1000mm。

  （2）．外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm。

  （3）．压力表规格：0~0.1Mpa。

四、实验步骤

    1．蒸汽发生器加水，加热，把蒸汽加热到0.01MPa。

    2．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。

    3．打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门。

    4．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。

    5．在做实验之前，应打开冷凝水排水阀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变送器。集体排出冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排水冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，可进行实验。

    6．刚开始通入蒸气时，要仔细调节蒸汽进口阀门的阀门大小开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得小于10min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

    7．当一切准备好后，调节蒸汽进口阀门的开度，把蒸汽压力调到0.01MPa，并保持蒸汽压力不变。

    8．调节空气流量，分别为12、15、18、21、24m³/h。

    9．等稳定之后，记录时间、温度、空气流量（共六组）。

   10．实验结束，关闭蒸汽进口阀门，关闭仪表电源，然后关闭风机电源，最后关闭蒸汽发生器。

五.注意事项

    1．先打开拍冷凝水的阀门，注意只要开一定的开度，开得太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。

    2．一定要在套管换热器内输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的冷凝水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。

    3．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

    4．操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。

5．确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰性气体的排空和压力表读数的调整。

六.实验数据处理

1、实验原始数据      

原始数据表 

2．根据定性温度查《化工原理上册》得各参数数据：

第1组数据为例进行计算

查《化工原理上册》可得：

48.3℃时，μ=1.95×10^-5Pa·s ，ρ=1.1 kg/m³，C_p=1.005×10³ J/(kg ·℃ )

                 

计算Δt_m

计算α_i

定性温度t=(24.2+72.3)/2=48.3℃ ρ=1.1kg/m³ Cp=1.005×10³J/(kg.℃) V=11m³/h=11/3600=3.06×10^-3m³/s  A=πdl=3.14×0.02×1=6.28×10^-2m²   

则Q=VρC_p (t₂ - t₁ )=3.06×10^-3×1.005×10³×﹙72.3-24.2﹚=147.9Jw  

α₁=Q/[ A(t _w - t )_m]=48.4w/(m²·℃)                     

              

各参数数据表

计算平均α=71.3w/(m²·℃)

冷流体给热系数，随着温度的升高而增加。

3.根据以上数据确定关联式中常数A、m的值

以第一组数据为例

λ根据化工原理上册书可查出

Nu₁=α₁×d₁/λ₁=48.4×0.02/0.0281= 34.4

u=V/A₁=11/(3600×π×0.25×)=13.46m/s

Re₁=ρ₁×d ₁×u ₁/μ₁=1.1×0.02×13.46/1.95×10^-5=1.52×10⁴

Pr₁₌Cp×μ₁/λ₁=1005×1.95×10^-5/0.0281=0.7

lg(Nu₁/Pr₁^0.4)= lg(34.4/0.7^0.4)=1.6

计算得数据表

               

Y= 0.84615X -1.93615

所以m=0.84615   lgA= -1.93615，即A=0.011584。

七、实验结果分析与讨论

由实验所得数据得计算得到的Nu=0.0235Re^1.046Pr^0.4与液体被加热时的迪特斯和贝尔特关联式(Nu =0.023Re^0.8Pr^0.4)进行比较，计算误差。

相对误差:m％=(0.8-0.84615)/0.8=-5.77％  

A％=(0.023-0.011584)/0.023=49.63％

以此计算数据并结合图可见，A的值相对误差偏大，m的值相对误差较小。产生这些误差的原因可能是:

1.试验本身的误差。

2.在计算中ρ和μ和λ都是由在一定范围中估计出来的，所以存在一误差，也许这就是主观误差所导致A和m误差偏大的主要的因素。

3.由于壁薄T_w1=t_w1，T_w2=t_w2是的数据会有一定的偏差_。

八、思考题解答

1、实验中冷流体和蒸汽流向对传热效果有何影响？

   答：在逆流传热时温差大，换热效果好，传热效率高，能量利用率高，而顺流则相对差点。

2、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？

   答：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。空气混入压缩腔，由于空气中含有不冷凝气体，如氮气。这些不冷凝气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。并且不冷凝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。而且由于冷凝压力的升高致使排气压力升高，还会减少压缩机的使用寿命。

    打开一定量的排惰性气体阀门，使不冷凝气体排出。

3、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？

   答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。在外管最低处设置排水口，要及时排走冷凝水。

4、实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体测温度？为什么？

   答：靠近蒸气温度,因为蒸气冷凝传热膜系数远大于空气膜系数。

5、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

  答：压强增大对α关联式基本没有影响。因为是空气的对流给热系数，而改变蒸汽压强对空气的传热效果无影响，估不会对α关联式影响。

第二篇：传热实验

实验五、传热实验

一、实验目的

1、学习流体在圆形直管内作强制湍流时对流传热系数的测定方法。

2、学习常用参数的测量原理及方法，了解数字显示仪表原理及使用要求。

二、实验原理

本实验装置中以饱和水蒸汽在环隙内流动加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热。管壁的热传导，管内空气对管内壁的对流传热。

低粘度流体在圆形直管中作强制湍流时，对流传热准数关联式为：

Nu=0.023RePr      (1)

式中：当流体被加热时n＝0.4

当流体被冷却时n＝0.3

本实验中空气在管内被加热时n取0.4，这样（1）式的具体形式为

Nu=0.023RePr             (2)

流体的定性温度取进、出口平均温度。

在本实验中，空气温度在45－70℃时，其Ｐr近似取为0.696，于是对流传热准数关联式为：

Nu=0.0199Re              (3)

准数关联式中各准数的测取与计算

1、Ｎu的测取与计算

式中：-- 管内侧流体的对流传热系数（w/m℃）

-- 管内径（m）

-- 定性温度下空气的导热系数（w/m·℃）

本装置中，内管为Φ25紫铜管，有效长度为1.25m，管壁很薄，这样管壁热阻很小．而管外水蒸汽冷凝传热系数远远大于管内侧空气的对流传热系数，因此，整个传热过程中的热阻主要集中在管内空气一侧，于是Ｋ≈。

根据：总传热速率方程Q=KSΔt可得

≈K==

式中：Ｖs－空气流量（m/h），可由孔板流量计测得，而孔板流量计的压差通过压力传感器转换为电信号由表头显示，其单位为kp_a

V=AR

式中：Ｒ－孔板压差（kpa）

A：系数，本装置A=32.37

A:系数：本装置A=0.485

ρ－空气定性温度下的密度Kg/m，可按下式计算：

t=

Ｃp－空气在定性温度下的比热容，（kJ/Kg℃ ）

Ｓ－传热面积（m）

T—水蒸汽温度，即操作压力下水的饱和温度，（℃）

、－空气的进、出口温度，本装置采用铂电阻（Ｐt100）测量，并由数字显示仪表直接读出．

2、Re的求取

Re=

式中－空气在定性下的粘度（Ｐa．s）

三、实验装置

传热实验装置图

1、蒸汽发生器 2、蒸气管 3、补水口 4、补水阀 5、排水阀 6、套管换热器

7、放气阀8、冷凝水回流管9、空气流量调节阀10、压力传感器

11、孔板流量计12、空气管13、风机（ＸＧＢ型旋涡风机）

四、操作要点

1、实验开始前，先熟悉配电箱各按钮与设备的对应关系以便正确开启按钮；

2、检查蒸气发生器中水位，使液位保持在1／2－2／3；

3、打开总开关和仪表开关；

4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，打开不凝气阀门，并始终保持微开；

5、待蒸汽产生后开启风机，打开空气出口阀门，将空气流量控制在某一定值，待进、出口温度及壁温稳定后记录进、出口温度、壁温和压差读数．通过出口阀调节空气流量，可从最大流量调到最小流量重复实验8－10次，记录数据；

6、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机电源，清理现场。

五、注意事项

1、蒸汽发生器液位一定不要太低，以免烧坏加热器；也不宜过高，以免水溢入蒸汽管道；

2、风机不能在出口阀关闭下长期运行；

3、不凝气排放阀在实验过程中始终微开，以便及时排放不凝气体；

4、调节空气流量时，要做到心中有数，为保证湍流状态，孔板流量计可在0.294－2.94kpa间调节，实验中应合理取点，以保证数据点均匀；

5、改变一个流量后，应待操作稳定后再测取数据。

六、原始数据记录表

表1　实验原始数据记录表

室温：   ℃  实验日期：　　　　　　当地大气压：　　　　　　　pa

七、实验数据整理及实验报告

1、原始数据处理，并把计算结果整理。

2、整理结果在双对数坐标纸上绘制出Ｎu--Ｒe关系曲线。

3、据Ｎu、Re在双对数坐标纸的关系曲线，求出斜率、截距从而确定空气在圆形直管中作强制湍流时的对流传热数准关联式，并与（3）式进行比较。

4、认真回答思考讨论题．

八、思考题

1、本实验中Ｋ≈，其原因是什么？

2、本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度，为什么？

3、管内空气流动速度对有何影响？当空气流速增大时，出口温度将如何变化？说明原因。

4、如果实验中排气阀未打开或打开不够，会出现什么问题，为什么？

5、若采用不同压强的蒸汽进行实验，对式的关联式有无影响？

6、以空气为介质的传热实验中雷诺数最好应如何计算？

7、通过实验，你认为可采用哪些措施强化传热？