四川大学化学学院

李志强   1042032051

化 工 原 理 实 验 报 告

实  验  名  称：          传热实验                                                                                                     

学          院：         化学学院        

专          业：        化学类       

班          级：         14班        

姓          名：  李志强  学   号 1042032052

日          期：       2012年5月8日      

一、实验目的

 1.测定热空气——冷却水在套管换热器中的总传热系数K

  2.测定空气或水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值；

二、实验原理

1.牛顿冷却定律：

                  Q＝α?A ?Δtm

式中：α：传热膜系数，[W/m² ?℃]

A：总传热面积，[m²]

Q：传热量，[W]

Δtm：管壁温度与管内流体温度的对数平均温度，[℃]

传热量可由下式求的：

Q＝W Cp(t₂-t₁) ＝ρV Cp(t₂-t₁)

式中：W：质量流量，[kg/s]

       Cp：流体定压比热，[J/kg ?℃]

       t₁、t₂：流体进出口温度，[℃]

         ρ：定性温度下流体密度，[kg/m³]

         V：流体体积流量，[m³/s]

  2.对流传热系数准数关联式的实验测定

流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

Nu_i=ARe_i^mPr_i^0.4

其中：   

              Nu_i=    Re_i=     Pr_i=

求对数得：

Nu_i / Pr_i^0.4＝mlgRe_i＋lgA

这样通过实验确定不同和流程下的Nu_i、Re_i，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三、实验装置流程

  1.实验装置  

来自蒸汽发生器的水蒸气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进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

  空气-水蒸气换热流程图

1-空气流量调节闸阀 2-空气流量调节旁路阀3-空气均匀分布器 4-可移动实验框架 5-防振软连接 6-风机 7-阀 8-蒸汽进气管 9-阀10-排不宁性气体阀门 11-冷空气出口温度 12-蒸汽压力表 13-蒸汽喷汽管 14-换热紫铜管 15-空气转子流量计 16-空气进口温度

  2.设备与仪表规格

  (1)紫铜管规格：直径φ17×2mm，长度L=1000mm；

  (2)外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；

  (3)压力表规格：0~0.1MPa

四、实验步骤及注意事项

  (1)检查仪表、风机、测温点是否正常，检查进系统的蒸气调节阀是否关闭。

  (2)打开总电源开关、仪表电源开关，打开空气阀。

  (3)打开加热器，调功率至1200W，给空气加热，加热至80度上切稳定即可测量

  (4)打开水阀，调至流量在0.5m3/h左右.

   (5)进入“对流给热系数测定实验”计算机控制界面，根据测试要求，由大到小改变空气流量（调节变频器改变风机转速），合理确定8个实验点，待稳定后点击“数据采集”按钮由计算机自动记录有关数据。所有实验完成后单击“退出”按钮停止实验。

  (6)实验终了，首先关闭蒸汽调节阀，切断设备的蒸汽来路，再关闭风机、仪表电源及总电源。

五、实验数据记录

六、数据处理

  1.空气在圆直管内强制对流给热系数α_i（由第一组数据为例）

定性温度t_f=(t₁+ t₂)/2=(80+41)/2=60.5℃

查《化工原理上册》可得：60℃时，ρ=1.060kg/m³，C_P=1017J/﹙kg.℃﹚                           70℃时，ρ=1.029kg/m³，C_P=1017J/﹙kg.℃﹚

由内插法求: (60-60.5)/(1.060-ρ)=(60.5-70)/(ρ-1.029)

求得60.5℃时，ρ=1.058kg/m³，C_P=1017J/﹙kg.℃﹚

               V=12.40m³/h=12.40/3600=3.44×10^-3m³/s

由紫铜管直径φ17×2mm，则A_i=π×d_i×L=3.14×13×10^-3×1=0.04084m²

          Δtm=[(80-26)-(41-24)] ／ln[(80-26)/(41-24)]      

                   =32.71℃

可得：α_i=VρC _P(t₂-t₁)/A_iΔtm =111.96W/﹙m².℃﹚

                 表1    结果处理表Ⅰ

  2.确定关联式Nu=ARe^mPr^0.4中常数A、m的值(以第一组数据为例)：

             Nu=ARe^mPrⁿ

定性温度t_f=(t₁+ t₂)/2=(41+80)/2=60.5℃

查《化工原理上册》可得：60℃时，λ=2.896×10^-2W﹙m.℃﹚

                            70℃时，λ=2.966×10^-2W/﹙m.℃﹚

同理由内插法可得 ：60.5℃时，λ=0.02901W/﹙m.℃﹚

由V=1/4×π×d_i²×u_i  得：u_i=4V/(π×d_i²)=24.08m/s

查《化工原理上册》可得：60℃时，μ=1.98×10^-5Pa·s

                            70℃时，μ=2.12×10^-5Pa·s

也由内插法可得45.55℃时，μ=2.012×10^-5Pa·s

Re_i=ρ_i×d_i×u_i /μ_i=0.9514×17×10^-3×12.39/(2.012×10^-5)=17940

Nu_i=α_i×d_i/λ_i=111.96×13×10^-3/(2.901×10^-2)=50.19

经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr_i变化不大，可以认为是常数，Pr_i^0.4= 0.697^0.4=0.866

由Nu_i /Pr_i^0.4=ARe_i^m   两边同时取对数可得：lg(Nu_i)= mlgRe_i+lgA

                      表2    结果处理表Ⅱ

 

由图得， lgA=-1.51727，所以A=0.0304

m=0.78283

误差： m%= (0.78283-0.8)/0.8 =﹣2.15%

           A%= (0.0304-0.023)/0.023 =32.17%

七、结果分析与讨论

1.由表可知：h_i的变化规律：随着蒸汽体积流量的增加，冷流体给热系数

h_i的实验值越来越大，流量每增加3 m³·h^-1，h_i的实验值就增加10.0左右。

    2. 对lg(Nu)对lg Re作图，可以看出，图上各点连成一条直线，误差较小，在准许误差范围内，符合实验要求。

八、思考题解答

  一．分析影响传热系数及给热系数的因数

答：与流体的物流性质有关，比如流速、密度、粘度、管径、导热系数等。

1.      流体流动的状态：层流、湍流等。

2.      流体流动的原因：自然对流、强制对流等。

3.      流体的物理性质：密度、比热容、粘度、导热率等。

4.      传热面的形状、位置和大小：如管、板、管束、管长、管径、管子排列方式、旋转位置及表面是否有翅片等。

5.      相变化的影响：蒸汽冷凝与液体沸腾均有相变化发生，机理更为复杂，表面传热系数比无相变化对大得多。

二．采取何种措施可提高K和h1值？

答：当对流传热处于湍流时，主要是给热系数h1影响K值，要提高K值，可定期清洗传热装置，减少污垢对传热系数的影响。

三．tm、 tm的物理意义是什么？如何确定？

答：它们是传热器的对数平均温度，逆流时Δtm=【（T1-t2）-（T2-t1）】/ln(（T1-t2）/（T2-t1）   并流时Δtm=【（T1-t1）-（T2-t2）】/ln(（T1-t1）/（T2-t2）

四．实验中管壁温度应接近哪一侧温度？为什么？

接近冷凝水这侧温度，因为冷凝水的给热系数远大于空气。

双坐标曲线图

第二篇：四川大学化工原理实验数据处理——传热实验(excel 20xx)