一：实验目的：

1)．观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；

2）．测定空气或水在圆形直管内强制对流给热系数；

3）．测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数；

4）．掌握热电阻（偶）测温方法；

5）．掌握计算机自动控制调节流量的方法；

6）．掌握涡轮流量传感器和智能流量积算仪的工作原理和使用方法；

7）．了解电动调节阀、压力传感器和变频器的工作原理和使用方法；

8）．掌握化工原理实验软件库（组态软件MCGS和VB实验数据处理软件系统）的使用。

二：基本原理：

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

                                   （1—21）

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·℃)；

 α₀、α_i水蒸气对内管外壁的冷凝给热系数和流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m²·℃)；

   t₁、t₂ 被加热流体进、出口温度，℃；

A₀、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，℃；}

                                                （1—22）

(t_w－t)_m 内壁与流体间的对数平均温度差，℃；

                                                                                               （1—23）

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，℃。

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

由式（1—23）可得：  

                                                                                         （1—24）                                                                     （1—25）

若能测得被加热流体的V、t₁、t₂，内管的换热面积A₀或A_i，以及水蒸气温度T，壁温T_w1、T_w2，则可通过式（1 —24）算得实测的水蒸气（平均）冷凝给热系数α₀；通过          式（1 —25）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数α_i。

在水平管外，蒸汽冷凝给热系数（膜状冷凝），可由下列半经验公式求得：

                                                           （1—26）

式中： α_{0  蒸汽在水平管外的冷凝给热系数，W/(m}²_·℃)；

  λ  水的导热系数，W/(m²·℃)；                    

  g   重力加速度，9.81m/s²；

  ρ  水的密度，kg/m³；                                                           

  r   饱和蒸汽的冷凝潜热，J/kg；

  μ  水的粘度，N·s/m²；

  d₀   内管外径，m；                                         

  ?t   蒸汽的饱和温度t_s和壁温t_w之差，℃。

   上式中，定性温度除冷凝潜热为蒸汽饱和温度外，其余均取液膜温度，即t_m = (t_s + t_w) / 2，其中：t_w = (T_w1 + T_w2) / 2。

流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得：

湍流时：

                                                             （1—27）

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  内管内径，m；      

   Re  流体在管内的雷诺数，无因次；

   Pr  流体的普朗特数，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。

过渡流时：

 α_i^’＝φα_i                                                                    （1—28）

式中：  修正系数，

三：实验装置与流程:

1）实验装置

本实验装置由蒸汽发生器、LWQ—25型涡轮流量变送器、变频器或PS电动调节阀、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。其实验装置流程和实验控制柜面板如图   

                               水蒸气～水（或空气）对流给热系数测定实验流程图

1、水泵或旋涡气泵   2、蒸气发生器    3、4、旁路阀   5、电动调节阀 6、蒸汽总阀

7、蒸气调节阀   8、9、冷凝水排放阀   10、水或空气流量调节阀11、惰性气体排放阀   

              水蒸气～空气体系对流给热系数测定实验控制柜面板图  

水蒸气—空气体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自旋涡气泵的空气进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷空气经LWQ—25型涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后放空。空气流量可用阀门调节或变频器自动调节。

水蒸气—水体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自高位槽的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经电动调节阀和LWQ—15型涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后进入下水道。水流量可用阀门调节或电动调节阀自动调节。

2）设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ16×1.5mm，长度L=1010mm；

（2）外套玻璃管规格：直径φ112×6mm，长度L=1010mm；

（3）旋涡气泵：XGB—12型，风量0～90m³/h，风压12kPa；

（4）压力表规格：0～0.1Mpa。

（5）电动调节阀：PS

（6）涡轮流量计：

    

    水蒸气～水体系对流给热系数测定实验控制柜面板图

四：实验步骤与注意事项：

1）实验步骤

（一）水蒸气～空气体系

     Ⅰ）手动操作

（1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查进系统的蒸气调节阀（7）是否关闭。

（2）打开总电源开关、仪表电源开关、（由教师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀（6））；

（3）开启变频器，启动旋涡气泵（1）；

（4）调节手动调节阀（10）的开度，阀门全开使风量达到最大；

（5）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸气调节阀（7），打开蒸汽管冷凝水排放阀（8））；

（6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀（8），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃爆裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀（8），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃爆裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷

Ⅱ）自动操作

（1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常；

（2）打开总电源开关、仪表电源开关、（由教师启动蒸汽发生器）；

（3）开启空气风量手动调节阀（10），使之开度呈最大状态；

（4）开启变频器，启动旋涡气泵（1），并使风量最大；

（5）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸汽总阀（6），打开蒸

汽管凝结水排放阀（7））；

（6）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀（7），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；

（7）仔细调节进系统蒸气调节阀（7）的开度，使蒸汽压力稳定地保持在0.05MPa以下（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证在恒压条件下操作。

（8）打开“对流给热系数测定实验.MCGS组态文件，出现提示输入工程密码对话框，输入密码1121后，进入组态环境，按“F5”键进入软件运行环境。按提示输入班级、姓名、学号、装置号后按“确定”进入“对流给热系数测定实验软件”界面，点击“对流给热系数测定实验”按钮，进入实验界面。当一切准备就绪后单击“开始按钮”开始实验，根据测试要求，由大到小逐渐调节变频器，控制空气的流量，合理确定3～6个实验点，待稳定后点击数据自动采集或分别从温度、压力巡检仪及智能流量计算仪（控制面板上）上读取各有关参数；当测好所需的实验次数后单击“停止”按钮停止实验。若实验完毕单击“退出实验”。回到“对流给热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统。

（9）实验终了，首先关闭蒸气调节阀（7）切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，再关闭变频器，然后关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。

（二）水蒸气～水体系

   Ⅰ）手动操作

（1）检查仪表、蒸汽发生器及测温点是否正常；

（2）打开总电源开关、仪表电源开关、（由教师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀（6））并使电动调节阀的电源呈“关”状态；

（3）关闭电动调节阀两端的阀门，开启旁路阀，使管内通以一定量的水，排除管内空气；

（4）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸汽总阀（6），打开蒸

汽管凝结水排放阀（7））；

（5）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀（7），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；；

（6）仔细调节进系统蒸气调节阀（7）的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.05MPa以下（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证在恒压条件下操作，再根据测  试要求，由大到小逐渐调节空气流量手动调节阀（10）的开度，合理确定3～6个实验点，待稳定后，分别从温度、压力巡检仪及智能流量计算仪（控制面板上）上读取各有关参数；

（7）实验结束，首先关闭蒸汽源总阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，在关闭水手动旁路调节阀，然后关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。

   Ⅱ）自动操作

（1）检查仪表、蒸汽发生器及测温点是否正常；

（2）打开总电源开关、仪表电源开关、（由教师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀（6））并使电动调节阀的电源呈“开”状态；

（3）关闭旁路阀，开启电动调节阀，使管内通以一定量的水，排除管内空气；

（4）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸气调节阀（7），打开蒸汽管凝结水排放阀（9））；

（5）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀，打开进系统的蒸汽总阀，使蒸汽缓缓进入换

热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；

（6）仔细调节进系统蒸汽总阀的开度，使蒸汽压力稳定地保持在一个压力等级（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证是在恒压条件下操作，再根据测试要求，通过流量手/自动控制仪，逐渐调大电动调节阀的开启度，合理确定3～6个实验点，分别待稳定后，从温度、压力巡检仪及智能流量计算仪（控制面板上）上读取各有关参数；

（7）实验结束，首先关闭蒸汽源总阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，在关闭电动调节阀，并使之两端的手动阀门呈关闭状态，然后关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。

2）注意事项

（1）一定要在套管换热器内管输以一定量的空气或水，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。

（2）开始通入蒸汽时，要缓慢打开蒸汽阀门，使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20min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

（3）操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.05MPa（表压）以下，因为在此条件下压力比较容易控制。

（4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下，并且随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。每组数据应重复2~3次，确认数据的再现性、可靠性。

第二篇：传热实验

化 工 原 理 实 验 报 告

 

实  验  名  称：    对流给热系数的测定      

                                                                                                                                              

学          院：        化学工程学院        

专          业：       化学工程与工艺       

班          级：        化工09－3班        

姓          名：   曾学礼  学  号 09402010337

同 组 者 姓 名：      周锃   刘翰卿         

指  导  教  师：          张亚静            

   日          期：       20##年10月11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. 测定空气在园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_w1-t₁₎-(t_w2-t₂)]/ln[(t_w1-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：Nu_i =α_i d_i /λ_i，Re_i =u_id_iρ_i/μ_i ，Pr _i=C_piμ_i/λ_i

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Pr _i =0.4，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：ln（Nui/ Pr^0.4）=mlnRe+lnA，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三、实验装置

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。

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13，16，19，22，25，28m³/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、实验注意事项

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. 实验时记录的数据      

表1    原始数据表

3.根据一定温度查《化工原理》上册可得数据：

以第一组数据为例读数：

40℃时，μ=1.91×10^-5Pa·s

   50℃时，μ=1.96×10^-5Pa·s

   60℃时,  μ=2.01×10^-5Pa·s

那么49.3℃时，μ=1.942×10^-5Pa·s

平均温度Δt_f=(t₁+ t₂)/2=49.3℃

查表可得：40℃时，ρ=1.128kg/m³    Cp=1.005×10³ J/(kg ℃ )

          50℃时，ρ=1.093 kg/m³    Cp=1.005×10³ J/(kg ℃ )

          60℃时，ρ=1.060 kg/m³    Cp=1.005×10³ J/(kg ℃ )

那么49.3℃时，ρ=(1.128-0.0035*9.3)kg/m³=1.095 kg/m³

                             Cp=1.005×10³ J/(kg ℃)

V=13m³/h=13/3600=3.61×10^-3 m³/s

α₁=[VρC_p (t₂ — t₁ )]/(A·Δt _m)=61.9

同上可得：

表2    各参数数据表

4.根据以上数据确定关联式中常数A、m的值

A_i=2πrl   Nu_i=α_i×d _i/λ_i   V=1/4×π×di²× u_i   Re_i=ρ_i ×d _i ×u _i /μ_i    Pr_i= Cp _i×μ_i/λ_i

表3     计算得数据表

以lg（Nu_i/Pr^0.4）为纵坐标，以lgRe为横坐标作如下曲线画图得：

由图可得：y=0.80436x-1.5769

斜率m=0.8044,截距LgA=-1.5769。那么A=0.0265。

七、实验结果分析与讨论

由实验所得数据得计算得到的Nu=0.0265Re^0.8044Pr^0.4与Nu =0.023Re^0.8Pr^0.4)进行比较，发现存在误差。

相对误差:m％=|0.8-0.8044|/0.8=0.55％  

A％=|0.023-0.0265|/0.023=15.22％

以数据与图可见，实验存在的误差相对较小，但图不是很精确。

产生这些误差的原因可能是:

1.实验仪器自身存在误差。

2.计算过程中，对数据小数点有一些取舍。

3.只做了6组数据，也有可能带来一定的误差。

4.实验时，虽然每组数据间隔时间已经保持在5-6分钟，但读取的数据仍有可能不太稳定。

5．在记录数据过程中，由于数据表跳得太快在记录数据时有些人眼观察上的误差。

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：逆流时温差大，换热效果好，传热效率高。

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，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。