1、序号： 03化 工 原 理 实 验 报 告实 验 名 称： 传热系数的测定 学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工 093 班 姓 名： 朱秀玲 学 号 09402010303 同 组 者 姓 名： 王科媛、阮小琳、朱佳佳 指 导 教 师： 张亚静 日 期： 2011 年 10 月 18 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 i；3. 应用线性回归分析方法，确定关联式 Nu=ARemPr0.4 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
2、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：VCp（t 2-t1）= iAi(tw-t)m (1)式中：V-被加热流体体积流量，m 3/s-被加热流体密度，kg/m 3Cp-被加热流体平均比热， J/(kg) i -流体对内管内壁的对流给热系数， W/(m2)t1、t 2-被加热流体流进、出口的温度，；Ai-内管的外壁、内壁的传热面积，m 2(T-Tw)m-水蒸气与外壁间的对数平均温度差，。(T-Tw)m=（T 1-Tw1）-（T 2-Tw2）/ ln(T 1-Tw1)/(T2-Tw2) (2)(tw-t)m-内壁与流体间的对数平均温度差，(tw-t)m=(t
3、w1-t1)-(tw2-t2)/ln(tw1-t1)/(tw2-t2) (3)式中：T 1、T 2-蒸汽进、出口温度，；Tw1、 Tw2、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 值很大时，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1=tw1，T w2=tw2，即为所测该点的壁温。由(3)式可得： i= VCp（t 2-t1）/A i(tw-t)m (4)若能测得被加热流体的 V、t 1、t 2，内管的换热面积 Ai，水蒸汽温度 T，壁温Tw1、T w2，就可以通过上式计算出对流给热系数 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： i =0.02
4、3Re 0.8Pr0.4/di式中： i -流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m 2.)； -流体的导热系数，W/(m 2.)；di-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 tf=(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：Nui=AReimPrin其中：Nu i =i di /i，Re i =uidii/i ，Pr i=Cpii/i物性数据 i、C pi、 i、 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
5、，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 Rei 与 Nui，将上式转化为：ln（Nui/ Pr0.4）=mlnRe+lnA，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.实验装置图空气-水蒸气传热综合实验装置流程图 1-水泵或漩涡气泵 2-蒸汽发生器 3、4-旁路阀 5-电动调节阀 6-蒸汽总阀 7-蒸汽调节阀 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2.设备与仪表规格（1）紫铜规格：直径 201.5mm，长度 L=1000mm（2）外套玻璃管规格：直径 1005mm，长度 L=1000mm（3）压力表规格：00.1
6、Mpa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
7、，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 13，16，19，22，25，28m 3/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
8、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、实验数据处理与分析1. 实验时记录的数据 表 6
9、1 原始数据表 空气流量（m 3.h-1）冷空气进口温度t1（）冷空气出口温度t 2（）蒸汽进口温度T1（）蒸汽出口温度T2（）12 26.8 67.9 100.6 99.814 28.0 71.4 101.1 100.516 29.3 71.6 101.3 100.518 30.9 71.8 101.5 100.620 32.3 71.8 101.5 100.622 33.8 72.1 101.5 100.624 35.1 71.9 100.8 99.926 36.3 72.5 101.5 100.52冷流体的物性等基本数据计算以第一组数据为例：定性温度 tf=（t 1+ t2）/2=47.
10、35查化工原理上册可得： 40时，=1.128kg/m 3 ，Cp=1.00510 3 J/(kg . )50时，=1.093 kg/m 3 ，Cp=1.00510 3 J/(kg . )由内插法可得： 47.35时，=1.102kg/m 3 CP=1.005103 J/(kg. )同理可求：=2.80710 -2W/（m.） ， =1.947105 Pa.s空气流速计算 u=V/r 2=123600(3.140.00852)=14.69 m/s表 62 冷流体的物性参数表空气流量（m 3.h-1）平均温度tf=（t 1+t2）/2（）密度（kg.m -3）比热容 cpkJ.kg-1.导热系数
11、 W/（m.）粘度105（Pa.s）空气流速u （m/s ）12 47.35 1.102 1.005 0.02807 1.947 14.6914 49.70 1.094 1.005 0.02824 1.959 17.1416 50.45 1.092 1.005 0.02829 1.962 19.5918 51.35 1.089 1.005 0.02835 1.967 22.0420 52.05 1.084 1.005 0.02840 1.970 24.4922 52.95 1.083 1.005 0.02847 1.975 26.9424 53.50 1.081 1.005 0.02851 1
12、.977 29.3926 54.40 1.078 1.005 0.02857 1.982 31.83表格数据显示，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 0.4RePrmNuA中常数 A、m 的值以第一组数据为例：(tw-t)m=(T1-t2)(T 2-t1)/ln(T1-t2)/(T2-t1)=50.18Ai=2rl=23.140.0085/21=0.05338m2 i= VCp（t 2-t1）/A i(tw-t)m=56.64 W/(m2.)Nui=id i/i=56.641710-3/0.02807=34.30Rei=i d i u i /i=1.102171
13、0-314.69/(1.94710-5)= 14134.69Pri= Cp ii/i=10051.94710-5 /0.02807=0.6971表 63 最终数据表空气流量（m 3.h-1）（t w-t） m()传热系数i（W/(m 2.)）Nui Rei Pri12 50.18 56.64 34.30 14134.69 0.6971 14 47.96 72.48 43.63 16272.06 0.6972 16 47.46 81.44 48.94 18535.61 0.697018 46.89 89.42 53.62 20743.60 0.697320 46.35 96.63 57.84 2
14、2908.72 0.697122 45.57 104.73 62.54 25113.54 0.697224 44.46 112.31 66.97 27319.17 0.697026 44.29 119.81 71.29 29430.71 0.6972以 ln（Nu i/Pr0.4）为纵坐标，以 lnRe 为横坐标作如下曲线画图得：由图可得：m=0.9352 LnA=-5.19126，可得m=0.9352，A=0.0056七、实验结果分析与讨论结合图可见，实验存在的误差相对较大，图的线性不是很好。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.实验
15、组数有点少，数据有点偏差。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，而且实验时间控制的可能不是很好。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
16、。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。2. 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。3. 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。4. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对 关联式有何影响？答：压强增大对 关联式基本没有影响。
