化工原理實(shí)驗(yàn)之對流傳熱實(shí)驗(yàn)

1、化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告之傳熱實(shí)驗(yàn)學(xué)院 學(xué)生姓名 專業(yè) 學(xué)號 年級 二一五 年 十一月 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160; 1.測定冷空氣熱蒸汽在套管換熱器中的總傳熱系數(shù)K；2.測定空氣或水在圓直管內(nèi)強(qiáng)制對流給熱系數(shù)；  3.測定冷空氣在不同的流量時(shí)，Nu與Re之間的關(guān)系曲線，擬合準(zhǔn)數(shù)方程。二、實(shí)驗(yàn)原理（1）冷空氣-熱蒸汽系統(tǒng)的傳熱速率方程為，式中，單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量，; 熱蒸汽與冷空氣之間的傳熱面積，; 熱蒸汽與冷空氣之間的平均溫差，或 總傳熱系數(shù)，； 換熱器內(nèi)管的內(nèi)直徑，=20mm 換熱器長度，=1.3m； 冷空氣流量，； 冷空氣密度，空氣比熱，; 冷空氣進(jìn)出換熱器的溫度，；

2、熱蒸汽的溫度，。實(shí)驗(yàn)通過測量熱蒸汽的流量V，熱蒸汽進(jìn)、出換熱器的溫度T1和T2 （由于熱蒸汽溫度恒定，故可直接使用熱蒸汽在中間段的溫度作為T）,冷空氣進(jìn)出換熱器的溫度t1和t2，即可測定K。（2）熱蒸汽與冷空氣的傳熱過程由熱蒸汽對壁面的對流傳熱、間壁的固體熱傳導(dǎo)和壁面對冷空氣的對流傳熱三種傳熱組成，其總熱阻為：其中,熱空氣，冷空氣的給熱系數(shù)，； 內(nèi)管的內(nèi)徑、內(nèi)外徑的對數(shù)平均值、外徑，； 內(nèi)管材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，。在大流量情況下，冷空氣在夾套換熱器殼程中處于強(qiáng)制湍流狀態(tài)，h2較大，值較小；較大，值較小，可忽略，即（3）流體在圓形直管中作強(qiáng)制對流時(shí)對管壁的給熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式為。式中：努塞爾準(zhǔn)數(shù)，空氣的導(dǎo)熱

3、系數(shù)，； 雷諾準(zhǔn)數(shù)，,熱蒸汽在管內(nèi)的流速，； 普蘭特準(zhǔn)數(shù)，； 熱蒸汽的黏度，。 對冷空氣而言，在溫度范圍較大的情況下，Pr基本不變，n為常數(shù)，則上式可簡化為：，式中。實(shí)驗(yàn)中改變冷空氣的流量，熱蒸汽和冷空氣兩流體間的平衡將發(fā)生變化，與之對應(yīng)的兩個(gè)準(zhǔn)數(shù)Re、Nu也隨之改變，進(jìn)而可在雙對數(shù)坐標(biāo)下作出Re與Nu的關(guān)系是一直線。擬合出此直線方程，即為Re與Nu的準(zhǔn)數(shù)方程。三、實(shí)驗(yàn)流程與實(shí)驗(yàn)裝置圖 蒸汽發(fā)生器將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，并加熱冷空氣，空氣和蒸汽通過套管換熱器進(jìn)行熱量交換。實(shí)驗(yàn)裝置以及流程示意圖如下：四、實(shí)驗(yàn)操作步驟 1、熟悉傳熱實(shí)驗(yàn)流程及儀表使用，檢查設(shè)備，做好運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)操作準(zhǔn)備。 2、啟動控制箱總電源

4、，然后啟動蒸汽釜開關(guān)電源，燒水產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)對管道系統(tǒng)預(yù)熱。 3、預(yù)熱期間作出數(shù)據(jù)記錄表，觀察設(shè)備型號，熟悉實(shí)驗(yàn)流程及裝置的操作方法，掌握待測參數(shù)的具體意義及在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用方法。 4、觀察管道上的溫度計(jì)，待到兩根換熱器上的六個(gè)溫度計(jì)示數(shù)均上升至93以上時(shí)，準(zhǔn)備開啟風(fēng)機(jī)。（等待溫度升高的同時(shí)需要不時(shí)對換熱器排放冷凝水使其溫度較為快速的上升。排水的同時(shí)注意不要讓水濺出滴在下方的渦輪流量計(jì)上。）4、開啟上球閥，關(guān)閉下球閥，將閘閥開到最大，啟動風(fēng)機(jī)電鈕。此時(shí)記錄最大流量，然后調(diào)節(jié)閘閥到最小，待流量穩(wěn)定后讀出最小流量，將最小流量與最大流量之間等分為五個(gè)流量間隔共計(jì)六個(gè)流量，從最小流量開始，待系統(tǒng)穩(wěn)定

5、3分鐘到5分鐘后，依次從控制箱顯示器上讀取空氣流量、從相應(yīng)溫度計(jì)上讀取蒸汽溫度、空氣進(jìn)出口溫度并記錄數(shù)據(jù)，一直測到最大流量附近處，共計(jì)測量六次，完成測量換熱器1的數(shù)據(jù)采集。 5、重復(fù)以上步驟，采集換熱器2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 6、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集完后，將所得數(shù)據(jù)交于指導(dǎo)老師處查看，經(jīng)指導(dǎo)老師同意后，關(guān)機(jī)離開實(shí)驗(yàn)室。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備號：傳熱實(shí)驗(yàn)裝置CR-013；換熱器類型：普通套管換熱器換熱器尺寸：管徑； 管長序號蒸汽溫度冷空氣進(jìn)口溫度冷空氣出口溫度126.798.724.168.2233.099.224.067.7339.599.024.667.2446.198.826.267.1552.798.72

6、9.067.7655.897.630.267.4 設(shè)備號：傳熱實(shí)驗(yàn)裝置CR-013；換熱器類型：螺旋套管換熱器換熱器尺寸：管徑； 管長；螺紋深度1mm；螺紋中心距3mm序號蒸汽溫度冷空氣進(jìn)口溫度冷空氣出口溫度119.999.319.865.5226.499.520.366.5332.999.321.267.2439.499.522.868.2546.199.424.968.9652.899.228.570.1六、典型計(jì)算（以普通套管換熱器的第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例）原始數(shù)據(jù)=26.7，蒸汽溫度=98.7,冷空氣進(jìn)口溫度=24.1，出口溫度68.2。計(jì)算原理公式：。（1）計(jì)算總傳熱系數(shù)K空氣進(jìn)出口平均

7、溫度為=46.15，查表得到該溫度附近處空氣的密度為1.093,定壓熱容。則= =363.57計(jì)算換熱面積：計(jì)算：則：（2） 計(jì)算Re和Nu空氣進(jìn)出口平均溫度為=46.15，查表得到該溫度附近處空氣的黏度，導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)公式計(jì)算則由前文實(shí)驗(yàn)原理部分說明得：,則同理可求得其他組的數(shù)據(jù)，需要特別說明得是，螺旋管的傳熱面積計(jì)算與普通管不同，這里以螺旋管第一組數(shù)據(jù)為例計(jì)算：關(guān)于螺旋管的其他計(jì)算均與普通管相同，參照上述計(jì)算方法可以得到螺旋管的相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果。整理得下表：普通套管換熱器序號流量傳熱速率平均溫差總傳熱系數(shù)給熱系數(shù) 126.71308.85349.30672.22172.22126330.150

8、51.112233.01603.01150.22086.84286.84232542.88361.459339.51870.45750.118101.537101.53738952.84471.859446.12095.87549.357115.527115.52745461.42181.760552.72267.05847.765129.129129.12951969.99791.386655.82307.37546.338135.474135.47455027.05695.877螺旋套管換熱器序號流量傳熱速率平均溫差總傳熱系數(shù)給熱系數(shù) 119.91039.17353.43229.07329

9、.07319624.34420.575226.41393.68452.77239.47939.47926034.30627.940332.91729.30851.73649.96749.96732444.26835.362439.41988.35250.65458.67958.67938854.23041.528546.12254.73149.26868.41168.41145461.42148.416652.82441.56546.86277.88377.88352068.61255.119由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)做出兩個(gè)管與的關(guān)系曲線，如下圖所示：圖一 普通套管換熱器與的關(guān)系曲線圖二 螺旋套管換熱器

10、與的關(guān)系曲線七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在本次實(shí)驗(yàn)中，我們對普通套管換熱器以及螺旋管換熱器在蒸汽-冷空氣流體系統(tǒng)下的傳熱性能及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測定。從最終所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，兩種換熱器的共同點(diǎn)在于在相近流量條件下，兩者的平均溫差相近，最終的Re-Nu關(guān)系曲線都是一條直線。然而，普通管換熱器的的溫差，傳熱速率，都明顯小于螺旋管換熱器，同時(shí)傳熱系數(shù)也高于螺紋管，造成這一現(xiàn)象的主要原因是螺紋管換熱器的傳熱面積平均為普通管的1.82倍，于是導(dǎo)致溫差較大，從而傳熱速率較大，但是由于系統(tǒng)存在熱量損失，所以在傳熱速率以及面積同時(shí)增長的情況下給熱系數(shù)反而較普通管低。綜上，可以得到普通套管換熱

11、器與螺旋套管換熱器的Re-Nu關(guān)系曲線大致相同。流體在管內(nèi)呈強(qiáng)制湍流狀態(tài)時(shí)兩參數(shù)符合對數(shù)線性相關(guān)，在Re為20000-50000范圍，>60時(shí)，由此可以推算出管壁壁溫，再推算出間壁的導(dǎo)熱系數(shù)。2、誤差分析：本次實(shí)驗(yàn)誤差主要有以下幾個(gè)來源：（1）冷空氣流量在較大流量范圍內(nèi)流量不易穩(wěn)定，讀取流量時(shí)產(chǎn)生誤差。應(yīng)盡量長時(shí)間等待使系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）在測量螺旋管第一組數(shù)據(jù)時(shí)誤將溫度讀成普通管的溫度，于是將整體流量范圍向后移動一個(gè)差值。八、實(shí)驗(yàn)問答1.分析影響傳熱系數(shù)及給熱系數(shù)的因素？答：在傳熱基本方程式中，傳熱量Q是生產(chǎn)任務(wù)所規(guī)定 的，溫度差之值由冷、熱流體進(jìn)、出換熱器的始、終溫度決定，也是由工藝要求

12、給出的條件，則傳熱面積A之值與總傳熱系數(shù)K值密切相關(guān)。而在無相變強(qiáng)制對流傳熱問題中，對于幾何相似的設(shè)備，可將給熱系數(shù)的影響因素表示為：。因此，流體的密度，黏度，導(dǎo)熱系數(shù)，比熱，傳熱表面的特征尺寸都影響給熱系數(shù)的大小。2. 采取何種措施可提高和值？答：在大流量，冷空氣在管道中處于強(qiáng)制湍流狀態(tài)時(shí)，管熱溫度由管內(nèi)外流體的流量及溫度有關(guān)，的大小也取決于蒸汽溫度和空氣進(jìn)出口溫度，蒸汽溫度無法改變，進(jìn)出口溫度取決于管道的材料和幾何尺寸。因此要提高傳熱系數(shù)和給熱系數(shù)，就需要增大空氣流量，減小管道傳熱面積，選用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材質(zhì)，或者減小間壁厚度。3. 的物理意義是什么？如何確定？答：稱為對數(shù)平均溫差，是換熱器兩端