水蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1、*化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：* 班級(jí)：*姓名*學(xué)號(hào)*實(shí)驗(yàn)組號(hào)*實(shí)驗(yàn)日期*指導(dǎo)教師*成績(jī)實(shí)驗(yàn)名稱水-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法；2. 觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象，測(cè)定水在圓形直管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)；3了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑；二、實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面(傳熱元件)進(jìn)行熱量交換，稱 為間壁式換熱。如圖(4 - 1)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對(duì)固體壁面的對(duì)流傳熱，固體壁面 的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱所組成。間壁式傳熱元件，在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，有Q m iC

2、 pi TiT2m2Cp2 t2ti1 Ai T2 A2 tW t m(6i)式中：Q 傳熱量，J / s ; m 熱流體的質(zhì)量流率，kg / s ;Cpi 熱流體的比熱，J / (kg ?C)； Ti熱流體的進(jìn)口溫度，C；T2熱流體的出口溫度，C；m 冷流體的質(zhì)量流率，kg / s ；Cp2 冷流體的比熱，J / (kg )；ti 冷流體的進(jìn)口溫度，C；t 2冷流體的出口溫度，C；i 熱流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù),A 熱流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m；2W / (m ?C)；T TW m 熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差，C；2 冷流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)， W / (m 2 ?C )；a 冷

3、流體側(cè)的對(duì)流傳熱面積，m；tW固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差，C；熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（6 2）計(jì)算,T TW mT1 T W1 T 2 TW2,T i TW ilnT 2 Tw2(6 2)式中：Twi 熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，C；TW -熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，C。固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（6 3）計(jì)算,tW1 t1 tW2 12tW t m .tWi tiln tW2 12(6 3)式中：twi 冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度，°C; t W2 冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，C。在本裝置的套管換熱器中，換熱桶內(nèi)通水蒸汽，內(nèi)銅管管內(nèi)通水

4、，水蒸氣在銅管表面冷凝放熱而加熱水，在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定后，有如下關(guān)系式:V Cp(t2 ti)2A2(t tW )m(64)式中： V冷流體體積流量，m/s ；冷流體密度，kg/m3；p 冷流體比熱，J/（kg C ）；1、t 2 冷流體進(jìn)、出口溫度，C；a 2 冷流體對(duì)內(nèi)管內(nèi)壁的對(duì)流給熱系數(shù)， W/（卅C ）；2 內(nèi)管的內(nèi)壁傳熱面積，m；w t） m 內(nèi)壁與流體間的對(duì)數(shù)平均溫度差，當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即入值很大，且管壁厚度很薄時(shí)，可認(rèn)為(t參照式(6 3)可得，C；Twi t w1， Tw2 t w2, 即為所測(cè)得的該點(diǎn)的壁溫，則由式（6 i）可得：V CP（ t2 t i ）2A2(t

5、wt)m若能測(cè)得被加熱流體的V、ti、t2，內(nèi)管的換熱面積A2，壁溫twi、tw2, 實(shí)測(cè)的冷流體在管內(nèi)的對(duì)流給熱系數(shù)（6 5）則可通過式（65）算得OC 2。對(duì)于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對(duì)流傳熱時(shí)，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為,(6 6)0.8 nNu 0.023 Re Pr式中：Nu努塞爾數(shù)，NU -，無因次;ReR»雷諾數(shù)，du,無因次;PrPr-普蘭特?cái)?shù)，無因次;上式適用范圍為：Re= 1.0 X 1041.2 X 105, Pr = 0.7120,管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/d >60。當(dāng)流Cp體被加熱時(shí)n= 0.4，流體被冷卻時(shí)n = 0.3。-流體與固體壁面的對(duì)流傳熱系數(shù)，W /

6、(m 2)；d-換熱管內(nèi)徑，m-流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W / (m ? C );u流體在管內(nèi)流動(dòng)的平均速度，m / s ;-流體的密度，kg / m 3；-流體的粘度，Pa ? s ;cp -流體的比熱，J / (kg ?C)。故可由實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后，即可作出曲線，并與經(jīng)驗(yàn)公式的曲線對(duì)比以驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)效果。三、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置由蒸汽發(fā)生器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、套管換熱器及溫度傳感器、溫度顯示儀表等構(gòu)成。 裝置參數(shù)中：紫銅管規(guī)格12X2mm即內(nèi)徑為8mm長(zhǎng)度為1m1-進(jìn)水管路；2-蒸汽入口； 3-玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)；4-冷流體進(jìn)口溫度；5-套管換熱器；6-惰性氣 體；7-蒸汽進(jìn)口壓力表；8-

7、蒸汽溫度；9-蒸汽出口溫度；10-冷流體出口溫度；11-水箱；12- 水泵；13-旁路球閥；14，16-冷凝水排空閥；15-蒸汽進(jìn)口調(diào)節(jié)球閥；17-流體流量調(diào)節(jié)閥 水一汽體系：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器，與來自水箱的水進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)管道排入地溝。冷水經(jīng)增壓泵和轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管(紫銅管)，水流量可用閥門調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，熱交換后進(jìn)入下水道。注意本實(shí)驗(yàn)中，冷流體并非循環(huán)使用，實(shí)驗(yàn)過程中需要 給水箱連續(xù)通水源。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 首先確定所有閥門處于關(guān)閉狀；2. 打開蒸汽發(fā)生裝置；3. 打開排水閥，排除套管內(nèi)的冷凝水，再打開水泵電源、儀表電源及總電源；4. 打開并調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥和排

8、氣閥(慢慢打開，壓力表指針若上下擺動(dòng)劇烈，則調(diào)節(jié)排氣閥使 壓力穩(wěn)定在0.01 )，使壓力穩(wěn)定在0.01左右，打開水流量控制閥門，將水導(dǎo)入套管；5. 緩慢調(diào)節(jié)蒸汽出口閥，將轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量控制在指定流量處，當(dāng)壓力穩(wěn)定時(shí)讀取壓力表讀數(shù)、蒸汽溫度、冷流體進(jìn)出口溫度及冷流體進(jìn)出口的壁溫（由于是第一組實(shí)驗(yàn)，則測(cè)第一組數(shù) 據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)?shù)仁昼娮笥?，?dāng)壓力表讀數(shù)和各儀表讀數(shù)穩(wěn)定后再記數(shù)據(jù)，之后的每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均 取穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)）；6. 分別測(cè)量流量為40、50、70、150、220、320L/h等六組不同流量值所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；7. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥、水流量控制閥、蒸汽發(fā)生器、水泵儀表、電子儀表及總

9、 電源。五、原始數(shù)據(jù)記錄表1.水-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)冷流體質(zhì)量流量Kg/s冷流體蒸汽壓力表壓力MPa進(jìn)口溫度11出口溫度t 2C進(jìn)口壁溫tw1 C出口壁溫tw2 C蒸汽溫度T C10.01102444425.462.650.7821000.01020.01372361124.874.965.393.41000.01030.01921305623.875.572.391.71000.01140.04134166722.554.754.879.21000.01050.06070777821.747.846.874.91000.01060.08850666721.441.751.

10、270.91000.010六、數(shù)據(jù)處理水-蒸汽給熱系數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)處理表表2.序號(hào)管內(nèi)平均 速度um/s定性溫度tCPkg /m31Pa ?s入W /(m? C)CPJ /(kg?C)aW /(m2?C)NuC 0.4PrNu/P0.4 rRe10.2244992.0.000.634174306616.81.749.642879.2591161206094.876160935394805938703282772220.2749.8988.0.000.644174406821.31.6512.83977.59064515105498.858423678557348815439326127930.38

11、49.6988.0.000.644174560324.31.8013.44489.87970315106818.33638636974692829447195728240.8238.6992.0.000.634174783845.01.8224.79661.0919352206814.100865728303438782486357955851.2134.7993.0.000.624174100959.11.8731.513379.71638454072262.29746755405073432516424347461.7631.5995.0.000.614174101277.01.9339.

12、818353.19928557076780.40623517349282476925775583905水的密度、粘度、熱導(dǎo)率以及比熱容等可由附錄五和附錄七查得-1( x 10 °m=p vs=988.1 X 湎 =0.011024444t Wlt 1t W2t 2得lntW1t1得t W2t 2(50.7-25.1)- C82-62.G)(50.7 -25- <)'n t&2 *62. 6)(t w-t) m= 22.219600254 X (40 X 10- ：Sfi00013.14 x 0,000P = 0.22116065 lZst=(26.2+79.2)

13、/2=52.7 C由公式V Cp(t 2t 1 )2A(tw t)m(t2-t i) i=53 CA=n dl=3.14*0.008*1=0.02512m 2LI X 10 X QO瓷2X4174X27.2?22.2196X 0.02512=306&876論/(mNu0.023 Re0.8Prn = 0-023 x 2879.26°° x i613459” = 16.8161Redu0L 008 X Ql 221161 X 992.20. OOML=2879. 26PrCPH74 x 0. DOOfil=L613459所以Pr 0.4i=二.用寫芒心由:得:In 5

14、7 = mln R 4- In c七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論通過本次實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與操作，對(duì)間壁式傳熱元件進(jìn)一步了解，掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法， 對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到In Re- l nNu/Pr04關(guān)系圖，通過斜率和截距得到 m和c值, 將實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行對(duì)比，存在很大的誤差。結(jié)果分析：在對(duì)實(shí)驗(yàn)值與理論值進(jìn)行比較得，在溫度的較小時(shí)誤差較大，隨著溫度的升高， 誤差減小。整體實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)溫度較小，產(chǎn)生誤差較大。隨著溫度的升高，氣體的粘度增大。y = 1.3101X + 4.9799八、思考題1、 實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響 ？答：實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向相同，對(duì)傳熱效果無影響。 因?yàn)镼=a AAt m，不論冷流體和蒸汽 是并流還是逆流流動(dòng)，由于蒸汽的溫度不變，故 tm不變，而a和A不受冷流體和蒸汽的流向 的影響，所以傳熱效果不變。2、在計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值與求雷諾數(shù)時(shí)的密度值是否一致？它們分別表示什 么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計(jì)算。答：不一致。計(jì)算冷流體質(zhì)量流量時(shí)所用到的密度值是冷流體進(jìn)口溫度下對(duì)應(yīng)的密度；求雷諾 數(shù)時(shí)的密度值時(shí)是冷流體進(jìn)出口算術(shù)平均溫度對(duì)應(yīng)的密度。3、實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝水不及時(shí)排走，會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何及時(shí)排走冷凝水？如果