浙江大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)-橫管對流傳熱系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專業(yè)： 姓名： 學(xué)號： 日期： 2015.12.04 地點(diǎn)： 教十1206 實(shí)驗(yàn)報告課程名稱：過程工程原理實(shí)驗(yàn)（乙） 指導(dǎo)老師： 楊國成 成績：_實(shí)驗(yàn)名稱：傳熱綜合實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)類型：工程實(shí)驗(yàn) 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得 橫管對流傳熱系數(shù)的測定1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1.1 掌握空氣在普通和強(qiáng)化傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影

2、響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。1.2 把測得的數(shù)據(jù)整理成形式的準(zhǔn)數(shù)方程式，并與教材中相應(yīng)公式進(jìn)行比較。1.3 了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。2 裝置與流程： 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示： 圖1.裝置示意圖 2.2 流程介紹：實(shí)驗(yàn)裝置由蒸汽發(fā)生器、孔板流量變送器、變頻器、套管換熱器及溫度傳感器、智能顯示儀等構(gòu)成?？諝馑魵鈸Q熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器，與被風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的空氣進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)排出閥排入盛水裝置。空氣經(jīng)孔板流量計進(jìn)入套管換熱管內(nèi)（紫銅管），流量通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動控制，熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排出。本實(shí)驗(yàn)中，普通管和強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)通過管路

3、上的切換閥門進(jìn)行切換。 2.3 橫管對流傳熱系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符號說明表：名稱符號單位備注冷流體流量V紫銅管規(guī)格：19mm1.5mm，即內(nèi)徑為16mm，有效長度為1020mm，冷流體流量范圍：318 m3/h冷流體進(jìn)口溫度t1普通管冷流體出口溫度t2強(qiáng)化管冷流體出口溫度 t2蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸氣溫度T1普通管熱流體進(jìn)口端壁溫TW1普通管熱流體出口端壁溫TW2普通管外蒸氣溫度T強(qiáng)化管熱流體進(jìn)口端壁溫TW1 強(qiáng)化管熱流體出口端壁溫TW2 強(qiáng)化管外蒸氣溫度T 3 基本原理：間壁式換熱器：冷流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面進(jìn)行熱量交換。本裝置主要研究汽氣綜

4、合換熱，包括普通管和強(qiáng)化管。其中，水蒸氣空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸氣走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂強(qiáng)化管，是在紫銅管內(nèi)加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進(jìn)而增大了空氣流動的湍流程度，使換熱效果更明顯。 3.1 空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成，如圖2： T b TW tw t 圖2.間壁式傳熱過程示意圖間壁式傳熱元件在傳熱穩(wěn)定后，有公式： （1） 式中： Q 傳熱量，W； m1 熱流體質(zhì)量流量，kg/s； Cp1 定性溫度下熱流體比熱，J/(kg)； T1 熱流體進(jìn)口溫度，； T2 熱流體

5、出口溫度，； m2 冷流體質(zhì)量流量，kg/s； Cp2 定性溫度下冷流體比熱，J/(kg)； t1 冷流體進(jìn)口溫度，； t2 冷流體出口溫度，； 1 熱流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/()； A1 熱流體測的傳熱面積，； (T-Tw)m 熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫度，； 2 冷流體與固體壁面的對流傳熱系數(shù)，W/()； A2 冷流體測的傳熱面積，； (t-tw)m 冷流體與固體壁面的對數(shù)平均溫度，； K 以傳熱面積A為基準(zhǔn)的總傳熱數(shù)，W/()； A 傳熱面積，； t 冷、熱流體的對數(shù)平均溫差，。其中： 空氣質(zhì)量流量算法： 空氣之際體積流量，； 空氣在孔板處的密度，kg/。本實(shí)驗(yàn)中即為空氣在進(jìn)

6、口溫度下對應(yīng)的密度?？諝庠跓o紙記錄儀上記錄的體積流量與空氣流過孔板時候的密度有關(guān)?？紤]到實(shí)際過程中，空氣的進(jìn)口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流量是孔板處的空氣密度為1 kg/時候讀數(shù)，因此，如果空氣的密度不等于該值，則空氣的實(shí)際體積流量應(yīng)按照下式進(jìn)行校正。 （5）V 無紙記錄儀上顯示的空氣的體積流量，。在本裝置的套管換熱器中，環(huán)隙內(nèi)通水蒸氣，紫銅管內(nèi)通空氣，水蒸氣在紫銅管表面冷凝放熱而加熱空氣。當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即值很大，且管壁厚度較薄時，可以認(rèn)為同一截面處換熱管兩側(cè)壁溫近似相等，即： ， （6） 在傳熱達(dá)到穩(wěn)定后，可得： （7）即： （8）實(shí)驗(yàn)中測定出紫銅管的壁

7、溫tW1和tW2 ；冷流體的進(jìn)出口溫度t1和t2 ，并查得t平均=0.5(t1+t2)下冷流體對應(yīng)的Cp2以及實(shí)驗(yàn)用銅管的長度l、內(nèi)徑d2，A2=d2l和冷流體的質(zhì)量流量m2，即可計算出2。 3.2 準(zhǔn)數(shù)方程式 對于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對流傳熱時，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗(yàn)式為： （9）式中： 努賽爾數(shù)； 雷諾數(shù)； 普蘭特數(shù)；對于流體是被空氣冷卻的情況，Pr常數(shù)，n=0.3，式(9)可簡化為： 在雙對數(shù)坐標(biāo)中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)n。在直線上任取一點(diǎn)的函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)B。4 實(shí)驗(yàn)步驟： 4.1 檢查儀表、風(fēng)機(jī)、蒸汽發(fā)生器及測溫點(diǎn)是否正常； 4.2 蒸汽發(fā)生器灌水至接近最高點(diǎn)處

8、； 4.3 打開總電源開關(guān)、儀表電源開關(guān)，啟動控制軟件。開啟蒸汽發(fā)生器開始加熱； 4.4 溫度上升到水的沸點(diǎn)后，開啟風(fēng)機(jī)；4.5 選擇普通管管路，與儀表顯示一致后，通過控制軟件上的“流量設(shè)定”，按12 m3/h、10 m3/h、8 m3/h、6 m3/h的數(shù)據(jù)改變冷流體的流量；4.6在每個實(shí)驗(yàn)點(diǎn)時，觀察溫度變化，特別注意冷流體出口溫度的變化，等待系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定后，冷流體出口溫度不再有明顯的變化時，點(diǎn)擊讀取數(shù)據(jù)按鈕，保存得到該冷流體流量下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；4.7 完成普通管的測定后，切換到強(qiáng)化管，按第4.5、4.6兩步相同的操作進(jìn)行測定和數(shù)據(jù)的采集；4.8完成實(shí)驗(yàn)后，按序切斷電加熱器電源、水源，停

9、風(fēng)機(jī)，最后導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)閉計算機(jī)。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理：5.1 基本參數(shù)：紫銅管規(guī)格：19mm1.5mm，即內(nèi)徑為16mm，A=0.050m2，有效長度為1020mm。5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：冷流體進(jìn)口溫度/fAirTemp1fAirTemp119.18619.75202020.37420.43620.25冷流體出口溫度/fAirTemp2fAirTemp265.87468.43670.93472.43478.12475.43675.684冷流體流量(m3/h)fVfV20.005514.768610.96057.999638.0319312.672416.4429蒸汽進(jìn)口處壁溫/fVaporT

10、emp1fVaporTemp1102.124102102101.812101.934102.812102.812蒸汽出口處壁溫/fVaporTemp2fVaporTemp2102.374102.434102.25102.124101.374102.124102.124管外蒸汽溫度/ai04ai04101.75101.686101.686101.62499.624100.812100.874加熱器汽相溫度/fTempfTemp102.06101.934101.934101.874101.124102102管道名稱iPipeNameiPipeName 普通管1 普通管2 普通管3 普通管4 強(qiáng)化管

11、1 強(qiáng)化管2 強(qiáng)化管35.3 數(shù)據(jù)處理： 計算示例：以強(qiáng)化管第一組數(shù)據(jù)為例： t1=20.374 t2=78.124 V=8.03193m/h T1=101.124 TW1=101.934 TW2=101.374 T=99.624t1=20.374，空氣的密度為1.2035 kg/m，空氣平均溫度4050下空氣熱容為1005J/(kgK)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0280/W/(mK)，空氣粘度為1.9410-5/Pas.=7.3214m/h =7.3214/3600*1.2035=0. kg/sQ=0.*1005*（78.124-20.374）=142.06 J/kg = (20.374-101.93

12、4)-(78.124-101.374)/ln(20.374-101.934)/ (78.124-101.374)=46.462= =142.06/0.051/46.46=59.95W/m2K Nu= 59.95*0.016/0.0280=34.26Re=0.016*0./（0.008*0.008*3.14*1.94）*10=1.005*10分別計算，得到如下表格TW1/TW2/t1/t2/V/(m3/s)m2/(Kg/s)Q/(J/kg)(tW-t)m/K/(W/m2K)NuRe（10）管道類 型102.124102.37419.18665.8740.005060.00611286.03 56

13、.5799.1456.66 2.509 普通管102102.43419.7568.4360.003730.00450220.10 54.616 79.0145.12 1.846 普通管102102.252070.9340.002770.00333170.67 52.65 63.5636.29 1.368 普通管101.812102.1242072.4340.002020.00244128.66 46.84 49.0628.01 1.002 普通管101.934101.37420.37478.1240.002030.00245142.0646.4659.9534.261.005強(qiáng)化管102.81

14、2102.12420.43675.4360.003210.00386213.3649.4184.6748.351.584強(qiáng)化管102.812102.12420.2575.6840.004160.00501279.1149.29111.1063.442.056強(qiáng)化管在雙對數(shù)坐標(biāo)內(nèi)做NuRe圖像為： 6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：6.1準(zhǔn)數(shù)方程式：根據(jù)圖像及雙對數(shù)坐標(biāo)下直線方程，可得：對于普通管，有Nu=；對于強(qiáng)化管，有Nu=。 6.2 結(jié)果分析： 6.2.1 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熱流體流速越大，橫管對流傳熱系數(shù)越大，熱量交換越迅速，越明顯，換熱效果也越好。另外，隨著熱流體溫度的升高，平均溫差變化很小，可以認(rèn)

15、為基本上沒有發(fā)生變化，故在生產(chǎn)中在負(fù)載允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)增大流速，以更好地?fù)Q熱任務(wù)。6.2.2 在管內(nèi)加裝彈簧，增大空氣流動時的湍流程度后，空氣在換熱過程中所獲得的熱量增大，所以強(qiáng)化管的較普通管有明顯的增大，說明傳熱效果更好。因此在工程上，使用列管式換熱器時，常通過增加殼程擋板來增大湍流程度，以獲得更好的換熱效果。6.2.3 通過加彈簧方法來提高傳熱效果，由于污垢不斷積累所產(chǎn)生的熱阻和流體運(yùn)行阻力的增加，使得效果的提高并沒有想象中那么理想，所以實(shí)際生產(chǎn)中很少用這樣的方法。6.3 誤差分析：無論是普通管還是強(qiáng)化管，實(shí)驗(yàn)得到的Nu與Re的關(guān)系式與公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)式（Nu=0.023Re0.8）有一定的

16、偏差。分析起來，產(chǎn)生偏差的主要原因可能有：（1）測量儀器本身的系統(tǒng)誤差和外界因素的干擾。比如由于長期有人做實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致管內(nèi)污垢層積，使管內(nèi)熱阻增大，導(dǎo)致測得的數(shù)據(jù)發(fā)生偏離。（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，假設(shè)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即值很大，且管壁厚度較薄時，所以可以認(rèn)為同一截面處換熱管兩側(cè)壁溫近似相等，即：， 而實(shí)際上內(nèi)管材料的性能究竟有沒有這么好，有待確定。（3）測定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，要求在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，要求穩(wěn)定時間在8min以上，而事實(shí)上測量數(shù)據(jù)的時候，在溫度穩(wěn)定5min左右就已經(jīng)開始采集數(shù)據(jù)，而有可能此時傳熱尚未達(dá)到真正的穩(wěn)定。即使每次數(shù)據(jù)都在度數(shù)穩(wěn)定8min采集，也不能保證此時傳熱已經(jīng)穩(wěn)定，因?yàn)檫^

17、程工程原理實(shí)驗(yàn)是工程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受實(shí)際復(fù)雜情況影響較大。 （4）數(shù)據(jù)處理的時候也會引入一定的誤差。 （5）加強(qiáng)管的測量誤差較大，可能是因?yàn)闇y量的數(shù)據(jù)較少，公式未能完全擬合. 6.4思考題：6.4.1 實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響？在不考慮錯流和折流的情況下，實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向有兩種：一種是兩者流動方向相同，即并流；另一種是兩者流動方向相反，即逆流。這兩種情況的傳熱效果是不相同的，因?yàn)樵谕瑯拥倪M(jìn)、出口溫度下，逆流的傳熱溫差比并流的大，所以當(dāng)傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)不變時，逆流時傳熱速率更大，傳熱效果也更好。6.4.2 在計算冷流體質(zhì)量流量時所用到的密度值與求雷諾數(shù)時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進(jìn)行計算？不一致。計算冷流體質(zhì)量流量時的密度是孔板流量計測壓的地方的溫度對應(yīng)的密度，應(yīng)該將壓力換算到常壓下進(jìn)行計算。本實(shí)驗(yàn)測壓處的壓力近似認(rèn)為是常壓。求雷諾數(shù)時，所也用的密度是傳熱管中的定性溫度所對應(yīng)的氣體密度，它所表示的是管內(nèi)空氣的平均溫度。在處理數(shù)據(jù)的時候，將雷諾數(shù)Re的公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化：Re=6.4.3 實(shí)驗(yàn)過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？冷凝水不及時排走將會附著在管壁上，由于水的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)差于紫銅，所以未及時排走的冷凝水將降低傳熱的速率，使傳熱效果變差。要及時排走冷凝水，可