傳熱實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考題

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱 傳熱實(shí)驗(yàn) 一、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諅鳠嵯禂?shù)K、給熱系數(shù)a和導(dǎo)熱系數(shù)入的測(cè)定方法。比較保溫管、裸管和水套管的傳熱速率，并進(jìn)行討論。掌握熱電偶測(cè)溫原理及相關(guān)二次儀表的使用方法。2實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)傳熱基本方程、牛頓冷卻定律以及圓筒壁的熱傳導(dǎo)方程，一直傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測(cè)得傳熱速率Q，以及各有關(guān)的溫度，即可算出K,a和X。測(cè)定汽-水套管的傳熱系數(shù)K(W/(m2-°C)):(2)測(cè)數(shù)式中：A—熱面枳，m(2)測(cè)數(shù)式中：A—熱面枳，m2：——冷、熱流體的平均溫度，r；Q—傳熱速率.w.式中：除——拎洪液kgtsxr——冷漑液汽化潛熱，J"g?定裸管的自然對(duì)流給熱系a(W/(m2°C)):(3)測(cè)定Q

必宀)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)X(W/(m°C)):Qb4(—/(m°C)):Qb4(—)式中：J—溫層兩側(cè)的溫喪，匸：b—溫層的呼度.g<—溫層內(nèi)外壓的平均面積.m2?3流程裝置該裝置主體設(shè)備為“三根管”：汽■水套管、裸管和保溫管。這“三根管”與鍋爐、汽包、高位槽、智能數(shù)字顯示控制儀等組成整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。1?調(diào)壓器：1?調(diào)壓器：2?電熱棒；3?釧爐；4放液閥；5?液而計(jì)：6?加水閥：7?計(jì)雖寄&汽液分離器；9?保溫管;10?汽包：11?裸管：12?放汽閥:13-汽水套管：14?高位槽：15?流雖計(jì)：熱電偶埋放位置pp圖1傳熱實(shí)驗(yàn)工藝流程如下:鍋爐內(nèi)加熱產(chǎn)生的水蒸氣送入汽包，然后在三根并聯(lián)的紫銅管內(nèi)同時(shí)冷凝，冷凝液有計(jì)量管或量筒收集，以測(cè)冷凝液速率。三根紫銅管外情況不同:一根管外用珍珠巖保溫;另一根是裸管;還有一根為一套管式換熱器，管外是來(lái)自高位槽的冷卻水。可定性觀察到三個(gè)設(shè)備冷凝速率的差異，并測(cè)定K、a和入。各設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸如下：汽-水套管:內(nèi)管為①16X1.5紫銅管；套管為<1)34X3不銹鋼管；管長(zhǎng)L=0.6nio裸管:傳熱管為①16X1.5紫銅管保溫管:內(nèi)管為①16X1.5紫銅管；外管為"60X5有機(jī)玻璃管;管長(zhǎng)L=0.63m。⑵過(guò)濾加熱功率:0?6kW冷卻水流量:0?160Uh溫度測(cè)屋采用銅-康銅熱電偶，二次儀表采用DS系列智能數(shù)字顯示控制儀。4實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)熟悉設(shè)備流程，檢查個(gè)閥門的開(kāi)關(guān)情況，排放汽包中的冷凝水。打開(kāi)鍋爐緊隨發(fā)，加水至液面計(jì)高度的2/3。將電熱棒接上電源，并將調(diào)壓器從0調(diào)至220V,滿功率加熱，帶有正氣后，再將加熱功率調(diào)制適宜值。打開(kāi)套管換熱器冷卻水進(jìn)II閥，調(diào)節(jié)冷卻水流量為某一值，注意該值應(yīng)與加熱功率相匹配，一般為80-150L/11O待過(guò)程穩(wěn)定后，同時(shí)測(cè)量各設(shè)備單位時(shí)間的冷凝液量及各相關(guān)熱電偶讀數(shù)。重復(fù)步驟(5),直至數(shù)據(jù)重復(fù)性較好為止。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，切斷加熱電源，關(guān)閉冷卻水閥。實(shí)驗(yàn)中注意觀察鍋爐水位，使液面不低于其1/2高度。注意系統(tǒng)不凝氣及冷凝水的排放情況。鍋爐水位靠冷凝回水維持，應(yīng)保證冷凝回水暢通。教師審閱意見(jiàn)：二、實(shí)驗(yàn)記錄1原始數(shù)據(jù)表

冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9時(shí)間體枳冷凝水流保溫包蒸裸管壁面裸管壁面裸管壁面溫/S/mL量mL/s汽溫度/溫度1溫度2度3裸管605.250.08898.397.897.696.96000.08398.397.897.796.9605.20.08798.297.897.696.8冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9冷凝水保溫包時(shí)間體積流量蒸汽溫內(nèi)壁溫度外壁溫度保溫/S/mLmL/s度管401.40.03597.898.498.2 98.354.652.350.8401.90.04897.998.498.3 98.454.752.250.8401.50.0389898.398.1 98.154.652.450.9冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9冷凝水流量保溫包蒸汽蒸汽出II溫時(shí)間/s體積/'mLmL/s溫度度汽-水套管3037.31.24397.895.530361.20097.895.43036.41.21397.895.4空氣溫度：19.0°C2數(shù)據(jù)整理三次測(cè)量平均值冷凝水流量（mL/s）1.219汽-水套管蒸汽包溫度/°C97.8蒸汽溫度/°C95.4裸管冷凝水流量（mL/s）蒸汽包溫度/°C0.08698.3管壁溫度/°C97.4冷凝水流量（mL/s）0.040保溫蒸汽包溫度/°C97.9外壁溫度/°C52.6內(nèi)壁溫度/°C98.3三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論1.計(jì)算傳熱系數(shù)：(1)測(cè)定汽-水套管的傳熱系數(shù)KGV/(ni2?°C))汽-水套管的結(jié)構(gòu)尺寸如下：內(nèi)管："=16X1.5外管：e=34X3管長(zhǎng)：L=0.6m查表知IV.(=pg=998x1.219X10'6=1.22XIO-3kgisr=2257.2kJ/kg則=2753.8J/s=2753.8W又知A=ndi厶=0.03m2ATm=(97.8-19)^=78.8°C根據(jù)K=Q/CASTm)=2753.8W/(0.3m2X7&8°C)可求得K=1165W/(nr-°C)計(jì)算裸管的自然對(duì)流給熱系數(shù)a(W/(m2°C))①=16X1.5;管長(zhǎng)L=0.67nio與(1)中同理可求得放熱量Q=W=p?q?r=998x0.086x10-€x2257.2x103W=193.7W傳熱面積為：A=nd內(nèi)L=7ixl6xlO~3xO.67m2=O.03368m2壁溫取三個(gè)熱電偶數(shù)值的平均值記算：tw=97.4°Ctf=19.0，＞C故裸管的自然對(duì)流給熱系數(shù)為：a=Q/[A(tW-tf)]=193.7/[0.03368x(97.4-19.0)]=73.36W(m2-0C)計(jì)算保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)＞.(W/(m?°C))保溫管的結(jié)構(gòu)尺寸如下內(nèi)管為宀16X1.5紫銅管；外管為宀60X5有機(jī)玻璃管；管長(zhǎng)L=0.63nio放熱量為：Q=W汽r=p?q?r=0.040x10YX998X2257.2X103W=90.11W保溫層厚度為：b=(60-5x2-16)/2xio^m=0.017m溫層內(nèi)、外壁的面枳分別為：Ai=7rdiL=7rx16x10-3x0.63nr=0.031667m2A2=7r-d2L=7rx5OxlO-3xO.63nr=0.09896nr保溫層內(nèi)外壁的平均面積為：Ain=(A1-A2)/111(A1/A2)=0.05906m2保溫層內(nèi)壁溫取三個(gè)熱電偶的平均值算:tw=98.3°C保溫層外壁溫取三個(gè)熱電偶的平均值算：tW=52.6°C故保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為：X=Qb/[Am(Tw-tw)]=90.11x0.017/[0.05906x(983-52.6)]=0.568W(m2-°C)結(jié)果綜合分析汽-水套管裸管保溫管傳熱系數(shù)[W(m：?°C)]自然對(duì)流給熱系數(shù)a[W(nr-°C)]導(dǎo)熱系數(shù)[W(m"C)]116573.360.568分析三種管的傳熱系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，傳熱速率越快的傳熱系數(shù)越人。汽水套管使用冷卻水對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻，速率最快；裸管通過(guò)空氣對(duì)流傳熱，傳熱速率較慢；保溫管由于存在保溫層保溫，傳熱速率最慢。2.思考題。(1)觀察并比較三根傳熱管的傳熱速率，說(shuō)明原因。答:汽水套管由于是利用湍流冷卻水通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流，使內(nèi)壁直接與蒸汽進(jìn)行熱傳導(dǎo)，廠存,套管外a內(nèi)在實(shí)驗(yàn)的所有材料中是最人的，所以有最大的傳熱系數(shù)K,其傳熱速率也最高。裸管的管壁與空氣接觸，空氣的傳熱能力比較差，而且實(shí)驗(yàn)中處于自然對(duì)流情況下，裸管的熱阻相對(duì)于汽水套管較犬，其傳熱速率相對(duì)小。保溫管因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)很小的珍珠巖，珍珠巖結(jié)構(gòu)類似于疏松多孔結(jié)構(gòu)，由于使得對(duì)流速度極大下降，加上本身傳熱性能不高，使導(dǎo)熱散失人人降低、有很好的保溫效果。因此三根管傳熱速率由人到小:汽水套管、裸管、保溫管。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析基本吻合。在測(cè)定傳熱系數(shù)K時(shí)，按實(shí)驗(yàn)流程，用管內(nèi)冷凝液測(cè)定傳熱速率與用管外冷卻水測(cè)定傳熱速率哪種方法更準(zhǔn)確?為什么?如果改變流程，使蒸汽走環(huán)隙，冷卻水走管內(nèi)，用哪種方法更準(zhǔn)確？答：用管外冷卻水測(cè)定傳熱速率的方法更準(zhǔn)確。如采用管內(nèi)通冷凝水，則水蒸汽不僅會(huì)與內(nèi)管冷凝水進(jìn)行熱交換，還將與管外空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)。由于蒸汽的溫度遠(yuǎn)高于空氣的溫度，這種情況卞的熱交換相較于冷卻水在管外時(shí)與空氣的熱交換更為顯著，引入的誤差較大，所以用管外冷卻水測(cè)定K更準(zhǔn)確。改變流程時(shí)分析同上，且使用內(nèi)管冷卻水時(shí)將會(huì)引入更人的誤差。汽包上裝有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意兩口的安裝位置特點(diǎn)并分析其作用。答：不凝氣排放II在氣包遠(yuǎn)離進(jìn)氣II一端的上側(cè)：冷凝液排放II在偏向進(jìn)氣II一端的下側(cè)，并連有一根長(zhǎng)管使部分冷凝液回流至水槽。設(shè)置不凝氣排放II的主要目的是為了防止蒸汽從排放II直接排放到人氣中，造成損失，同時(shí)可以保證氣包內(nèi)的氣壓為一個(gè)大氣壓。冷凝液排放II則主要使氣包中的液體盡量排凈，防止冷凝液進(jìn)入三根待測(cè)管中，造成實(shí)驗(yàn)誤差，同時(shí)可以使蒸汽可以順利進(jìn)入三根傳熱管，另外起著回流循環(huán)的作用。⑷若將汽-水套管的冷卻水出口、入口調(diào)換，則調(diào)換前后Atm值是否相同？答：調(diào)換前后△乃幾相同。因?yàn)樵谄?水套管中，高溫流體水蒸氣在傳熱過(guò)程中發(fā)生了相變而保持溫度不變，嚴(yán)格意義上沒(méi)有并流或逆流之分，因此只要進(jìn)出II溫度相同，其平均溫度ATm必然相等。在間壁兩側(cè)流體的對(duì)流給熱系數(shù)a相差較大時(shí)，壁溫接近哪測(cè)溫度?欲提高K值，應(yīng)從哪側(cè)入手？答：壁溫接近a人的那