化工原理实验之对流传热实验

化工原理实验报告之传热实验学院学生姓名专业学号年级二Ο一五年十一月一、实验目的1.测定冷空气—热蒸汽在套管换热器中的总传热系数K；2.测定空气或水在圆直管内强制对流给热系数；3.测定冷空气在不同的流量时，Nu与Re之间的关系曲线，拟合准数方程。二、实验原理（1）冷空气-热蒸汽系统的传热速率方程为mtKAQ)ln(2121tttttm，11tTt，22tTt)(21ttCVQp式中，Q—单位时间内的传热量，W;A—热蒸汽与冷空气之间的传热面积，2m，dlA;mt—热蒸汽与冷空气之间的平均温差，℃或KK—总传热系数，)℃/(2mW；d—换热器内管的内直径，d=20mml—换热器长度，l=1.3m；V—冷空气流量，sm/3；pC、—冷空气密度，3/mkg空气比热，kgJ/;21tt、—冷空气进出换热器的温度，℃；T—热蒸汽的温度，℃。实验通过测量热蒸汽的流量V，热蒸汽进、出换热器的温度T1和T2（由于热蒸汽温度恒定，故可直接使用热蒸汽在中间段的温度作为T）,冷空气进出换热器的温度t1和t2，即可测定K。（2）热蒸汽与冷空气的传热过程由热蒸汽对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷空气的对流传热三种传热组成，其总热阻为：2211111dhddbdhKm其中,21hh、—热空气，冷空气的给热系数，)℃/(mW；21dddm、、—内管的内径、内外径的对数平均值、外径，m；—内管材质的导热系数，)℃/(mW。在大流量情况下，冷空气在夹套换热器壳程中处于强制湍流状态，h2较大，221dhd值较小；较大，mdd1值较小，可忽略，即1hK（3）流体在圆形直管中作强制对流时对管壁的给热系数关联式为nmCNuPrRe'。式中：Nu—努塞尔准数，11dhNu，1—空气的导热系数，)℃/(2mW；Re—雷诺准数，duRe,—热蒸汽在管内的流速，sm/；Pr—普兰特准数，1PrPC；—热蒸汽的黏度，sPa。对冷空气而言，在温度范围较大的情况下，Pr基本不变，n为常数，则上式可简化为：mCNuRe，式中nCCPr'。u实验中改变冷空气的流量，热蒸汽和冷空气两流体间的平衡将发生变化，与之对应的两个准数Re、Nu也随之改变，进而可在双对数坐标下作出Re与Nu的关系是一直线。拟合出此直线方程，即为Re与Nu的准数方程。三、实验流程与实验装置图蒸汽发生器将水转化为蒸汽，并加热冷空气，空气和蒸汽通过套管换热器进行热量交换。实验装置以及流程示意图如下：四、实验操作步骤1、熟悉传热实验流程及仪表使用，检查设备，做好运转实验操作准备。2、启动控制箱总电源，然后启动蒸汽釜开关电源，烧水产生蒸汽，同时对管道系统预热。3、预热期间作出数据记录表，观察设备型号，熟悉实验流程及装置的操作方法，掌握待测参数的具体意义及在数据处理中的应用方法。4、观察管道上的温度计，待到两根换热器上的六个温度计示数均上升至93℃以上时，准备开启风机。（等待温度升高的同时需要不时对换热器排放冷凝水使其温度较为快速的上升。排水的同时注意不要让水溅出滴在下方的涡轮流量计上。）4、开启上球阀，关闭下球阀，将闸阀开到最大，启动风机电钮。此时记录最大流量，然后调节闸阀到最小，待流量稳定后读出最小流量，将最小流量与最大流量之间等分为五个流量间隔共计六个流量，从最小流量开始，待系统稳定3分钟到5分钟后，依次从控制箱显示器上读取空气流量、从相应温度计上读取蒸汽温度、空气进出口温度并记录数据，一直测到最大流量附近处，共计测量六次，完成测量换热器1的数据采集。5、重复以上步骤，采集换热器2的实验数据。6、实验数据采集完后，将所得数据交于指导老师处查看，经指导老师同意后，关机离开实验室。五、实验数据记录设备号：传热实验装置CR-013；换热器类型：普通套管换热器换热器尺寸：管径5.225；管长m3.1序号)/(3hmqv蒸汽温度)℃(T冷空气进口温度)℃(1t冷空气出口温度)℃(2t126.798.724.168.2233.099.224.067.7339.599.024.667.2446.198.826.267.1552.798.729.067.7655.897.630.267.4设备号：传热实验装置CR-013；换热器类型：螺旋套管换热器换热器尺寸：管径5.225；管长m3.1；螺纹深度1mm；螺纹中心距3mm序号)/(3hmqv蒸汽温度)℃(T冷空气进口温度)℃(1t冷空气出口温度)℃(2t119.999.319.865.5226.499.520.366.5332.999.321.267.2439.499.522.868.2546.199.424.968.9652.899.228.570.1六、典型计算（以普通套管换热器的第一组实验数据为例）原始数据vq=26.7hm/3，蒸汽温度T=98.7℃,冷空气进口温度1t=24.1℃，出口温度2t68.2℃。计算原理公式：mtKAQ)(21ttCVQp。（1）计算总传热系数K空气进出口平均温度为221tt=46.15℃，查表得到该温度附近处空气的密度为1.0933/mkg,定压热容)/(017.1KkgkJCp。则)(21ttCqQpv空气空气=360010017.1093.17.263=363.57w计算换热面积：21021.03.1025.0mdlA计算mt：℃306.49)2.687.98()1.247.98(ln)2.687.98()1.247.98()ln()()()ln(21212121tTtTtTtTtttttm则：)℃/(221.72306.491021.057.3632mWtAQKm（2）计算Re和Nu空气进出口平均温度为221tt=46.15℃，查表得到该温度附近处空气的黏度sPa51096.1，导热系数)/(10826.22KmW。根据公式duRe计算ResmdqAquvv/608.23360002.047.264122则15.263301096.1093.1608.2302.0Re5du由前文实验原理部分说明得：Kh1,则112.5110826.202.0221.72211dhNu同理可求得其他组的数据，需要特别说明得是，螺旋管的传热面积计算与普通管不同，这里以螺旋管第一组数据为例计算：21858.03.1025.082.182.1mdlA关于螺旋管的其他计算均与普通管相同，参照上述计算方法可以得到螺旋管的相应数据结果。整理得下表：普通套管换热器序号流量)/(3hmqv传热速率)(WQ平均温差℃)(mt总传热系数))/((2KmWK给热系数))/((21KmWh126.71308.85349.30672.22172.22126330.15051.112233.01603.01150.22086.84286.84232542.88361.459339.51870.45750.118101.537101.53738952.84471.859446.12095.87549.357115.527115.52745461.42181.760552.72267.05847.765129.129129.12951969.99791.386655.82307.37546.338135.474135.47455027.05695.877NuRe螺旋套管换热器序号流量)/(3hmqv传热速率)(WQ平均温差℃)(mt总传热系数))/((2KmWK给热系数))/((21KmWh119.91039.17353.43229.07329.07319624.34420.575226.41393.68452.77239.47939.47926034.30627.940332.91729.30851.73649.96749.96732444.26835.362439.41988.35250.65458.67958.67938854.23041.528546.12254.73149.26868.41168.41145461.42148.416652.82441.56546.86277.88377.88352068.61255.119由实验所得数据做出两个管Re与Nu的关系曲线，如下图所示：103104105102NuRe图一普通套管换热器与的关系曲线Nu103104105102NuRe七、实验结果分析与讨论1、实验结果分析：在本次实验中，我们对普通套管换热器以及螺旋管换热器在蒸汽-冷空气流体系统下的传热性能及相关参数进行了实验测定。从最终所得实验数据中可以发现，两种换热器的共同点在于在相近流量条件下，两者的平均温差相近，最终的Re-Nu关系曲线都是一条直线。然而，普通管换热器的的温差，传热速率，都明显小于螺旋管换热器，同时传热系数也高于螺纹管，造成这一现象的主要原因是螺纹管换热器的传热面积平均为普通管的1.82倍，于是导致温差较大，从而传热速率较大，但是由于系统存在热量损失，所以在传热速率以及面积同时增长的情况下给热系数反而较普通管低。综上，图二螺旋套管换热器与的关系曲线可以得到普通套管换热器与螺旋套管换热器的Re-Nu关系曲线大致相同。流体在管内呈强制湍流状态时两参数符合对数线性相关，在Re为20000-50000范围，7.0Pr，6502.03.1dl60时，)(PrRe027.033.08.0wNu，由此可以推算出管壁壁温，再推算出间壁的导热系数k。2、误差分析：本次实验误差主要有以下几个来源：（1）冷空气流量在较大流量范围内流量不易稳定，读取流量时产生误差。应尽量长时间等待使系统稳定。（2）在测量螺旋管第一组数据时误将温度读成普通管的温度，于是将整体流量范围向后移动一个差值。八、实验问答1.分析影响传热系数及给热系数的因素？答：在传热基本方程式mtKAQ中，传热量Q是生产任务所规定的，温度差mt之值由冷、热流体进、出换热器的始、终温度决定，也是由工艺要求给出的条件，则传热面积A之值与总传热系数K值密切相关。而在无相变强制对流传热问题中，对于几何相似的设备，可将给热系数的影响因素表示为：),,,,,(pcklufh。因此，流体的密度，黏度，导热系数，比热，传热表面的特征尺寸都影响给热系数的大小。2.采取何种措施可提高K和1h值？答：在大流量，冷空气在管道中处于强制湍流状态时，1hK，管热温度由管内外流体的流量及温度有关，mt的大小也取决于蒸汽温度和空气进出口温度，蒸汽温度无法改变，进出口温度取决于管道的材料和几何尺寸。因此要提高传热系数和给热系数，就需要增大空气流量，减小管道传热面积，选用导热系数较大的材质，或者减小间壁厚度。3.mmtt、的物理意义是什么？如何确定？答：mt称为对数平均温差，是换热器两端传热温度的对数平均值。该物理量由传热器两端的传热温度确定。定性温度mt是指某种介质(冷介质或热介质)在求物性参数时使用的温度,如果介质粘度不大，取进出口温度的算术平均温度，如果粘度较大,可加权平均。4.实验中管壁温度应接近那一侧温度？为什么？答：应接近蒸汽温度。因为冷空气的传热系数要远小于管壁的导热系数，所以在获得热量时管壁要比空气更容易升高温度，从而达到与蒸汽温度相近的温度。