单操实验-套管式热交换器-实验介绍与数据处理

12ㄧ.目的:1.利用一冷卻水流經內管，蒸氣在套管(Jacket)加熱之套管熱交換器測定液側薄膜傳熱係數hi(Liquid-sideFilmHeatTransferCoefficient)。2.研討hi與流體流速v之關係。3二.理論:套管熱交換器主要由兩根同心圓管所構成。如圖1所示，以流體在內管及環形部(Annulus)之流向分為：(Countercurrent)及(Concurrent)，在其中進行熱交換。圖1套管熱交換器示意圖對流並流4實驗過程中僅需考慮蒸氣冷凝情形，不需考慮過冷(Subcool)之情況，且套管一般絕熱情況良好，無熱損失。若冷凝膜傳熱係數相當大且管壁對熱之阻力甚微，則管壁溫度TW、水膜(WaterFilm)溫度(TW)i及冷凝膜(CondensateFilm)溫度(TW)0相等。可視為TW=(TW)i=(TW)0。5假定管壁溫度與薄膜傳熱係數皆為常數，且與管長無關，則由能量平衡(EnergyBalance)關係可得：dq=hi(Th-Tc)dAi(1)dq為通過微分面積(DifferentialArea)dAi之傳熱率(W)hi為液側薄膜傳熱係數(W/m2-℃)T為管內截面之平均溫度(℃)dA為內管內壁之微分面積(m2)6設蒸氣及冷卻水之比熱為一定值，兩者在穩定狀態下流動；當管內之冷卻水由溫度T1被加熱至T2，而管壁溫度為一常數時，以T對q作圖，可得圖2所示之直線，則ΔT對q亦為一直線。直線斜率即為一常數。故:(2)△T為溫度差(℃)：△T=Th-Tc△T1=Th,in-Tc,out△T2=Th,out-Tc,inqΔTΔTdqTd(12)7圖2溫度與傳熱率之關係△T1△T28(1)代入(2)得:稱為對數平均溫度差(LogarithmicMeanTemperatureDifference)。(3)(4)(5)qTTdATThTdichi12)()(iAiiTTdATTqhTTd012)()(21lmiiTAhq)(ln1212CTTTTTolm9由於飽和蒸氣冷凝放出之熱量加熱內管之冷卻水，故(6)w:冷卻水質量流量(kg/hr)Cp:冷卻水之比熱(kcal/kg-oC)合併(5)與(6)式可得:(7)Where:Ai:傳熱面積(m2)T1:冷卻水入口端溫度(℃)T2:冷卻水出口端溫度(℃))(12TTCqpw)(12TTCTAhplmiiw(8)10由實驗測定之傳熱面積Ai、管壁溫度TW、冷卻水之質量流量w及冷卻水入口端與出口端之溫度T1、T2，利用(7)式可求岀薄膜傳熱係數hi。另一方面，由因次分析得知，在穩定狀態下，管中流體之傳熱係數可由下式決定：kDhiiNu:納塞數(NusseltNumber)，Re:雷諾數(ReynoldsNumber)，Pr:普蘭多數(PrandtlNumber)，vDikCpL:管長(m)k:管中流體之熱傳導係數(W/m-oc):管中流體之黏度(kg/m-hr)iDLfNuPr,Re,Di:內管內徑(m):管中流體之密度(kg/m3)v:管中流體之平均速度(m/sec)A.對紊流(TurbulentFlow，Re104)而言，有下列數種關係式：1.迪達時─波爾特(Dittus-Boelter)方程式：11其中(9)式中流體之物理性質係在算數平均溫度下計算。圖4表示此式成立之依據(9)冷卻加熱3.04.0PrRe023.08.0nNun圖4迪達時─波爾特方程式122.科本(Colburn)方程式：(10)其中(10)式中流體之物理性質是在流體之平均溫度與管壁溫度之算數平均數值下計算3.西打氏(Sieder-Tate)方程式：(11)其中式(11)中流體之物理性質是在平均溫度下計算；mW為管壁溫度下流體之黏度318.0PrRe023.0NuWNu33.08.0PrRe023.0比較以上三式，(9)式較適合於低黏度之氣體或液體(2cp)；而(10)與(11)式則較適合於高黏度之液體13B.對層流(LaminarFlow，Re2100)而言，若溫度差小、管徑小或動黏度相當大且自然對流之影響可忽略不計時，其關係式為：(12)其中(12)式中流體之物理性質係在平均溫度下計算若自然對流之影響不可忽略時，(12)式之條件不成立，傳熱係數hi應乘以校正係數f進行校正14.0313131PrRe86.1WiLDNu14(13)22iDgGrTGr：格納斯霍數(GrashofNumber)，g：重力加速度(m/sec2)β：流體之熱膨脹係數(1/℃)△T：內壁與流體之溫度差(℃)Relog01.0125.231Grf15C.對遷移域(TransitionRange，Re=2100~104)之傳熱係數，可由圖5求得圖5管中流體之熱傳係數T3T5T4閥V2b.浮子流量計G1壓力計G2壓力計c.袪水器閥V4e.蒸氣鍋爐閥V5(禁止觸碰)T1.T2.T3.T4.T5溫度計d.套管熱交換器d.套管熱交換器閥V3(禁止觸碰)閥V1三.實驗裝置16四.實驗步驟:17首先需啟動鍋爐進行加熱(實驗前1~2小時)，待鍋爐內之壓力達4kg/cm2(G2壓力計所顯示之數值)時，按下列步驟進行實驗：T1.T2溫度計e.蒸氣鍋爐18正常壓力計顯示數值約為4kg/cm2左右。若壓力計指針指向藍色線條時，須向指導老師報告，請指導老師來處理。若壓力計指針指向紅色線條時，請放下手邊工作，關掉總電源，並通知指導老師。G2壓力計藍色紅色G2壓力計補充說明419浮子流量計之校正1.開啟閥V1、閥V2使冷卻水充滿套管熱交換器，再調整閥V1使浮子流量計中的游標至10L/min。2.測量一單位時間內(約15秒)閥V2所流出的水量，由此可算出體積流率，重複3次求平均值。3.重複以上步驟，各算出15、20、25、30L/min之體積流率。閥V1閥V2b.浮子流量計調整閥V1使游標至10L/min20(1)開啟閥V1與V2，使冷水流經套管熱交換器(d)內管。閥V1閥V2d.套管熱交換器21(2)開啟閥V5(由指導老師開啟)與排氣閥V4，使蒸氣進入套管熱交換器(d)之環形部，讓蒸氣將套管內之空氣排出。閥V5(禁止觸碰)d.套管熱交換器閥V422(3)開啟閥V4，使冷凝水經袪水器(c)排除。蒸氣會在此凝集成水，藉由閥V4和祛水器(c)排出閥V4c.袪水器T3T5T423(4)待溫度計T1、T2、T3、T4、T5顯示之溫度穩定後，記錄其溫度；讀取浮子流量計(b)之讀數；利用容器(紅色水桶)與計時器記錄在t時間內，容器所收集水之重量，以便測定此系統之質量流率(ω)；最後利用溫度計測量管壁溫度。b.浮子流量計質量流率(ω)為冷卻水質量/時間T1.T2.T3.T4.T5溫度計24(5)調節閥V1，用以改變內管水之流量(w)，重複實驗步驟(1)~(5)。閥V125五.數據整理Exp.Constant內管之外直徑Do0.0328(m)內管之內直徑Di0.0288(m)套管熱交換器管長L2.046(m)內管壁之厚度XW0.002(m)傳熱面積A0.185(m2)24℃水之比熱CP4192.4(J/kg-℃)24℃水之密度ρ997.3(kg/m3)24℃水之黏度μ3.291(kg/m-h)24℃水之熱傳導係數k0.1699(W/m-K)26流量計校正浮子流量計讀數(L/min)1015202530第一次時間(s)15.8015.3315.4015.3715.43質量(㎏)2.953.705.106.107.30流率(㎏/h)672.15868.881192.211428.761703.18第二次時間(s)16.3015.3315.5015.4215.38質量(㎏)2.903.704.955.907.30流率(㎏/h)640.49868.881149.681377.431708.71第三次時間(s)15.5015.3015.3515.3715.53質量(㎏)2.703.705.106.007.20流率(㎏/h)627.10870.591196.091405.341669.03平均質量流率(㎏/h)646.58869.451179.331403.841693.64平均體積流率(L/min)10.8114.5319.7123.4628.30270510152025303505101520253035平均體積流率對浮子流量計刻度之關係圖浮子流量計刻度﹝L/min﹞浮子流量計刻度﹝L/min﹞套管式熱交換器實驗紀錄表T1冷水進溫度(℃)25.825.825.825.825.8T2冷水出溫度(℃)70.257.854.351.148T3蒸氣進溫度(℃)132.4131.5129.3126.4125.1T4蒸氣出溫度(℃)131.3128.3125.6122.3117.8△T162.2073.7075.0075.3077.10△T2105.50102.5099.8096.5092.00對數平均溫度差△Tlm81.9587.3186.8185.4684.33(LMTD)實驗值傳熱係數hi7.94E+067.22E+068.77E+069.42E+061.01E+07(W/m2-K)管中流體平均速度V9.96E+021.34E+031.82E+032.16E+032.61E+03(m/h)Nu1.41E+031.79E+032.28E+032.62E+033.05E+03Re8.69E+031.17E+041.59E+041.89E+042.28E+04Pr8.12E+04St1.91E-031.29E-031.16E-031.04E-039.27E-04jH3.58E+002.42E+002.17E+001.95E+001.74E+00理論值傳熱係數hi8.32E+031.05E+041.35E+041.55E+041.80E+04(W/m2-K)29hi(理論值)與v-bar之關係圖00.20.40.60.811.21.41.61.8200.511.522.53hi(理論值)對V-bar之關係圖hi﹝W/m2-K.104﹞V-bar﹝m/h.103﹞30hi(實驗值)與v-bar之關係圖02468101200.511.522.53hi(實驗值)對V-bar之關係圖hi﹝W/m2-K.106﹞V-bar﹝m/h.103﹞31結論：此實驗的目的是在研討液側薄膜傳熱係數hi與流體流速v之關係，由實驗及理論之計算可得知，液側薄膜傳熱係數hi與流體流速v之間的關係呈現正比。