空气-蒸汽给热系数测定_实验报告

实验报告

课程名称：

学 院：

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学 号：

同组人员：

实验时间：

指导教师：

化 工 原 理

年 月 日

一、实验课程名称：化工原理

二、实验项目名称：空气－蒸汽对流给热系数测定 三、实验目的和要求：

1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。 3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强

化传热的途径。

四、实验内容和原理

实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算 ，关联出相关系数。

实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，

固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

达到传热稳定时，有

T

t

图4－1间壁式传热过程示意图

Q m1cp1 T1 T2 m2cp2 t2 t1 1A1 T TW M 2A2 tW t m KA tm

（4－1）

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，

T T T2 TW2

T TW m 1W1

ln

T1 TW1T2 TW2

（4－2）

式中：TW1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；TW2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，

t t tW2 t2

tW t m W11

lntW1 t1tW2 t2

（4－3）

式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；tW2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，

T1 t2 T2 t1 tm

lnT1 t2T2 t1

（4－4）

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，

2

m2cp2 t2 t1 A2 tW t M

（4－5）

实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，A2

d2l

；和冷流体的质量流量，即可计算 2。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定

的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，

K

m2cp2 t2 t1

A tm

（4－6）

实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均 面积A，即可由上式计算得总给热系数K。

1．近似法求算对流给热系数 2

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

1K

1

bd

d2d1

d2

12

t1 t2 下冷流体对应的cp2

、换热

2

RS2

2

dm

RS1

1d1

（4－7）

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百

Wm.K

2

；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数 1可达~104Wm2.K左右，因此冷

d2

凝传热热阻

RS1

d2d1

1d1

可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻

也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8Wm K，

bd

2

壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热

dm

阻RS2也忽略不计，则由式（4－7）得，

2 K

（4－8）

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

2．冷流体质量流量的测定

用孔板流量计测冷流体的流量，则，

m2 V

(4－9)

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

3．冷流体物性与温度的关系式

在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：

10

5

t 4.5 10

2 3

t 1.2916

（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下Cp＝1005 J / (kg ℃),

70℃以上Cp＝1009 J / (kg ℃)。

（3）空气的导热系数与温度的关系式： （4）空气的黏度与温度的关系式：

2 10 8t2 8 10 5t 0.0244

6

( 2 10t 5 10

2 3

t 1.7169） 10

5

五、主要仪器设备

1．实验装置 实验装置如图4-1所示

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

六、操作方法与实验步骤

（一）实验步骤

1、 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，

观察仪表显示是否正常。

2、 在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水

处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口

阀，让套管换热器里充有一定量的空气。

4、 打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中

也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。 5、 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排

除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。

6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器

中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。同时，打开顶端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气阀。

7、 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸

汽进口压力维持在0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

8、 自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷

流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、 记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进

口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、 打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

七、实验数据记录与处理

取序1作为计算实例：

实验数据：

空气进口温度 t1=34.7℃； 空气出口温度 t2=78.6℃；

空气进口处蒸汽温度T1=108.7℃； 空气出口处蒸汽温度T1=108.7℃； 空气流量V=20.0m3/h；

数据处理：

空气进口密度

10

5

t 4.5 10

2 3

t 1.2916

1.1475kg/ m3，t=t1；

空气质量流量m2 V=0.0064kg/s； 空气流速u=27.63m/s； 空气定性温度 t2-t1= 43.9℃；

换热面积A d1l1= 0.0503m2； 空气的比热 Cp2=1005 J / (kg ℃)； 对数平均温度 tm

t1 t2

2

=56.65℃；

T1 t2 T2 t1

lnT1 t2T2 t1

=48.80℃；

总给热系数 K 流体粘度

m2cp2 t2 t1 A tm

6

2

= 114.65511 W/(m2·℃)；

3

5

( 2 10t 5 10t 1.7169） 10

= 1.994E-05 Pa·s,t=定性温

度；

流体导热系数

雷诺数 Re

2 10

8

t 8 10

2 5

t 0.0244

= 0.0288678 W/(m·℃)；

du

= 23699.222；

普兰特数 Pr

cp2

d

= 0.6940949；

Re

0.8

理论值 α=0.023杜赛尔数Nu

d

Pr

0.4

= 113.33827W/(m2·℃)；

= 62.817787。

八、实验结果与分析

1）在对实验值与理论值进行比较得，在温度的较小时误差较大，随着温度

的升高，误差减小。但在t1=34.7℃时误差最小，即在空气流速最大时，产生的误差最小。所以迪图斯-贝尔特公式在本实验中适合于空气进口温度为31~39℃，此时误差较小。

2）产生误差的原因可能有：随着温度的升高，气体的粘度增大；空气流量

减小使空气流速减小使传热过程更复杂。

2、实验数据图表：

由图表得拟合曲线方程：y = 0.8x - 3.7723； 则m =0.8； ln(A)=-3.7723； A=e-3.7723=0.0230；

所以实验数据可证明教材中的经验式Nu/Re0.4=0.023Re0.8的准确性。

九、讨论、心得 思考题：

1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？

答：无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。

2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。

答：不一致。计算空气质量流量时所用到的密度值是冷流体进口温度下对应的密度；求雷诺数时的密度值时是冷流体进出口算术平均温度对应的密度。

3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响，如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，若压力表晃动，则及时打开排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走。

在不同压强下测试得到的数据，将会对α产生影响，因为PV=nRT，P与V是变量，P变化后T也随之改变，T改变后，蒸汽进口处的温度就会改变，△tm也会改变。 心得：

在没有做实验之前，因为对实验仪器的不了解，所以认为实验很难操作。

但是在认真预习的前提下，并且听取老师的讲解后，便能掌握具体的操作步骤完成实验。但是对于实验的原理并没有充分的理解。

我觉得做实验的过程是一个充满理性知识的过程，就像书本上的知识跳跃了起来一样。虽然在实验过程中的许多步骤都是重复的，但是通过自己的亲手操作和认真计算将原理进行证明的过程使我仿佛能够体会到科学家们智慧的结晶，而我也身临其境的体会到了学习化工原理的乐趣。

实验最重要的就是将理论付诸实践，平时上课时只能通过老师的讲解和自己的想象了解知识，虽然老师上课时会有形象的比喻让我们能够容易接受，但是许多时候我都不能明白为什么就能有这样的结论。而通过实验，给了我一个深入了解化工原理知识的平台。

最后，我认为实验报告的数据处理过程十分重要，在处理数据之中，解决问题便是对实验原理的进一步理解。

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