化工原理實驗報告：傳熱實驗

化工原理實驗報告實驗名稱：傳熱膜系數(shù)測定實驗實驗時間:2012年11月姓名：班級：學(xué)號：同組人：正文一.報告摘要：套管換熱器為本實驗的研究對象，而以冷空氣及熱蒸汽為介質(zhì)，冷空氣走黃銅管內(nèi)，熱蒸汽走環(huán)隙。研究熱蒸汽與冷空氣之間的傳熱過程。后測得的一系列溫度及孔板壓降數(shù)值，分別求得正常條件和加入靜態(tài)混合器后的強(qiáng)化條件下的對流傳熱膜系數(shù)α及Nu，做出lg（Nu/Pr0.4）～lgRe的圖像，分析出傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中的A和m值。二．實驗?zāi)康募叭蝿?wù)：1、掌握傳熱膜系數(shù)α及傳熱系數(shù)K的測定方法；2、通過實驗掌握確定傳熱膜系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式中的系數(shù)A和指數(shù)m、n的方法；3、通過實驗提高對準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的理解，并分析影響α的因素，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施。三．實驗原理:研究傳熱的關(guān)鍵問題是測算α，當(dāng)流體無相變時對流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的一般形式為：對于強(qiáng)制湍流有：用圖解法對多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，要對不同變量Re和Pr分別回歸。本實驗可簡化上式，即取n=0.4（流體被加熱）。在兩邊取對數(shù)，得到直線方程為在雙對數(shù)坐標(biāo)中作圖，求出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點函數(shù)值代入方程中，則可得到系數(shù)A，即其中實驗中改變空氣的流量，以改變Re值。根據(jù)定性溫度計算對應(yīng)的Pr值。同時，由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)值，進(jìn)而求得Nu值。牛頓冷卻定律為其中α——傳熱膜系數(shù)，W/(m2?℃)；Q——傳熱量，W；A——總傳熱面積，m2；Δtm——管壁溫度與管內(nèi)流體溫度的對數(shù)平均溫差，℃。傳熱量可由下式求得其中W——質(zhì)量流量，kg/h；cp——冷空氣的比定壓熱容，J/（kg?℃）；t1,t2——冷空氣的進(jìn)，出口溫度，℃；ρ——定性溫度下流體密度，kg/m3；V——冷空氣體積流量，m3/h。空氣的體積流量由孔板流量計測得，其流量V與孔板流量計壓降Δp的關(guān)系為式中，Δp——孔板流量計壓降，kPa；V——空氣流量，m3/h。四．實驗裝置及其說明1、設(shè)備說明本實驗空氣走內(nèi)管，蒸汽走管隙（玻璃管）。內(nèi)管為黃銅管，其內(nèi)徑為0.020m，有效長度為1.25m。空氣進(jìn)、出口溫度和管壁溫度分別由鉑電阻（Pt100）和熱電偶測得。測量空氣進(jìn)、出口的鉑電阻應(yīng)置于進(jìn)、出管得中心。測量管壁溫度用一支鉑電阻和一支熱電偶分別固定在管外壁兩端?？装辶髁坑嫷膲翰钣蓧翰顐鞲衅鳒y得。本實驗使用的蒸汽發(fā)生器由不銹鋼材料制成，裝有玻璃液位計，加熱功率為1.5kW。風(fēng)機(jī)采用XGB型漩渦氣泵，最大壓力17.50kPa，最大流量100m3/h。2、采集系統(tǒng)說明(1) 壓力傳感器本實驗裝置采用ASCOM5320型壓力傳感器，其測量范圍為0~20kPa。(2) 顯示儀表在實驗中所有溫度和壓差等參數(shù)均可由人工智能儀表讀取，并實驗數(shù)據(jù)的在線采集與控制，測量點分別為：孔板壓降、進(jìn)出口溫度和兩個壁溫。3、流程說明本實驗裝置流程圖如下所示，冷空氣由風(fēng)機(jī)輸送，經(jīng)孔板流量計計量以后，進(jìn)入換熱器內(nèi)管（銅管），并與套管環(huán)隙中的水蒸氣換熱。空氣被加熱后，排入大氣?？諝獾牧髁坑煽諝饬髁空{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。蒸汽由蒸汽發(fā)生器上升進(jìn)入套管環(huán)隙，與內(nèi)管中冷空氣換熱后冷凝，再由回流管返回蒸汽發(fā)生器。放氣閥門用于排放不凝性氣體，在銅管之前設(shè)有一定長度的穩(wěn)定段，用于消除端效應(yīng)。銅管兩端用塑料管與管路相連，用于消除熱效應(yīng)。五．實驗裝置圖套管式換熱實驗裝置和流程1-風(fēng)機(jī)，2-孔板流量計，3-空氣流量調(diào)節(jié)閥，4-空氣入口測溫點，5-空氣出口測溫點，6-水蒸氣入口壁溫，7-水蒸氣出口壁溫，8-不凝性氣體放空閥，9-冷凝水回流管，10-蒸汽發(fā)生器，11-補(bǔ)水漏斗，12-補(bǔ)水閥，13-排水閥六．實驗過程1.實驗開始前，先弄清配電箱上各按鈕與設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，以便正確開啟按鈕。2.檢查蒸汽發(fā)生器中的水位，使其保持在水罐高度的1/3~2/3。3.按下總電源開關(guān)，關(guān)閉蒸汽發(fā)生器補(bǔ)水閥，啟動風(fēng)機(jī)，接通蒸汽發(fā)生器的發(fā)熱電源，保持放氣閥打開，調(diào)整好熱電偶位置。4.用計算機(jī)控制風(fēng)機(jī)頻率為50Hz，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；再每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實驗，12~13次。5.將靜態(tài)混合器插入管中，并將其固定，再次調(diào)整好熱電偶溫度計，將風(fēng)機(jī)頻率調(diào)回50Hz，待儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；每降低3Hz取一實驗點，同樣等儀表數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)實驗，12~13次。6.實驗結(jié)束后，先停蒸汽發(fā)生器電源，再停風(fēng)機(jī)，清理現(xiàn)場，給蒸汽發(fā)生器灌水。七．實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果1、測定空氣普通對流傳熱膜系數(shù)的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果（l=1.25,d=0.020m）序號t出/℃t進(jìn)/℃tw1/℃tw2/℃Δp/kPaf/HzΔp'/kPaqv/(m3/h)160.230.0100.099.43.7950.003.23164.42261.130.2100.099.53.1045.002.70165.01361.529.7100.099.62.4640.002.20163.53461.628.4100.099.71.9135.001.75159.62561.527.199.999.71.5131.001.45155.63661.425.399.999.81.1527.001.16149.96761.523.699.999.90.8423.000.90144.44861.622.199.899.90.6420.000.73139.40961.921.199.7100.00.4717.000.58135.961062.420.599.8100.10.3214.000.45133.861163.220.1100.0100.10.2011.000.34132.44序號t定/℃ρ(kg/m3)μ(μPa·s)λ(W/(m·K))Cp(kJ/kg·K)145.101.110219.360.027961.005245.651.108219.380.028001.005345.601.108419.380.027991.005445.001.110519.350.027951.005544.301.113019.320.027901.005643.351.116319.270.027831.005742.551.119119.230.027781.005841.851.121519.190.027731.005941.501.122819.180.027711.0051041.451.122919.170.027701.0051141.651.122219.180.027721.005序號PrReNuNu/pr0.410.6965459586.2099.64720.6964882679.7692.20230.6964310772.4783.77540.6963773165.5875.8150.6963336859.4968.7760.6962896253.3561.67270.6962455546.9154.22880.6962128742.0248.57590.6961805436.6942.413100.6961467430.6235.397110.6961137224.5128.333以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：2、測定空氣強(qiáng)化對流傳熱膜系數(shù)（l=1.25,d=0.020m,加入混合器）表二：強(qiáng)化后膜系數(shù)測定實驗數(shù)據(jù)記錄序號t進(jìn)/℃t出/℃壓差/Kpa壁溫1/℃壁溫2/℃阻力降/Kpaf/Hz172.128.61.9299.899.68.3550.00274.130.11.2699.899.85.5740.00375.329.10.7799.999.93.5431.00476.427.40.4399.81002.123.0057825.50.2299.8100.11.1416.00678.6240.1599.8100.20.8213.00序號qv/(m3/h)定型溫度t/℃RePrQ(W)Δtm/℃α(W/(m2·℃))NuNu/Pr0.4137.2650.35366940.696494.0846.00136.8296.61111.67229.6852.10289450.696395.9844.10114.3880.4292.95322.7552.20221740.696318.5943.7092.8665.2775.45416.6151.90162160.696246.9243.4572.3950.9258.85511.5751.75113020.696184.3142.9254.7138.4944.5069.4151.3092130.696156.0842.9946.2532.5837.66計算過程同第一組的實驗數(shù)據(jù)七、實驗結(jié)果做圖及分析根據(jù)表一、表二中的數(shù)據(jù)分別做出普通和強(qiáng)化后的Nu/pr0.4與Re雙對數(shù)關(guān)系曲線如下：圖名：傳熱實驗Nu/Pr0.4與Re關(guān)系曲線圖1.在雙對數(shù)坐標(biāo)上作圖，用回歸分析可得到：（1）正常條件下空氣普通對流傳熱：A=0.017，m=0.80，Nu=0.017*Re0.80*Pr0.4（2）強(qiáng)化條件下空氣強(qiáng)化對流傳熱:A=0.029，m=0.79，Nu=0.029*Re0.79*Pr0.42誤差分析：化工原理課本上介紹的公式為Nu=0.023*Re0.8*Pr0.4，實驗結(jié)果與之有一定誤差的主要原因：（1）出口溫度不穩(wěn)定時讀數(shù)造成誤差偏大，也可能是由于溫度計在管中的位置不正確導(dǎo)致測量的溫度準(zhǔn)確性降低。（2）蒸汽所在的玻璃管內(nèi)有冷凝液積存于黃銅管上，從而降低了傳熱系數(shù)。（3）改變壓降后，度數(shù)時間間隔太短，從而傳熱體系未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，造成讀數(shù)與實際情況不相符。（4）加強(qiáng)管由于加入填充物，使流體的湍動程度加大，流體阻力增大，進(jìn)而測得的m與A值與未加填充物時不同，導(dǎo)致所得的半經(jīng)驗公式與光滑管的不同。八．思考題2、管內(nèi)空氣流動速度對傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣速度增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？答：由于，且，所以傳熱膜系數(shù)與流速有關(guān)，由經(jīng)驗公式可知，傳熱膜系數(shù)正比于u0.8。當(dāng)空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將降低，流速增大，使雷諾數(shù)增大，進(jìn)而使傳熱膜系數(shù)變大，由兩個等式的比例可得空氣離開熱交換器時的溫度降低。3、如果