專業(yè)：化學(xué)工程與工藝

姓名：高子岳

沏產(chǎn)貨實驗報告,

aI—Jzvj?乙部1.*.1圖?4.】

地點：教十1206

課程名稱：過程工程原理實驗（甲）指導(dǎo)老師:楊國成成績:______________

實驗名稱：傳熱綜合實驗一一橫管對流傳熱系數(shù)的測定同組學(xué)生姓名：周恒李凌霄

一、實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容二、實驗裝置與流程示意圖

三、實驗的理論依據(jù)（實驗原理）四、注意事項

五、原始記錄數(shù)據(jù)表六、整理計算數(shù)據(jù)表

七、數(shù)據(jù)整理計算過程舉例八、實驗結(jié)論

九、實驗結(jié)果的分析和討論

一、實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容

1.掌握空氣在普通和強(qiáng)化傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳熱系數(shù)的因素

裝和強(qiáng)化傳熱的途徑。

2、把測得的數(shù)據(jù)整理成形勢的準(zhǔn)數(shù)方程，并與教材中相應(yīng)公式進(jìn)行比較。

訂3.了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。

二、實驗裝置與流程示意圖

本實驗裝置流程如圖1由蒸汽發(fā)生器、孔板流量變送器、變頻器、套管換熱器及溫度傳感

器、智能顯示儀表等構(gòu)成。

表1橫管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖符號說明表

名稱符號單位備注

冷流體流量Vm3/h

冷流體進(jìn)口溫度tl℃

普通管冷流體出口溫度t2

強(qiáng)化管冷流體出口溫度12’℃紫銅管規(guī)格619X1.5mm,

蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度Ti即內(nèi)徑為16mm,

普通管熱流體進(jìn)口端壁溫Twi℃有效長度為1020nnn,

普通管熱流體出口端壁溫TW2℃冷流體流量范圍：3?18m3/h.

普通管外蒸汽溫度T℃冷流體流量范圍:3?18m3/h.

加強(qiáng)管熱流體進(jìn)口端壁溫Twi'℃

加強(qiáng)管熱流體出口端壁溫TW2‘℃

加強(qiáng)管外蒸汽溫度T，

空氣-水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入套管換熱器，與被風(fēng)機(jī)抽進(jìn)的空

氣進(jìn)行換熱交換，冷凝水經(jīng)排出閥排入盛水裝置。空氣由風(fēng)機(jī)提供，流量通過變頻淵改變風(fēng)

機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到自動控制，空氣經(jīng)孔板流量計進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管，熱交換后從風(fēng)機(jī)出口排出。

注意：本實驗中，普通和強(qiáng)化實驗通過管路上的切換閥門進(jìn)行切換。

三、實驗的理論依據(jù)（實驗原理）

1、在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進(jìn)行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱兩種

流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面（傳

熱元件）進(jìn)行熱量交換。

2、本裝置主要研究汽一氣綜合換熱，包括普通管和加強(qiáng)管。其中，水蒸汽和空氣通過紫銅管間接換熱,

空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸汽走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強(qiáng)管，是在紫銅管內(nèi)加了彈簧，增大了

絕對粗糙度，進(jìn)而增大了空氣流動的湍流程度，使換熱效果更明顯。

3、空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定

如圖2所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對冷

流體的對流傳熱所組成。

圖2間壁式傳熱過程示意圖

間壁式傳熱元件，在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，有

Q=—(<-/)=%"(，2f)

=a]A](T-Tw)M=a2A2(tw-t)M

=KA。........(1)

熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由（2）式計算:

億一%)

(f)”,=(4-GA⑵

固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計算：

=....................⑶

「W2-2

熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由（4）式計算：

…尸”J.......................（4：

T「i\

冷流體（空氣）的質(zhì)量流量可由（5）式計算：

見?夕。..................................⑸

注意：空氣在無紙記錄儀上顯示的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關(guān)，考慮到實際過程中,

空氣的進(jìn)口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流晟是將孔板處的空氣密度（0

當(dāng)作lkg/m3時的讀數(shù)，因此，如果空氣實際密度不等于該值，則空氣的實際體積流量應(yīng)按下式進(jìn)行校

正：

v'十(6)

當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即（值很大，旦管壁厚度較薄時，可認(rèn)為同一截面處換熱管二側(cè)壁溫近似

相等,即TW2（tWI,TWl（tW2,在傳熱過程達(dá)到穩(wěn)定后，由式（1）可得:

m2Cp2^2-%)=a2A2(3-..................(7)

即：

..........................(8)

一般情況下，直接測量固體壁面溫度，尤其是管內(nèi)壁溫度，實驗技術(shù)難度較大，因此，工程上也常采

用通過測最相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對?流傳熱系數(shù)。卜面介紹其他

兩種測定對流傳熱系數(shù)（2的實驗方法。

（1）近似法求算空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)（12。

以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為：

11?bd2nd、d、

又KJ天T前(9)

總傳熱系數(shù)K可由式（1）求得:

Q'C"2(D

(10)

用本裝置進(jìn)行實驗室時，換熱管外側(cè)、管壁，內(nèi)側(cè)污垢熱阻均忽略不急，則可由式（9）近似得出:

%pK(11)

由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所求得的結(jié)果準(zhǔn)確性越高。

4、準(zhǔn)數(shù)方程式

對于流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流對流傳熱時，傳熱準(zhǔn)數(shù)經(jīng)驗式為：

Nu=0.023Re08Prn.........................（14）

式中:Nu-努塞爾數(shù),，無因次；

Re—雷諾數(shù)，，無因次；

Pr—普蘭特數(shù),，無因次；

上式適用范圍為:Re=1.0X104-1.2X105,Pr=0.7?120,管長與管內(nèi)徑之比L/d260。當(dāng)流體被加熱時

n=0.4,流體被冷卻時n=0.3。

故可由實驗獲取的數(shù)據(jù)點擬合出相關(guān)準(zhǔn)數(shù)后，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，即可作出Nu?Re直線確定Nu=BRen

的擬合方程，并與公認(rèn)的經(jīng)驗公式進(jìn)行對比，以驗證實驗效果。

通過普通管和強(qiáng)化傳熱管實驗結(jié)果的對比，分析影響傳熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。

四、注意事項

（1）開始加熱功率可以很大，但當(dāng)溫度達(dá)到100℃左右，有大量不凝氣體排出時，加熱電

壓一般控制在250V左右。

（2）實際實驗管路要和儀表柜上選擇開關(guān)及計算機(jī)上的顯示一致，否則實驗失敗。

（3）實驗中不凝氣體閥門和冷凝水閥門要一直開啟，防止積水，影響實驗效果。

（4）測定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下。一般傳熱穩(wěn)定時間都至少需保證8分鐘以

上，以保證數(shù)據(jù)的可靠性（第一組數(shù)據(jù)的測定至少穩(wěn)定15分鐘）。

(5)實驗過程中，要確保蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位不能低于警戒水位。

五、原始記錄數(shù)據(jù)表

1、普通管

冷流體進(jìn)口冷流體出口冷流體流量蒸汽進(jìn)口處蒸汽出口處壁管外蒸汽溫加熱器汽相

溫度/℃溫度/℃(m3/h)壁溫/℃ia/℃度/℃溫度/℃

22.3069.6019.9099.3998.99101.61101.30

22.5071.3015.9999.3998.90101.61101.20

22.6072.5012.8399.3998.90101.71101.20

22.8073.3010.3199.3998.80101.71101.30

22.9074.208.2599.3998.80101.61101.30

22.8074.606.6999.3998.80101.71101.30

2、強(qiáng)化管

冷流體進(jìn)口冷流體出口冷流體流量蒸汽進(jìn)口處蒸汽出口處壁管外蒸汽溫加熱器汽相

溫度ti/℃溫度t2/CV(mVh)壁溫C溫％/℃度Ti/'C溫度T2/℃

23.3081.9014.5799.79103.25102.51101.30

23.3083.1010.7499.69103.25103.12101.30

23.3083.8()7.8799.79103.25103.32101.30

23.1084.106.0899.79103.25103.42101.40

六、整理計算數(shù)據(jù)表

普通管

定性溫度密度比熱黏度普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr導(dǎo)熱系數(shù)

t/℃p/(kg/m3)Cp/J/(kg*℃)|Vl()GPa?sX

45.951.1051.0051.950.70().0280

46.901.1031.0051.960.700.0281

47.551.1011.0051.960.700.0282

48.051.1011.0051.970.700.0282

48.55I.KM)1.0051.970.7()().0283

48.701.1001.0051.970.700.0283

雷諾數(shù)校正流量質(zhì)量流率平均流速對數(shù)平均溫度努賽爾準(zhǔn)數(shù)

Re10-3V7(m3/s)10-3m/(kg/s)u/(m/s)(t\V-t)mW/(m-K)Nu

25059.265.056.0627.6449.33116.7166.69

20047.714.054.8722.2148.0499.3556.57

16015.683.253.9017.8247.1383.0947.14

12837.222.613.1414.3246.4668.5438.89

10236.892.092.5111.4645.7556.5731.99

8301.181.702.049.2945.4946.6026.34

以Ro為x軸，Nu為y軸作圖如下:/

Nu=0.0132Re08433

強(qiáng)化管

定性溫度密度比熱黏度普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr導(dǎo)熱系數(shù)

t/℃p/(kg/m3)Cp/J/(kg-℃)g/10-5Pa*sX

52.601.0901.0051.990.700.0285

53.201.0901.0051.990.700.0285

53.551.0901.0051.990.700.0285

53.601.0901.0051.990.700.0285

雷諾數(shù)校正流量質(zhì)量流率平均流速對數(shù)平均溫度(12努賽爾準(zhǔn)數(shù)

ReIO-3V7(m3/s)103m/(kg/s)u/(m/s)(tw-t)inW/(m-K)Nu

17734.563.694.4320.2439.39132.5774.43

13072.702.723.2714.9238.32102.5057.55

9579.342.002.3910.9337.6877.2843.39

7400.561.541.858.4437.4760.5433.99

以Re為x軸，Nu為y軸作圖如下:

innnn

-r18974

-11x>

R一0.L)C9C94/廠

/

/

/

4

i1nU.UnUn

100().0010000.001000()0.00

Nu=0.01i5Re08974

八、實驗