对流给热系数测定:对流给热系数的测定实验PPT

序号： 6

化工原理实验报告

姓名：×××

院系：化学化工学院

班级：×××××× 学号：×××××× 指导老师：××× 同组者：×××、×××

试验项目名称：对流给热系数测定

实验日期：2012.10.23 实验室：7101

一、 实验目的

1. 观察水蒸气在水平管外币上的冷凝现象； 2. 测定空气在圆直管内强制对流给热系数； 3. 掌握热电阻测温的方法。

二、 实验原理

在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程中达到稳定后，有如下公式：

V ρC p (t2-t 1) = α0A 0(T-Tw ) m = αi A i (tw -t) m

(T1-T w1)-(T2-T w2)

(T-Tw ) m = T I -T w1T 2-T w2(tw1-t 1)-(tw2-t 2)

(tw -t) m = t w1-t 1t w2-t 2

式中：

V —被加热流体体积流量，m /s；

A 0、A i —内管的外币、外壁的传热面积，m ； ρ—被加热流体密度，kg/m；

（T-T w ）m —水蒸气与外壁间的对数平均温度差，C ； C p —被加热流体平均热，J/(kgC) ； （t w -t ）m —内壁与流体间的对数平均温度差；

。

。

3

2

3

α0、αi —流体对内管内壁的流量和水蒸气对内管外壁的流量给热系数，

W/(m2。C ) ；

。

t 2、t 1—被加热流体进、出口温度，C ； 。T 1、T 2—蒸气进、出口温度，C ；

。T w1、T w2、t w1、t w2—外壁和内壁上进、出口温度，C 。

当内管材料导热性能很好，即λ值很大，切管壁厚度很薄时，可认为T w1= t w1，T w2= tw2，即为所测得的该点的壁温。

V ρC p (t2-t 1) V ρC p (t2-t 1)

则：α0 = ，αi = A0(T-Tw )m A0(T-Tw )m

若能测得被加热流体的V 、 t2、t 1，内管的换热面积A 0或A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，即可计算实测的水蒸气平均冷凝给热系数和实测的流体在管

内的平均冷凝给热系数。

三、 实验装置与流程

1. 实验装置如图 1所示。

图 1 水蒸气—空气换热流程图

2. 设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.8mm ，长度L = 1000mm （2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm ，涨肚L = 1000mm （3）压力表规格：0—0.1MPa

四、实验步骤

1. 打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。 2. 打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开阀4，让套管换热器里冲有一定量的空气。

3. 打开阀1，注意只开一定开度，开的太大会让换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使玻璃管里的蒸汽压力聚集而产生玻璃管炸裂。

4. 在做实验前，应将蒸汽发生器到实验装置之间的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。

5. 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

6. 当一切准备好后，打开蒸汽进口阀3，蒸汽压力调到0.01MPa ，并保持蒸汽压力不变。

7. 手动调节空气流量时，可通过调节空气的进口阀4，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数值；改变不同流量，记录不同流量下的实验数值。

8. 记录3到5组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀3可空气进口阀4，关闭仪表电源和风机电源。

9. 关闭蒸汽发生器。

五、数据记录与处理

1将实验数据填入下表：

表 1 不同流量下各测温点的温度

流量m /h

3

冷空气进

。

冷空气出

。

管内壁进

。

管内壁出

。

管外壁进

。

管外壁进

。

口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/C

12.0 15.0 18.0 21.0 24.0

40.1 40.9 41.5 41.7 42.2

78.9 78.6 78.0 77.5 77.2

102.2 102.0 101.7 101.9 101.9

98.6 98.4 98.2 98.4 98.3

102.1 101.9 101.6 101.7 101.7

102.3 102.2 101.9 102.0 102.1

2. 计算冷流体给热系数，将实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

其中以第一组数据为例

已知40℃时，ρ=1.128 kg/m3 CP =1.005×103 J/(kg ℃ )

102.3-102.1。

（T-T w ）m = C

102.3In 102.178.9-40.1。

（t w -t ）m = = 57.33C

78.9In 40.1

α0 =

V ρC p (t2-t 1) 12.0×1.128×1.005×57.33

2。C )

A0(T-Tw )m 1×2×3.14×0.0154×102.20

理论值α= 81.14 W/(m2。C ) 相对误差η=

81.14-78.91

×100% = 2.75%

81.14

表 2 不同流量下冷流体给热系数的比较

流量m /h 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0

3

所有结果列于下表：

α0/ W/(m2。C )

78.91

99.43 119.94 139.60 159.99

α

理论值

W/(m2。C ) 相对误差η/%

2.75 4.91 15.44 23.17 28.49

81.14 94.78 103.90 113.34 124.52

由上表可知，随冷空气流量的增大，α0增大，且随着冷凝气体流量的增大，测量的误差也在增大。

3. 确定关联式

N u m

0.4中常数A 、m 的值. Pr

查《化工原理上册》可得： 40℃时，λ=2.756×10-2 W/(m ·℃ )

N u =

α ×d

=1.629×104×17×10-3/2.746×10-2 = 1.008×104 λ

查《化工原理上册》可得： 40℃时，μ=1.91×10-5Pa·s Re =

ρ ×d ×u

1.132×17×10-3×18.38/1.90×10-5 = 1.862×104

μ

Pr = P r

0.4

C P ×μ

=1.005×103×1.90×10-5/2.746×10-2 = 0.695 λ= 0.695

0.4

= 0.865

N u 440.4 =1.008×10/0.865 = 1.165×10 Pr

各组数据经计算后列于下表

表 3 不同流量下的Nu 、Re

流量α0/

23

m /h W/(m。C )

Nu×10-4 Re P r

N u

Pr 0.4，11650 16030 17640 18840 1.948

lnRe

In

9.83 10.04 10.14 10.23 10.29

N u

Pr 0.4

12.0 15.0 18.0 21.0 24.0

78.91

99.43 119.94 139.60 159.99

1.008 1.387 1.512 1.630 1.687

18620 23030 25220 27590 2.936

0.695 0.695 0.697 0.696 0.697

9.36 9.68 9.77 9.84 9.88

经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，P r =

0.695×3+0.696×2+0.697×2+0.698

= 0.6961

8

P r 0.4= 0.69610.4=0.865

根据

N u m

0.4 =ARe ,两边同时取对数可得： Pr

N u

ln = mlnRe+lnA

Pr0.4

以

N u

为纵坐标，lnR e 为横坐标，得一直线，斜率为m ，截距为lnA 。作图 Pr0.4

9.9

如下：

N u P r 0. 4

9.8

9.7

9.5

9.4

9.3

lnRe

图 2

N u

0.4—lnR e 曲线 Pr

9.6

由图可得出：m=0.06276 lnA = 1.36392 A = 3.9115 4. 实验讨论

（1）. 由实验所得图像可知，基本符合线性关系。

（2）. 实验时，每组间隔时间要保持5至6分钟，以保证所得数据处于较稳定的状态。

六、实验误差分析

1. 在冷流体给热系数测定过程中，改变流量后没等数据稳定就记录，造成一定误差。

2. 冷流体流量的不稳定因素，使读数时产生误差，从而在处理数据时不可避免的造成误差。

3. 温度的变化使冷流体密度发生变化，从而在计算时产生误差。

七、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：冷流体和蒸汽是并流时，传热温度差小于逆流时传热温度差，在相同进出口温度下，逆流传热效果大于并流传热效果。

2. 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：基本无影响。因为α∝(ρ2g λ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t 均增加，其它参数不变，故 (ρ2g λ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。

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？ 答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。

4. 实验中，所测得的壁温是靠近蒸气侧还是冷流体侧温度？为什么？ 答：靠近蒸气温度；因为蒸气冷凝传热膜系数远大于空气膜系数。 5. 蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响，应采取什么措施？ 答：不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。而且由于冷凝压力的升高致使排气压力升高，还会减少压缩机的使用寿命。应把握好空气的进入，和空气的质量。

八、 实验心得

本次实验是进行对流给热系数测定. 这是第二个化工原理实验，也是比较成功的一次实验。在实验过程中，同学们相互配合，认真、耐心的完成了实验要求，达到了预想中的效果。

其中存在的不足之处：

1. 在冷流体给热系数测定过程中，刚开始大家都蛮有耐心地等各个温度稳定后再记录数据，到测后面几组的时候，看到其他同学实验做完了，就迫不及待的想早点做完，造成后面几组实验测得的误差较大。

2. 可能天气较冷的缘故，在实验过程中，同学们经常在蒸汽发生器周围转悠，这样很危险。

总之，这次实验整体来说比较满意，对于这次实验所存在的不足之处，在下次实验时做到有则改之，无则加勉。