化 工
实验名称：对流给热系数测定
学院：环境与化学工程学院 专业：化学工程与工艺 班级： 14化工02班 姓名：胡海明
学号： 21404070217 指导教师：赵亚梅
日期： 2016年11月16日
原理 实验报告
对流给热系数测定
一、实验目的
1. 观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型； 2. 测定空气在圆直管内强制对流给热系数αi； 3. 掌握热电阻测温的方法。
二、实验原理
在套管换热管器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
Q=VρCp（t2-t1）=αiAi(tw-t)m (1)
式中：V-------被加热流体体积流量，m3/s ρ--------被加热流体密度，kg/m3 Cp--------被加热流体平均比热，J/(kg·℃)
αi --------流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃) t1、t2------被加热流体流进、出口的温度，℃； Ai--------内管的外壁、内壁的传热面积，m2
(T-Tw)m-------水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃。
(T-Tw)m=（T1-Tw1）-（T2-Tw2）/ ln[(T1-Tw1)/(T2-Tw2)] (2) (tw-t)m-------内壁与流体间的对数平均温度差，℃
(tw-t)m=[(tw1-t1)-(tw2-t2)]/ln[(tw1-t1)/(tw2-t2)] (3) 式中：T1、T2-------蒸汽进、出口温度，℃；
Tw1、Tw2、tw1、tw2-------外壁和内壁上进出口温度，℃；
当内管材料的导热性能很好，即λ值很大时，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1=tw1，Tw2=tw2，即为所测该点的壁温。
由(3)式可得：αi= VρCp（t2-t1）/Ai(tw-t)m (4)
若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积Ai，水蒸汽温度T，壁温Tw1、
Tw2，就可以通过上式计算出对流给热系数αi。
1. 流体在只管内强制对流时的给热系数，可以按下列半经验公式求得：
αi =0.023λRe0.8Pr0.4/di
式中：αi ------流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m2.℃)； λ ------流体的导热系数，W/(m2.℃)；
di-------内管直径，m；
Re-------流体在管内的雷诺数，无因次； Pr -------流体的普朗克常数，无因次；
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即tf=(t1+t2)/2。 2. 对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为： Nui=AReimPrin 其中：Nui =αi di /λi，Rei =uidiρi/μi，Pr i=Cpiμi/λi
物性数据λi、Cpi、ρi、μ可以根据定性温度查的，经过计算可知，对于内管被加热的空气，普兰特准数变化不大，可以认定是常数Pr i =0.4，这样通过实验测定不同流量下的Rei与Nui，将上式转化为：ln（Nui/ Pr0.4）=mlnRe+lnA，然后用线性回归方法确定A和m的值。
三、实验装置
1.实验装置图
装置工作流程图，来自蒸汽发生器内的水蒸气进入玻璃套管换热器内，与 来自风机的空气进行热交换，冷凝水经阀门排入地沟。
2.设备与仪表规格
管子的规格：直径φ25×2mm，长度L=1.5m
四、实验步骤
1. 蒸汽发生器加水，加热，把蒸汽加热到0.01MPa。
2. 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。 3. 打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门。 4. 打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑
掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
5. 在做实验之前，应打开冷凝水排水阀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变送器。集体排出冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排水冷凝水阀门，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，可进行实验。
6. 刚开始通入蒸气时，要仔细调节蒸汽进口阀门的阀门大小开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得小于10min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
7. 当一切准备好后，调节蒸汽进口阀门的开度，把蒸汽压力调到0.01MPa，并保持蒸汽压力不变。
8. 调节空气流量，分别为10，11，12，13，14m3/h。 9. 等稳定之后，记录时间、温度、空气流量（共六组）。
10. 实验结束，关闭蒸汽进口阀门，关闭仪表电源，然后关闭风机电源，最后关闭蒸汽发生器。
五、实验注意事项
1. 先打开拍冷凝水的阀门，注意只要开一定的开度，开得太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。 2. 一定要在套管换热器内输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的冷凝水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。 3. 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，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10min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
4. 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。
5. 确定各参数时，必须在稳定传热状态下，随时注意惰性气体的排空和压力表读数的调整。
六、实验数据处理
1. 实验时记录的数据
L=1.5m di=21mm do=25mm b=2mm 温度 ：19.4℃ 压强 : 42％RH 蒸汽发生器温度：99.3℃ 2.数据记录
表1 原始数据表 序号 空气流量（m3.h-1） 1 2 3 4 5 10 11 12 13 14 冷空气进口温度t1（℃） 24.7 25.7 26.3 27.0 27.6 冷空气出口温度t 2（℃） 64.7 69.9 70.4 70.6 70.8 蒸汽温度T（℃） 99.1 99.1 99.1 99.1 99.1 铜管温度1 铜管温度2 （℃） 97.2 97.4 97.0 97.5 97.4 （℃） 96.3 96.7 96.5 96.7 96.8 3.根据一定温度查《化工原理》上册可得数据： 以第一组数据为例读数： 序号 平均温度tm 密度ρ ℃ 热导率λx102 w/(m.℃) 2.789 2.811 2.815 2.818 2.820 比热容Cp /KJ·kg.1黏度μx105 /Pa·s 1.934 1.949 1.952 1.954 1.956 Kg/m³ 44.7 47.8 48.4 48.8 49.2 1.112 1.101 1.099 1.097 1.086 ℃11 2 3 4 5 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 以第一组数据为例读数：
当q=10m³/h时,q=10/3600=2.78x10-3 u=4V/πdi2=4x10/3.14x3600x0.0212=8.02 Q=VρCp（t2-t1）=2.78x10-3x1.112x1.005x103x(64.7-24.7)=124.27w S=πdil=3.14x0.021x1.5=0.09891
Δt1=99.1-24.7=74.4Δt2=99.1-64.9=34.2
ΔTm=(Δt1-Δt2)/ (lnΔt1/Δt2)=(74.4-34.2.)/ (ln74.4/34.2)=51.85
K=Q/SΔTm=124.27/(0.09891x51.85)=24.234 W/( ㎡. ℃)ai≈K=24.12 Re=duρ/μ=0.021x8.02x1.112/1.943x10-5=0.964x104
Nu=kd/
λ=24.12x0.021/0.02789=18.16
空气流量同上可得： 序号 空气传热速率 W Δtm 总传热系数传热系数αiRe(℃) K W/( ㎡. ℃) （W/(m2.℃) ×10-4 Nu （m3.h-1） 流速u m/s 1 2 10 11 8.02 8.83 127.27 51.85 135.96 47.95 24.12 28.67 24.12 28.67 0.96 18.16 1.04 18.02
3 4 5
12 13 14 9.63 135.41 47.38 28.89 28.76 28.43 28.89 28.76 28.43 1.14 17.99 1.23 17.96 1,31 18.06 10.43 133.63 46.98 11.23 131.08 46.61 七、实验结果分析与讨论
产生误差的原因可能是: 1.实验仪器自身存在误差。
2.计算过程中，对数据小数点有一些取舍。 3.只做了5组数据，也有可能带来一定的误差。
4.实验时，虽然每组数据间隔时间已经保持在8-10分钟，但读取的数据仍有可能不太稳定。
5．在记录数据过程中，由于数据表跳得太快在记录数据时有些人眼观察上的误差。
6.冷凝水没有及时放空,使传热效果变差。
7.被加热成热蒸汽的水逐渐减少,是产生的蒸汽量有所变化,带来一定的误差。
八、思考解答
1. 实验中冷流体和蒸汽流向对传热效果有何影响？
答：逆流时温差大，换热效果好，传热效率高。
2. 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：会由于空气中含有水分造成冰堵。冰堵不单使制冷效率下降。而且会导致系统停机。压力不断降低，还会损坏压缩机。空气混入压缩腔，由于空气中含有不冷凝气体，如氮气。这些不冷凝气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。并且不冷凝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。
打开一定量的排惰性气体阀门，使不冷凝气体排出。
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，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体测温度？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、 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：压强增大对α关联式基本没有影响。
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