传热系数的测定

一、实验目的

1. 掌握传热系数、给热系数和导热系数的测定方法。

2. 比较保温管、裸管、汽水套管的传热速率，并进行讨论。

3. 掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。

二、实验原理

根据传热基本方程、牛顿冷却定律及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率以及各相关温度，即可算出、和。

（1）测定汽-水套管的传热系数K [W/(m²·°C)]

式中：A——传热面积，m²；

——冷、热流体的平均温差，°C；

Q——传热速率，W；

式中：W_汽——为冷凝液流量（kg/s），

r——汽化潜热（J/kg）。

（2）测定裸管的自然对流给热系数α [W/(m²·°C)]

式中：t_W，t_f——壁温和空气温度，°C。

（3）测定保温材料的导热系数λ [W/(m²·°C)]

式中：q——热通量，W/m²

T_W，t_W——保温层内、外两侧的温度，°C；

b——保温层的厚度，m；

Am——保温层内外壁的平均面积，m²。

三、实验装置与流程

该装置主体设备为“三根管”：汽水套管、裸管和保温管。这“三根管”与锅炉、汽包、高位槽、智能数字显示控制仪等组成整个测试系统。

工艺流程为：锅炉内加热的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝，冷凝液由计量管或量筒收集。三根紫铜管外情况不同：一根管外用珍珠岩保温；另一根为裸管；还有一根为-套管式换热器，管外有来自高位槽的冷却水。可定性观察到三个设备冷凝速率的差异，并测定、和。

1. 各种设备的尺寸：

（1）汽-水套管：

内管均为?16×1.5紫铜管；

套管为?34×3不锈钢管；

管长L=0.6 m；

（2）裸管：

传热管为?16×1.5紫铜管；

管长L=0.67 m；

（3）保温管：

外管为?60×5有机玻璃管；

内管为?16×1.5紫铜管；

管长L=0.63 m；

2. 锅炉加热功率：0~6 kW。

3. 冷却水流量：0~160 L/h。

4. 温度测量采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用DS系列智能数字显示控制仪。

四、实验步骤与注意事项

1. 熟悉设备流程，检查各阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。

2. 打开锅炉进水阀，加水至液面计高度的2/3。

3. 将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220 V，满功率加热，待有蒸汽后时，再将加热功率调至适宜值（0V左右）。

4. 打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值并记录，注意该值应与加热功率相匹配的。

5. 待过程稳定（即热电偶15和16的温度相近）后，同时测量汽水套管、裸管、保温管单位时间内的冷凝液量、室温及各相关热电偶1~16读数。

6. 重复步骤5，至少测三组数据，直至数据重复性较好。

7. 实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。

注意事项：

1. 实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其1/2高度。

2. 注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。

3. 锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。

五、数据处理

1. 原始数据

（1）室温测定

实验前：21.0°C

实验后：21.2°C

（2）流量测定：100.0L/h

（3）冷凝液量数据记录（单位：mL/min）

（4）热电偶读数记录（单位：°C）

注：由于序号为2的组保温管测量数据偏小，故在处理时舍弃第2组数据。

2. 数据处理

（1）Q的计算

以下是冷凝液量（mL/min）的数据（已舍弃原第2组数据，后同）：

利用计算，查表100 °C下水的汽化潜热为2257.6 kJ/kg，此温度下水的密度为958.35 kg/m³，换算公式为1 mL/min = 1.59725×10^-5 kg/s，由此可得出Q的计算式

(W)

计算结果已在表中列出。

（2）K的计算

汽-水套管的内管为?16×1.5紫铜管，管长L=0.6 m，则传热面积

，

冷却水进出口温度分别为热电偶14、13的读数，水蒸气进出口温度均取热点偶16的读数，则进出口冷流体温差

，

进出口热流体温差

，

冷、热流体的平均温差

，

传热系数

，

计算结果见下表：

K的平均值为892.82 W/(m²·°C)。

（3）α的计算

裸管为?16×1.5紫铜管，管长L=0.67 m，则传热面积

，

壁温取热电偶7、8、9温度的平均值，空气温度°C。

代入相关数据到公式中即可得出计算结果，列表如下：

α的平均值为42.59 W/(m²·°C)。

（4）λ的计算

保温管的外管为?60×5有机玻璃管，内管为?16×1.5紫铜管，管长L = 0.63 m，则保温层的厚度b = 17mm，则保温层内外壁的平均面积

，

取保温层内侧温度T_W为热电偶4、5、6的平均值，保温层外侧温度t_W为热电偶1、2、3的平均值。将相关数据代入到中进行计算，结果如下表：

λ的平均值为0.35 W/(m²·°C)。

综上，可得

结论：汽-水套管的传热系数最大，裸管自然对流给热系数较小，保温材料的导热系数最小。

六、思考题

（1）观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因。

汽-水套管的传热系数最大，裸管自然对流给热系数较小，保温材料的导热系数最小。

由于汽水套管利用冷却水强制对流，使内壁直接与蒸汽进行热传导，由于套管外的在所有实验材料中最大，根据，其传热系数最大，同时热阻最小，故也有最大的传热速率。

裸管管壁与空气接触，属于自然对流，而空气的传热能力比较差，故裸管的对流给热系数较小，同时热阻相对于汽-水套管较大，传热速率相对较小。

珍珠岩导热系数很小，使得传热速率很小，保温效果很好。

（2）在测定传热系数K时，按现实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管内，用哪种方法更准确？为什么？

利用管外冷却水测定传热速率的方法更准确。因为如果用管内的冷凝液测量，水蒸汽的传热既包括了与内管冷凝水的热交换，还包括了与管外空气的热传导，由于与内管冷凝水的热交换能量难以测定，会引入系统误差。而由于蒸汽的温度远高于空气的温度，所以蒸汽与空气的热交换要比冷却水在管外时与空气的热交换多得多，用管外冷却水测定更准确。

如果使蒸汽走环隙，冷却水走管内，依然存在水蒸汽与内管冷凝水交换的热量难以测定的问题，故仍然会带来系统误差。所以还是应该选择管外冷却水测定法。

（3）汽包上装有不凝气排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。

不凝气排放口在气包远离进气口端上侧；冷凝液排放口在偏向进气口端下侧，并连有一根长管使部分冷凝液回流至水槽。不凝气排放口设置是为了防止蒸汽从排放口直接排放到大气中，造成损失，同时可以保证气包内气压稳定，以免出现危险。冷凝液排放口的设置时为了使气包中液体尽量排净，防止冷凝液进入到待测管中，产生误差，同时还起到回流作用。

（4）若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后Δt_m值是否相同？

仍然相同。因为在汽-水套管中，水蒸气在传热过程中发生的是等温等压的相变，无论是并流还是逆流，Δt_m值只取决于冷凝水的温差，故计算出来的Δt_m值是相同的。

（5）在间壁两侧流体的对流给热系数α相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K值，应从哪侧入手？

由于越大其热阻越小，热交换越明显，故壁温接近大的那侧。根据，可知较小的值对K的影响较大。此时，欲提高K值，应从小的那侧入手，减小其热阻，增大其。

 

第二篇：换热器传热系数的测定 实验报告

下标说明：h——热水；c——冷水；i——内；m——平均值；e——实验值