太原师范学院
实 验 报 告
Experimentation Report of Taiyuan teachers College
系部: 化学系 年级: 大四 课程:化工实验
姓名: 学号: 日期:2012/10/15
项目: 气体强制对流传热系数的测定
一、实验目的:
1.熟悉传热设备;
2.了解传热原理和强化传热途径,分析热交换过程的影响因素;
3.测定热流体空气与冷流体水在并流和逆流条件下的总传热系数K;
4.测定努赛尔数Nu和雷诺数Re之间的关系,确定他们的关联式。
二、实验原理:
传热过程按其方式可分为热导传热、对流传热和辐射传热三种。在工业生产上的传热过程中,按冷流体和热流体的接触方式可分为直接接触式、间壁式和蓄热式三种。本实验采用的单套管式换热器为间壁式传热,其热流体为热空气,冷流体为水,热空气与水在套管内进行传热,传热方程为:q=K*A*△tm
式中:q为传热速率(W);
K为总传热系数(W*m-2*k-1)
A为热空气—水间的传热面积(套管换热器的内管平均面积A=π*dm*L,dm为内管内外径的平均值,L为套管换热器套管的长度);
△tm 为热空气与冷却水间的平均温度差
【△tm =(△t1 +△t2 )/ (ln△t1 -ln△t2 ),℃或K】,△t1 和△t2 分别为换热器两端的温度差。
在稳定传热过程中,热流体热空气通过换热器壁面将热量传给冷流体水,捂热量损失,两流体也未发生相变化,冷流体吸收热量与热流体放出热量相等,因此,传热速率Φ衡算式为:Φ=WgCp(T1-T2)
式中:Wg 为空气的质量流量(Kg*S-1)
Cp 为空气的比热容(KJ*Kg*K-1)
T1 ,T2 分别为热流体俄进口和出口温度(℃或K)
根据传热关系,传热系数是由以下几个分热阻的倒数组成,即
式中:a1、a2分别为热空气和冷却水的给热系数(W*m-2*k-1)
d1、d2分别为内管的内径和外径(m), δ为内管的壁厚(m);
λ为内管的导热系数(W*m-2*k-1)。
因冷却水的给热系数a2 较大,d1 / (a2* d2 )值较小;λ值较大,δd1 /λdm 值也较小,故d1 / (a2* d2 )和δd1 /λdm 可略去。于是,可认为空气在圆管内作强制对流的给热系数a1 近似为热空气与冷却水之间的总传热系数,即K= a1 。
当热空气在圆形直管中作强制湍流流流动时,传热系数(给热系数)的关联式可写为:Nu=A*Rem*Prn
式中:Nu为努赛尔数,表达式为Nu=a*d/λ;
Re为雷诺数,表达式为Re=du ρ/μ
Pr为普兰特数,表达式为Pr= Cp*μ/λ
A为系数;
m、n为雷诺数的指数和普兰特数的指数 。
空气的努赛尔数受给热系数a的影响,雷诺数又受空气在管内流速的影响,在很高温度和压力下,普兰特数变化很小,可近似认为它是一个常数,因此,可改写为:Nu=B*Rem
式取对数后为LgNu=LgB+m*LgRe
当空气流速改变后,它们原有的热平衡关系被打破,数值也随之发生变化,Nu亦随Re的改变而改变。通过实验可测出不同条件下的空气的给热系数a与流速u,就能计算出Nu和Re。以Nu为纵坐标,Re为横坐标,在双对数坐标上作出它们的关系图,关系图的斜率为
截距为LgB,将求得的B,m值代入式中,即得出给热准数关联式。
三、实验步骤:
1.熟悉实验装置及流程,检查设备,做好操作前的准备工作。
2.全开冷却水阀门,降水通入换热气中;打开鼓风机,打开空气控制阀门,将空气通入实验装置的电加热器中。
3.接通加热器电源,将电压调至,并始终保持电压稳定,当空气被加热后,在套管换热器上的进口温度测量点上显示温度为100-120℃左右(在稳定状态下,3min内热空气温度变化不超过1℃)时,开始在流量计上读取数值。热流体空气和冷流体冷却水的进、出口温度直接从装置上的各测量点读取。
4.逐渐由大到小调节空气控制阀门,改变空气流量6-8次,每次改变流量后,稳定3-5min后,按步骤3读取相关数据。
5.完成所有数据测量后,将调压器上的电压指示调至零处,切断加热电源;继续通气、通水约5mi后关闭鼓风机,最后关闭冷却水阀门。
四、数据记录及处理
1、 实验数据记录
2、 实验数据处理
五、误差分析
影响给热系数的主要因素:
(1) 液体的状态:气体、液体、蒸气及传热过程是否有相变化等;
(2) 液体的物理性质:如密度、比热容、粘度及导热系数;
(3) 液体的流动形态:层流或湍流;
(4) 液体对流的对流状况:自然对流,强制对流等;
(5) 传热表面积的形状、位置及大小。
在该实验过程中,空气流量读数时存在误差;进行温度读数时,温度不稳定,使得读数时存在误差;实验是在固定水流量的条件下进行的,但在实验过程中,水流量会出现波动,会对测定结果产生影响。
热流体
序号
1
2
3
4
5
6
7冷流体温度温度流量Nm?/h流量Nm?/hT1进口T2出口t2出口t1进口T1-T2t2-t1119735.820023.321.861.21.5119734.240022.621.862.80.8119733.660022.321.863.40.5119733.280022.221.863.80.41495.835.280022.321.860.60.517963680022.421.8600.62095.33780022.521.858.30.7
思考题
1.影响传热系数K的因素有哪些?
答:传热系数的计算值K计可用下式进行计算:
(5)
式中,?0为换热器管外侧流体对流传热系数,W/(m2?℃);?i为换热器管内侧流体对流传热系数,W/(m2?℃);?。
2.在实验中哪些因素影响实验的稳定性?
答:换热器管外侧流体对流传热系数?0、换热器管内侧流体对流传热系数?i、管壁厚度?、管壁的导热系数
3.根据实验结果分析如何强化传热?
答:蒸汽冷凝时的对流传热强化措施
目的:减少冷凝液膜的厚度
水平管束:减少垂直方向上管数,采用错列;
垂直板或管:开纵向沟槽,或在壁外装金属丝。
液体沸腾时的对流传热强化措施
表面粗糙化:将表面腐蚀,烧结金属粒;加表面活性剂(乙醇、丙酮等)
Qc(W)
347.8862
371.0786
347.8862
371.0786
463.8482
556.6179
649.3875Qn(W)369.2923378.947382.5675384.9812465.4004559.5338639.6239Q(W)358.5892375.0128365.2268378.0299464.6243558.0758644.5057DTm35.9433834.6028634.0851133.7018135.3107636.1005836.77173DT1DT2总传热系数KT1-t2T2-t1qm水qm空气24.9412573.714199.621.61527.0940674.412.4399.221.61526.7878674.711.8598.821.61528.0422574.811.4798.421.61532.8953873.513.4798.427.5138.6472973.614.2798.433.40543.8180172.815.2798.439.3
体对流传热系数,W/(m2?℃);?为管壁厚度,m;?——管壁的导热系数,W/(m2?℃);RS为污垢热阻,m2?℃/Wi、管壁厚度?、管壁的导热系数?、污垢热阻RS。
污垢热阻,m2?℃/W
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