实验三、总传热系数与对流传热系数的测定
一、实验目的
1.了解间壁式换热器的结构与操作原理;2.学习测定套管换热器总传热系数的方法;
3.学习测定空气侧的对流传热系数;4.了解空气流速的变化对总传热系数的影响。
二、实验原理本实验采用套管式换热器,热流体走管间,为蒸汽冷凝,冷流体走内管,为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。
图1. 传热实验装置流程图
1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-冷凝水排放筒
7-旋塞 8-空气进口温度计 9-空气出口温度计 10-不凝气排放口
套管换热器5由不锈钢管(或紫铜管)内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支,用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上,各焊有三对热电偶,型号为WRNK-192。
不锈钢管规格F21.25´2.75,长1.10米 S=pdoL=0.0734m2
紫铜管F16´2,长1.20米 S=pdoL=0.0603m2
转子流量计(空气,0~20m3/h,20℃)数字显示表SWP-C40
此设备的总传热系数可由下式计算:
其中
式中:——传热速率,W;——传热面积,m2;S=pdoL;——对数平均温度差,℃
——饱和蒸汽温度,℃,根据饱和蒸汽压力查表求得;——分别为空气进、出口温度,℃。
通过套管换热器间壁的传热速率,即空气通过换热器被加热的速率,用下式求得:
, W
其中,Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vs×r,其中r为进口温度下空气的密度。
对流传热系数的计算公式为
式中S─内管的内表面积,m2;a─空气侧的对流传热系数,W/(m2×°C);
Dtm─空气与管壁的对数平均温度差,°C。
所得到的a值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联:
式中Re─Reynolds number雷诺准数,,,,,,Pr─Prandtl number普朗特准数,
空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。实验过程中,蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通,避免冷凝水在器内积存。
空气的流量Vs由转子流量计测得,单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是,需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量,需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度,此温度即空气入口处温度。
实验过程中,锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05(0.04)MPa,此压力为表压力,水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此,水蒸气温度为110.4(109.4)℃。
三、实验步骤1.实验开始时,先开通锅炉加热器开关,等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa,打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中,稍稍开启,以便不凝性气体能连续排出,不致积累。然后,打开气泵,通空气,并保持旁路始终开通,避免气泵因憋气过热而烧坏。
2.调节空气的流量,从低流速开始,做8个点,每点测量时必须待流速稳定,加热蒸汽压强维持稳定,空气出口温度不变后,才可记录数据。需记录的数据包括:空气的流量和进、出口温度。
3.实验完毕后,关闭气泵,关闭加热电源。
四、数据处理与讨论1.总传热系数K的测定…本实验所用的装置为不锈钢管,相应的数据处理如下:
不锈钢管外表面积=0.0734m2 内管横截面积1.9473´10-4 m2 蒸汽温度T=110.4℃
表1. 总传热系数的测定数据与处理结果
以第三组数据为例:
平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45°C查表,在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kg×°C)
在32.5°C的进口温度下,密度为1.155kg/m3若不对流量计读数进行校正,可采用如下计算方法
若对流量计进行温度校正,则需采用以下步骤
误差为
结果表明,K值随空气流量的增加而增大,其值接近空气侧的a。
2.空气侧对流传热系数ai的测定
本实验所用的装置为不锈钢管,相应的数据处理如下:
不锈钢管内表面积= 0.0544m2 内管横截面积1.9473´10-4 m2 蒸汽温度T=109.4℃
46℃时空气的密度r=1.107kg/m3 70℃时空气的比热容Cp=1.009kJ/(kg×°C)
表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果
以第一组数据为例,其计算过程如下
计算结果列于表1中,空气的ai与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出,其斜率为0.87,接近Dittus-Boelter equation中的0.8。
比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数,可以看出:K值与ai值接近(因为不是同一次实验,K值比ai值小)。原因在于水蒸气膜状冷凝的ao值很大,在5000以上,与ai值相比,其热阻可以忽略。
图2. 实验测定空气侧对流传热系数ai与管内平均流速u的关系
五、思考题
1. 本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量?
因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数,而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻,所以提高空气的流动速度可提高K的值。
2. 不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近?
多步串联传热过程中,每步的温差与该步的热阻成正比,内外侧对流传热的热阻比较,水蒸气冷凝的对流传热系数大,热阻小,所以该步的温差小,即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度,这也与实验过程观测到的现象一致。
3. 转子流量计读数是否准确,如何校正?
转子流量计在出厂时是根据20°C、101kPa下的空气进行标定的,实际情况与之不符时,需根据密度进行校正。校正公式为
4.不凝性气体对冷凝传热有何影响?不凝性气体能严重降低冷凝传热系数,1%的不凝性气体可使ai值减小50%。应及时排出不凝性气体,避免在蒸气腔内积累。
5. 空气侧的对流传热系数与空气平均流速成何关系?
在湍流强制对流的条件下,根据Dittus-Boelter equation,管内流动ai与u0.8成线性关系。本实验测定结果与此相近。
太原理工大学
化工原理实验报告
实验名称:对流传热系数的测定
一、实验预习(30分)
1.实验装置预习(10分)_____年____月____日
指导教师______(签字) 成绩
2.实验仿真预习(10分)_____年____月____日
指导教师______(签字) 成绩
3.预习报告(10分)
指导教师______(签字) 成绩
(1)实验目的
(2) 实验原理
(3) 实验装置与流程:将本实验的主要设备、仪器和仪表等按编号顺序添入图下面的相应位置:
对流传热实验装置流程图
1. 2. 3.
4. 5. 6.
7. 8. 9.
10. 11. 12.
13.
(4) 简述实验所需测定参数及其测定方法:
(5) 实验操作要点:
二、 实验操作及原始数据表(30分)
指导教师______(签字)成绩
三、 数据处理结果(10分)
四、 计算举例(并绘出图形 20分)
五、 结果分析(10分)
1.蒸气冷凝传热过程中,若有不凝性气体存在对传热有何影响?应采取什么措施?
2.实验过程中,冷凝水如不及时排走会产生什么影响?
3.实验装置中,光滑管(粗糙管)变成粗糙管(光滑管)时,对实验结果有何影响?
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