聊城大学实验报告

总传热系数的测定

一、实验目的

    1.了解换热器的结构，掌握换热器的操作方法。

    2.掌握换热器总传热系数K的测定方法。

    3.了解流体的流量和流向不同对总传热系数的影响

二、基本原理

    在工业生产中，要完成加热或冷却任务，一般是通过换热器来实现的，即换热器必须在单位时间内完成传送一定的热量以满足工艺要求。换热器性能指标之一是传热系数K。通过对这一指标的实际测定，可对换热器操作、选用、及改进提供依据。

    传热系数K值的测定可根据热量恒算式及传热速率方程式联立求解。

    传热速率方程式：

    通过换热器所传递的热量可由热量恒算式计算，即

    若实验设备保温良好，Q损可忽略不计，所以

    式中，Q为单位时间的传热量，W；K为总传热系数，W/(m²·℃)；Dt_m为传热对数平均温度差，℃；S为传热面积（这里基于外表面积），m²；W_h,W_c为热、冷流体的质量流量，kg/s；C_ph,C_pc为热、冷流体的平均定压比热，J/(kg·℃)；T₁,T_2为热流体的进出口温度，℃；t₁,t_2为冷流体的进出口温度，℃。

    Dtm为换热器两端温度差的对数平均值，即

当时，可以用算术平均温度差()代替对数平均温度差。由上式所计算出口的传热系数K为测量值K_测。

    传热系数的计算值K_计可用下式进行计算：

式中，a₀为换热器管外侧流体对流传热系数，W/(m²·℃)；a_i为换热器管内侧流体对流传热系数，W/(m²·℃)；d为管壁厚度，m；l——管壁的导热系数，W/(m²·℃)；R_S为污垢热阻，m²·℃/W。

    当管壁和垢层的热阻可以忽略不计时，上式可简化成：

三、实验装置及流程

    1．实验流程

    本实验装置为一套管换热器，采用冷水—热水系统，流程如图所示。冷水经转子流量计计量后进入换热器的冷水流道，进行热交换后排入地沟。热水槽中的水被加热到预定温度后，由管道泵送至流量计计量，再进入换热器的热水流道，进行热交换后返回热水槽循环使用。在冷热水进、出口处都分别装有铜电阻测量温度。

    实验装置设有逆流和并流两种流程，通过换向阀门改变冷水的流向，进而测得两流体逆流或并流流动时的总传热系数。

    2．主要设备仪表规格

    （1）套管换热器：内管为紫铜管，管径do=6mm；换热管长度l=1.075m；

    （2）测温装置：Cu50型铜电阻配以数字温度显示仪；

    （3）热水发生器：f219×6mm，材质为不锈钢；加热器功率：1kW，由智能程序控温仪控制并显示其中温度；

    （4）流量计：LZB—15转子流量计，范围：0～160L/h；LZB—25转子流量计，范围：0～400L/h。

总传热系数测定装置仿真界面

四、实验步骤

    1．熟悉流程、管线，检查各阀门的开启位置，熟悉各阀门的作用。

    2．将热水发生器水位约维持在其高度的2/3，把换向阀门组调配为逆流。

    3．打开总电源开关，通过智能程序控温仪设定加热器温度，通电加热并启动管道泵，开启热水调节阀调节热水流量为定值。

    4．当热水发生器温度接近设定值时开启冷水离心泵和出口阀，调节冷水阀使冷水流量为定值。实验过程中注意开启冷水槽上水阀勿使槽内水位下降太多。

    5．待冷、热水温度稳定后，记录冷、热水的进出口温度。

    6．调节冷水阀，改变冷水流量，测取6个数据。注意，每次流量改变后，须有一定的稳定时间，待有关参数都稳定后，再记录数据。

    7．把换向阀门组调配为并流，调节冷水阀，改变冷水流量，待温度稳定后记录有关参数。

    8．实验结束后，关闭调节阀门，关闭热水泵的电源开关并关闭冷水离心泵出口阀及离心泵，最后关闭总电源。

五、实验报告

    1．整理原始数据记录表，将有关数据整理在数据处理表中。

    2．列出实验结果，写出典型数据的计算过程，分析和讨论实验现象。

    解：

                

    （1）逆流

    T₁=38.8℃，T₂=36.6℃，t₁=20.5℃，t₂=27.2℃

    △t₁=T₁-t₂=38.8℃-27.2℃=11.6℃，△t₂=T₂-t₁=36.6℃-20.5℃=16.1℃

    ，

    并流

    T₁=40.3℃，T₂=38.6℃，t₁=21.4℃，t₂=28.2℃

    △t₁=T₁-t₁=40.3℃-21.4℃=18.9℃，△t₂=T₂-t₂=38.6℃-28.2℃=10.4℃

    ，

    （2）热负荷  水q_m2=120L/h=119.76kg/h，c_p2=4.183×10³J/（kg·℃），t_1逆=20.5℃，t_2逆=27.2℃，t_1并=21.4℃，t_2并=28.2℃

    Q_逆=q_m2c_p2（t_2逆-t_1逆）=119.76/3600×4.183×10³×（27.2-20.5）=932.335W

    Q_并=q_m2c_p2（t_2并-t_1并）=119.76/3600×4.183×10³×（28.2-21.4）=946.250W

    （3）A=2.016903×10^-2m²

   

   

六、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：

式中，a₀为换热器管外侧流体对流传热系数，W/(m²·℃)；a_i为换热器管内侧流体对流传热系数，W/(m²·℃)；d为管壁厚度，m；l——管壁的导热系数，W/(m²·℃)；R_S为污垢热阻，m²·℃/W。

    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a₀、换热器管内侧流体对流传热系数a_i、管壁厚度d、管壁的导热系数l、污垢热阻R_S。

    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）

 

第二篇：套管换热器的总传热系数的测定

综合化学实验 安徽师范大学20xx年度校级精品课程

△tm =(△t1－△t2)/ln(△t1/△t2), 当△t1/△t2≤2时, △tm =(△t1＋△t2) /2 A,套管换热器的传热面积，因换热壁是圆筒型，所以,A=πd均l，因管壁较薄，所

以，d均为内管的算术平均直径.

通过实验测定各点温度和流体流量,即可求出传热系数K。

四、实验设备及装置

1．实验主要设备

① Cs-S01型超级恒温箱一台

② LZB—15转子流量计一台

③ 套管换热器 外管为玻璃管,内管φ10×1.5mm紫铜管,管长1200mm,一只 ④ 补充加热器,紫铜管加热器作用

1)加快恒温槽升温速度

2)补充热水在热交换器中的热量损失,使在操作中始终维持较高的热水温度.

2．实验装置图（略）

五、实验操作步骤

1．先向恒温槽加入蒸馏水,并控制一定的水位(大约离槽盖3~4厘米即可)；

2．缓慢开启自来水阀,使转子流量计内充满水,并控制一定的上水量；

3．将恒温槽的温度控制在夏天约80~82℃左右(以保持热水进入热交换器一端保持在80℃左右,具体视散热设备而定)；

4．打开电源开关,接通电源,使电加热器及补充加热器加热同时进行,开动搅拌器,在开动搅拌器之前,必须将恒温加热器内水泵的出口与入口用短橡皮连接,使其短路循环,待水温升高到指定温度后,再将出口与换热器连接；

5．逆流换热操作,将恒温槽中热水通过热水进口入换热器内,打开冷水,使冷水通过冷水转子流量计,进入换热器内；

6．逆流换热实验结束；

7．改变逆流操作为并流操作,依同法进行实验；

8．按逆流,并流方向进行实验逆流换热器,热水流量稳定不变,反之亦然。

六、实验数据记录整理

1．实验数据记录

（1）逆流操作

换热器 内管直径φ10×1.5×1200mm,换热管有效长度1000mm

2

综合化学实验 安徽师范大学20xx年度校级精品课程

△tm =(△t1－△t2)/ln(△t1/△t2), 当△t1/△t2≤2时, △tm =(△t1＋△t2) /2 A,套管换热器的传热面积，因换热壁是圆筒型，所以,A=πd均l，因管壁较薄，所

以，d均为内管的算术平均直径.

通过实验测定各点温度和流体流量,即可求出传热系数K。

四、实验设备及装置

1．实验主要设备

① Cs-S01型超级恒温箱一台

② LZB—15转子流量计一台

③ 套管换热器 外管为玻璃管,内管φ10×1.5mm紫铜管,管长1200mm,一只 ④ 补充加热器,紫铜管加热器作用

1)加快恒温槽升温速度

2)补充热水在热交换器中的热量损失,使在操作中始终维持较高的热水温度.

2．实验装置图（略）

五、实验操作步骤

1．先向恒温槽加入蒸馏水,并控制一定的水位(大约离槽盖3~4厘米即可)；

2．缓慢开启自来水阀,使转子流量计内充满水,并控制一定的上水量；

3．将恒温槽的温度控制在夏天约80~82℃左右(以保持热水进入热交换器一端保持在80℃左右,具体视散热设备而定)；

4．打开电源开关,接通电源,使电加热器及补充加热器加热同时进行,开动搅拌器,在开动搅拌器之前,必须将恒温加热器内水泵的出口与入口用短橡皮连接,使其短路循环,待水温升高到指定温度后,再将出口与换热器连接；

5．逆流换热操作,将恒温槽中热水通过热水进口入换热器内,打开冷水,使冷水通过冷水转子流量计,进入换热器内；

6．逆流换热实验结束；

7．改变逆流操作为并流操作,依同法进行实验；

8．按逆流,并流方向进行实验逆流换热器,热水流量稳定不变,反之亦然。

六、实验数据记录整理

1．实验数据记录

（1）逆流操作

换热器 内管直径φ10×1.5×1200mm,换热管有效长度1000mm

2

综合化学实验 安徽师范大学20xx年度校级精品课程

序 号

冷水体积流量

流量

转子刻度

(L/min)

冷水温度 t进/℃

t出/℃

热水温度 T进/℃

T出/℃

（2）并流操作

换热器 内管直径φ10×1.5×1200mm,换热管有效长度1000mm 序

号

冷水体积流量

流量

转子刻度

(L/min)

冷水温度 t进/℃

t出/℃

热水温度 T进/℃

T出/℃

2．实验数据整理 （1）逆流操作

有效换热面积_____________ 序

号

冷水质量流量(kg/s)

（2）并流操作

有效换热面积_____________ 序号

冷水质量流量(kg/s)

t出－t进 φ T进－t出(℃) (10-3W)(℃)

T出－t进

(℃)

△t均 K (℃) (W·m-2·℃-1

t出－t进 φ T进－t出(℃) (10-3W)(℃)

T出－t进

(℃)

△t均 K (℃) (W·m-2·℃-1

七、实验注意事项

1．向热水器内先送冷流体(冷水),然后送热流体(热水). 2．待冷水流量和各点温度稳定后,换热器内无气泡再记录数据. 八、实验报告

1．计算不同实验条件下的传热系数K值. 2．分析不同实验条件下K值不同的原因,

3．通过实验数据分析,提出如何强化传热过程的建议.

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