浙江科技学院

实验报告

   

一、      实验课程名称：化工原理

二、   实验项目名称：空气－蒸汽对流给热系数测定

三、    实验目的和要求：

1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

四、    实验内容和原理

实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算a，关联出相关系数。

    实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，

固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

      

达到传热稳定时，有

  （4－1）

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，

                             （4－2）

式中：T_W1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T_W2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，

                               （4－3）

式中：t_W1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t_W2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，

                                 （4－4）

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，

                                  （4－5）

实验中测定紫铜管的壁温t_w1、t_w2；冷空气或水的进出口温度t₁、t₂；实验用紫铜管的长度l、内径d₂，；和冷流体的质量流量，即可计算a₂。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，

                               （4－6）

实验测定、、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。

1．  近似法求算对流给热系数

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

                    （4－7）

式中：d₁ － 换热管外径，m；                    d₂ － 换热管内径，m；

d_m － 换热管的对数平均直径，m；         b  － 换热管的壁厚，m；

l  － 换热管材料的导热系数，W / (m ? ℃)；－ 换热管外侧的污垢热阻，；

－ 换热管内侧的污垢热阻，。

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达~左右，因此冷凝传热热阻可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻也忽略不计，则由式（4－7）得，                                   （4－8）

    由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

2．  冷流体质量流量的测定

用孔板流量计测冷流体的流量，则，                                  (4－9)

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

3．  冷流体物性与温度的关系式

在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

（1）空气的密度与温度的关系式：

（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下＝ J / (kg ?℃),

                         70℃以上＝ J / (kg ?℃)。

（3）空气的导热系数与温度的关系式：

（4）空气的黏度与温度的关系式：

五、主要仪器设备

1．实验装置   实验装置如图4-1所示

图4-1  空气-水蒸气换热流程图

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

六、  操作方法与实验步骤

（一）   实验步骤

1、        打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。

2、        在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、        打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量的空气。

4、        打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5、        在通水蒸汽前，也应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及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，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，方可进行下一步实验。

6、        开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。同时，打开顶端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气阀。

7、        上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在

0. 03MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

8、        自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持5分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、        记录6组实验数据，结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、    打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

七、实验数据记录与处理 

1、  实验原始数据记录表

计算示例（以次序1数据作为计算示例）：

①       空气进口处密度：

₌10^(-5)*46.6^2-4.5*^(-3)*46.6+1.2916=1.0824

②       空气质量流量：=20.0*1.0824/3600=00.0060

③       空气流速：u=4V/πd^2=4*20.0/(3.14*0.016^2)=27.6451

2、给热系数K的计算

①       空气定性温度：：=(46.6+81.3)/2=63.95>60

②       空气比热：J/(kg·°C)

③       定性温度下的空气密度：

=10^(-5)*63.95-4.5*10^(-3)*63.95+1.2916=1.0045

④       冷、热流体间的对数平均温差：

 =((105.3-81.3)-(105.4-46.6))/ln((105.3-81.3)/(105.4-46.6))=38.8355

⑤       传热面积：

⑥       对流传热系数：=0.0062*1005*(81.3-46.6)/(0.0502*38.8355)=107.5635 w/(m²·°C)

3、近似法求给热系数

=K=107.5635w/(m²·°C)

4、理论值的计算

①  空气粘度：

   (-2*10^(-6)*46.6^2+5*10^(-3)+1.7169)*10^-5=1.9456*10^-5Pa*s

②       空气导热系数：

=-2*10^(-8)*46.6^2+8*10^(-5)*46.6+0.0244=0.0281

③  雷诺数：Re=duρ/ μ=0.0161*27.6451*1.0045/(1.9456*10^-5)= 22836

④  普兰特数： Pr=* μ/λ=1005*1.9456*10^(-5)/0.0281=0.6921

⑤  努赛尔数：： Nu=*d/λ=107.5635*0.016/0.0281=61.2800

⑥       对于流体在圆形只管内做湍流时的对流传热系数

若符合以下条件：，，管长与管内径之,则

本实验中，,而Re，Pr也基本在这个范围内，n=0.4。所以可以用上述公式计算Nu的理论值==0.023*22836^0.8*0.6921^0.4=61.0559

⑦       理论：=Nu’*λ/d=61.0559*0.0281/0.016=107.171

⑧       相对误差：(-)/=|(-)/=|(107.171-107.5635)|/ 107.171=0.3667%

⑨       ln(Nu/Pr^0.4)=ln(61.2800/0.6921^0.4)=4.2601

⑩       ln(Re)=ln(22836)=10.0361

八、    实验结果与分析

1、  冷流体给热系数的实验计算值与理论值（）列表比较，计算各点误差，并分析讨论

误差分析：

①       由于是接着上一组做实验，没有等待仪器冷却，导致实验数据存在误差，前几组数据温度过高。

②       迪图斯-贝尔特公式（）的条件是，而实验数据有一个没有在此范围之内。所以用此公式算出的Nu'和' 存在误差。

③       实验过程中，流量存在波动时，没有取平局值，导致实验误差过大

2、冷流体给热系数的准数式：，以为纵坐标，为横坐标，将实验数据的结果标绘在图上，由实验数据作图拟合曲线方程，确定式中常数A及m；并与教材中的经验式比较。

冷流体给热系数的准数式：

由图表得拟合曲线方程：y=0.7562x-3.3385

则m=0.7562

lnA=-3.3385

A=e^-3.3385=0.035

与教材中的经验式比较误差较大，有条件范围，而实验数据并未全在此范围之内。 如果采用齐德——泰特公式以及其他修正，误差应该会减小。

九、讨论、心得

1、 思考题

①  实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?

答：无影响。因为Q=，无论冷流体和蒸汽是顺流还是逆流流动，由于蒸汽温度不变，所以 不变，而不受冷流体和蒸汽流向的影响，所以效果不变。

② 在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？

答：计算空气质量流量时用到的密度值和求雷诺数时的密度值不一样，前者密度为空气入口处温度下的密度，而后者为空气定性温度的密度。

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？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：（1）、冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低了传热速率。

      （2）、在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。

      （3）、在不同压强下测试得到的数据，将会对α产生影响，因为PV=nRT，P与V是变量，P变化后T也随之变化，T改变后，蒸汽进口处的温度就会改变，△tm也会改变。

2、  实验心得

终于开始这学期化工原理实验，这是个非常重要的实验，空气－蒸汽对流给热系数测定实验。现在实验已经结束，通过对这个实验的学习，我加深了对化工原理课上一些理论的理解，也熟悉了实验的流程、操作步骤、并掌握了实验的内容，总的来说就是感触颇深啊！ 

这是我第一次做化工原理实验，初次接触到这个实验老师，我就被他诙谐的语言，他的激情四射，他与众不同的观点给深深的吸引。怎么会有这么强悍的老师！当接触到实验仪器让我感到既兴奋有迷茫，我并不是很明白许多实验仪器的使用方法以及如何通过实验验证理论知识，虽然每次实验前都会有预习，但是在没有真正接触到实验装置的时候还是会有一头雾水的感觉。自己不明白的地方，在听老师讲解时有时便会豁然开朗。现在在我看来做实验的过程是一个既快乐又充满理性知识的过程。就像书本上的知识跳跃了起来一样，不再那么枯燥无味，通过自己的亲手操作和认真计算将原理进行证明的过程真是太爽了。

上了这节实验课我发现，原来这些实验器材都和化工仪器厂或者其他工厂里边的大型器械非常相近，这为我们以后踏入社会熟悉仪器的使用有很直接的关系。化工原理实验最重要的就是将理论付诸实践，平时我们上化工原理课的时候，只能通过老师的讲解，自己的想象了解知识，许多时候我们甚至不能明白为什么就能有这样的结论。而化工原理实验就提供给我们一个平台，一个能更深入了解化工原理知识、更锻炼自己动手能力、在学习上更加丰富的平台。我们可以通过实验锻炼动手能力，团队合作能力，更能够把理论上的知识在更能够把理论上的知识在实践中具体应用，增强了理论与实际的相结合。

以上是我对这个实验的总结，在老师指导下，我也从这个实验中学到了不少知识，这对我的生活和学习都有很大的帮助。希望在这实验的基础上能把下学期的实验做的更好。

 

第二篇：空气-蒸汽给热系数测定实验 实验报告

浙江科技学院

实验报告

   

一、实验课程名称：化工原理

二、实验项目名称：空气－蒸汽对流给热系数测定

三、实验目的和要求：

1、    了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、    掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、    学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

四、实验内容和原理

实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算a，关联出相关系数。

    实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，

固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

      

达到传热稳定时，有

  （4－1）

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，

                           （4－2）

式中：T_W1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T_W2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，

                              （4－3）

式中：t_W1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；t_W2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，

                                （4－4）

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，

                                （4－5）

实验中测定紫铜管的壁温t_w1、t_w2；冷空气或水的进出口温度t₁、t₂；实验用紫铜管的长度l、内径d₂，；和冷流体的质量流量，即可计算a₂。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，

                             （4－6）

实验测定、、并查取下冷流体对应的、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。

1．  近似法求算对流给热系数

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

                  （4－7）

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数可达~左右，因此冷凝传热热阻可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻也忽略不计，则由式（4－7）得，  

                                （4－8）

    由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

2．  冷流体质量流量的测定

用孔板流量计测冷流体的流量，则，

                                  (4－9)

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

3．  冷流体物性与温度的关系式

在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

（1）空气的密度与温度的关系式：

（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下＝ J / (kg ?℃),

                         70℃以上＝ J / (kg ?℃)。

（3）空气的导热系数与温度的关系式：

（4）空气的黏度与温度的关系式：

五、主要仪器设备

1．实验装置   实验装置如图4-1所示

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm；（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm；（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示；（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。

 

 

六、操作方法与实验步骤

（一）实验步骤

1、        打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。

2、        在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、        打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量的空气。

4、        打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5、        在通水蒸汽前，也应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及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，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，方可进行下一步实验。

6、        开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。同时，打开顶端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气阀。

7、        上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

8、        自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、        记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、    打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

七、实验数据记录与处理

取序1作为计算实例：

实验数据：

空气进口温度 t1=34.7℃；

空气出口温度 t2=78.6℃；

空气进口处蒸汽温度T1=108.7℃；

空气出口处蒸汽温度T1=108.7℃；

空气流量V=20.0m³/h；

数据处理：

空气进口密度1.1475kg/ m³，t=t1；

空气质量流量=0.0064kg/s；

空气流速u=27.63m/s；

空气定性温度 =56.65℃；

t2-t1= 43.9℃；

换热面积= 0.0503m²；

空气的比热 C_p2= J / (kg ?℃)；

对数平均温度 =48.80℃；

总给热系数 = 114.65511 W/(m²·℃)；

流体粘度= 1.994E-05 Pa·s,t=定性温度；

流体导热系数= 0.0288678 W/(m·℃)；

雷诺数 = 23699.222；

普兰特数 = 0.6940949；

理论值 α== 113.33827W/(m²·℃)；

杜赛尔数= 62.817787。

八、实验结果与分析

1、冷流体给热系数实验计算值与理论值列表比较：

分析讨论：

1）在对实验值与理论值进行比较得，在温度的较小时误差较大，随着温度的升高，误差减小。但在t1=34.7℃时误差最小，即在空气流速最大时，产生的误差最小。所以迪图斯-贝尔特公式在本实验中适合于空气进口温度为31~39℃，此时误差较小。

2）产生误差的原因可能有：随着温度的升高，气体的粘度增大；空气流量减小使空气流速减小使传热过程更复杂。

2、实验数据图表：

由图表得拟合曲线方程：y = 0.8x - 3.7723；

则m =0.8；

ln(A)=-3.7723；

A=e^-3.7723=0.0230；

所以实验数据可证明教材中的经验式Nu/Re^0.4=0.023Re^0.8的准确性。

 

 

九、讨论、心得

思考题：

1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
答：无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。

2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。

答：不一致。计算空气质量流量时所用到的密度值是冷流体进口温度下对应的密度；求雷诺数时的密度值时是冷流体进出口算术平均温度对应的密度。

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？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：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，若压力表晃动，则及时打开排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走。

在不同压强下测试得到的数据，将会对α产生影响，因为PV=nRT，P与V是变量，P变化后T也随之改变，T改变后，蒸汽进口处的温度就会改变，△tm也会改变。

心得：

        在没有做实验之前，因为对实验仪器的不了解，所以认为实验很难操作。但是在认真预习的前提下，并且听取老师的讲解后，便能掌握具体的操作步骤完成实验。但是对于实验的原理并没有充分的理解。

    我觉得做实验的过程是一个充满理性知识的过程，就像书本上的知识跳跃了起来一样。虽然在实验过程中的许多步骤都是重复的，但是通过自己的亲手操作和认真计算将原理进行证明的过程使我仿佛能够体会到科学家们智慧的结晶，而我也身临其境的体会到了学习化工原理的乐趣。

实验最重要的就是将理论付诸实践，平时上课时只能通过老师的讲解和自己的想象了解知识，虽然老师上课时会有形象的比喻让我们能够容易接受，但是许多时候我都不能明白为什么就能有这样的结论。而通过实验，给了我一个深入了解化工原理知识的平台。

最后，我认为实验报告的数据处理过程十分重要，在处理数据之中，解决问题便是对实验原理的进一步理解。