浙江大學化工原理實驗報告

專業(yè):實驗報告姓名實驗報告學號日期課程名稱：—過程工程原理實驗實驗名稱：傳熱綜合實驗課程名稱：—過程工程原理實驗實驗名稱：傳熱綜合實驗、實驗目的和內(nèi)容實驗的理論依據(jù)（實驗原理）原始記錄數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)整理計算過程舉例實驗結(jié)果的分析和討論（甲）I__指導老師：____成績：—實驗類型：工程實驗同組學生姓名:二、實驗裝置與流程示意圖三、五、三、五、七、九、一六、整理計算數(shù)據(jù)表八、實驗結(jié)論、實驗目的和內(nèi)容1、掌握空氣在普通和強化傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)的測定方法，了解影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。2、把測得的數(shù)據(jù)整理成Nu=BRen形勢的準數(shù)方程，并與教材中相應(yīng)公式進行比較。3、了解溫度、加熱功率、空氣流量的自動控制原理和使用方法。二、實驗裝置與流程示意圖本實驗裝置流程如圖1由蒸汽發(fā)生器、孔板流量變送器、變頻器、套管換熱器及溫度傳感器、智能顯示儀表等構(gòu)成。AR菅T6rX-AR菅T6rX-廠41圖1 豎管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖表1豎管對流傳熱系數(shù)測定實驗裝置流程圖符號說明表名稱符號名稱符號冷流體流量V冷流體進口溫度普通管冷流體出口溫度強化管冷流體出口溫度蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽溫度 Ti普通管熱流體進口端壁溫TW_j 普通管熱流體出口端壁溫TW_2 普通管外蒸汽溫度T加強管熱流體進口端壁溫TW，_j 加強管熱流體出口端壁溫TW，2加強管外蒸汽溫度T’單位備注m3/h紫銅管規(guī)格◎19X1.5mm，即內(nèi)徑為16mm，有效長度為980mm，冷流體流量范圍：3?16m3/h.°C°CCCCCCCCC空氣-水蒸氣換熱流程：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入套管換熱器，與被風機抽進的空氣進行換熱交換，冷凝水經(jīng)排出閥排入盛水裝置?？諝庥娠L機提供，流量通過變頻器改變風機轉(zhuǎn)速達到自動控制，空氣經(jīng)孔板流量計進入套管換熱器內(nèi)管，熱交換后從風機出口排出。注意：本實驗中，普通和強化實驗通過管路上的切換閥門進行切換。三、實驗的理論依據(jù)（實驗原理）在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，采用間壁式換熱方式進行換熱。所謂間壁式換熱，就是冷、熱兩種流體之間有一固體壁面，兩流體分別在固體壁面的兩側(cè)流動，兩流體不直接接觸，通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換。本裝置主要研究汽一氣綜合換熱，包括普通管和加強管。其中，水蒸汽和空氣通過紫銅管間接換熱，空氣走紫銅管內(nèi)，水蒸汽走紫銅管外，采用逆流換熱。所謂加強管，是在紫銅管內(nèi)加了彈簧，增大了絕對粗糙度，進而增大了空氣流動的湍流程度，使換熱效果更明顯。空氣在傳熱管內(nèi)對流傳熱系數(shù)的測定如圖2所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。2

間壁式傳熱元件，在傳熱過程達到穩(wěn)態(tài)后，有TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"Q=mc(T-T)=mc(t-1)1pl1 2 2p2 2 1=aA(T-T)=aA(t-1)11 WM22WM=KAAt *m熱流體與固體壁面的對數(shù)平均溫差可由(2)式計算:(2)\o"CurrentDocument"(T-T)-(T-T)(T—T)=—1W1 2W2—(2)w'm ]T-TlnW1T-T2W2固體壁面與冷流體的對數(shù)平均溫差可由（3）式計算:W^-^1_W2-t2)t—tInw1 1tW2-12熱、冷流體間的對數(shù)平均溫差可由（4）式計算:Atm(Atm(T-t)-(T-.J □ □.12 2IT-1ln—2-\(4)冷流體（空氣）的質(zhì)量流量可由（5）式計算:m=V'p （5）2 0注意：空氣在無紙記錄儀上顯示的體積流量，與空氣流過孔板時的密度有關(guān)，考慮到實際過程中，空氣的進口溫度不是定值，為了處理上的方便，無紙記錄儀上顯示的體積流量是將孔板處的空氣密度p0當作1kg/m3時的讀數(shù)，因此，如果空氣實際密度不等于該值，則空氣3

的實際體積流量應(yīng)按下式進行校正:TOC\o"1-5"\h\zV ,V'=^ (6)?p, 0當內(nèi)管材料導熱性能很好，艮心值很大，且管壁厚度較薄時，可認為同一截面處換熱管二側(cè)壁溫近似相等，即TW2Mw1，TW1-tW2，在傳熱過程達到穩(wěn)定后，由式(1)可得：\o"CurrentDocument"mc(t-1)=aA(t-1) (7)2p2 2 1 22W1m即：mc(1一1)a= ——(8)A2(1W-1)m一般情況下，直接測量固體壁面溫度，尤其是管內(nèi)壁溫度，實驗技術(shù)難度較大，因此，工程上也常采用通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流傳熱系數(shù)。下面介紹其他兩種測定對流傳熱系數(shù)a2的實驗方法。近似法求算空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)a2。以管內(nèi)壁面積為基準的總傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)間的關(guān)系為：bd-dd$+R1寸Fm 1 11mc(1一1)= 2mc(1一1)= 2p22 1AMm(10)KQK=AMm用本裝置進行實驗室時，換熱管外側(cè)、管壁，內(nèi)側(cè)污垢熱阻均忽略不急，則可由式(9)近似得出：a2"K (11)由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對流傳熱熱阻相比越小，此法所求得的結(jié)果準確性越高。準數(shù)方程式對于流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流對流傳熱時，傳熱準數(shù)經(jīng)驗式為：4Nu=0.023Re0.8Prn (14)_adNu—22式中：Nu—努塞爾數(shù)， X'，無因次；dupRe——Re一雷諾數(shù)， 日，無因次；Pr—^^Pr—普蘭特數(shù)， X'，無因次；上式適用范圍為：Re=1.0X104?1.2X105，Pr=0.7?120，管長與管內(nèi)徑之比L/dN60。當流體被加熱時n=0.4，流體被冷卻時n=0.3。故可由實驗獲取的數(shù)據(jù)點擬合出相關(guān)準數(shù)后，在雙對數(shù)坐標紙上，即可作出Nu?Re直線，確定Nu=BRen的擬合方程，并與公認的經(jīng)驗公式進行對比，以驗證實驗效果。通過普通管和強化傳熱管實驗結(jié)果的對比，分析影響傳熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。四、 注意事項開始加熱功率可以很大，但當溫度達到100°C左右，有大量不凝氣體排出時，加熱電壓一般控制在250V左右。實際實驗管路要和儀表柜上選擇開關(guān)及計算機上的顯示一致，否則實驗失敗。實驗中不凝氣體閥門和冷凝水閥門要一直開啟，防止積水，影響實驗效果。測定各參數(shù)時，必須是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下。一般傳熱穩(wěn)定時間都至少需保證8分鐘以上，以保證數(shù)據(jù)的可靠性(第一組數(shù)據(jù)的測定至少穩(wěn)定15分鐘)。實驗過程中，要確保蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位不能低于警戒水位。五、 數(shù)據(jù)處理普通管原始數(shù)據(jù)裝直號冷流體進口溫度/C冷流體出口溫度/C冷流體流量(m3/h)進口壁溫/C出口壁溫/C管外蒸氣溫度/C加熱器氣相溫度/C330.39873.519.7848105.136104.992105.598106.498329.774.314.7256104.938104.894105.5105.99433075.410.9239105.334105.192105.698106.498329.676.37.98994105.632105.686105.9106.802329.5776.03041105.928105.982106107.206處理數(shù)據(jù) 50?60C下空氣熱容為1005J/(kg-K)，導熱系數(shù)為0.0285/[W/(m-K)]空氣粘度為1.97X10-5/Pa-s5

定性溫度t/rM2/10A3(kg/s)a/(W/m2?K)黏度|i/10-5Pa?s雷諾數(shù)Re*10人4努賽爾準數(shù)Nu51.9495.93183108.491.9502.24360.9152.0004.4150374.2281.9551.66941.6752.7003.2751955.3081.9601.23931.0552.9502.3955441.4151.9650.90623.2553.2501.8080431.0691.9700.68417.44在雙對數(shù)坐標內(nèi)做Nu?Re圖像為:Nu=0.001Reis強化管實驗數(shù)據(jù)處理原始數(shù)據(jù)裝直號冷流體進口溫度/°C冷流體出口溫度/C冷流體流量(m3/h)進口壁溫/C出口壁溫/C管外蒸氣溫度/C加熱器氣相溫度/C3318515.0733103.15100.63699.698101.8526

6331889.35085103.454101.03299.198102.156331895.9755103.652101.23299.698102.358處理數(shù)據(jù)定性溫度tTCM2/10人3(kg/s)c/(W/m2?K)雷諾數(shù)Re努賽爾準數(shù)Nu584.214114.6116507.763.6759.52.61484.31510237.746.84601.67156.0256544.4731.125在雙對數(shù)坐標內(nèi)做Nu?Re圖像為:6實驗結(jié)果分析：6.1準數(shù)方程式：根據(jù)圖像及雙對數(shù)坐標下直線方程，可得:對于普通管，有Nu=0.001Re1-032；對于強化管，有Nu=°.°36Re。.772。76.2結(jié)果分析：6.2.1從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，熱流體流速越大，橫管對流傳熱系數(shù)越大，熱量交換越迅速，越明顯，換熱效果也越好。另外，隨著熱流體溫度的升高，平均溫差變化很小，可以認為基本上沒有發(fā)生變化，故在生產(chǎn)中在負載允許的情況下，應(yīng)適當增大流速，以更好地換熱任務(wù)。6.2.2在管內(nèi)加裝彈簧，增大空氣流動時的湍流程度后，空氣在換熱過程中所獲得的熱量增大，所以強化管的a較普通管有明顯的增大，說明傳熱效果更好。因此在工程上，使用列管式換熱器時，常通過增加殼程擋板來增大湍流程度，以獲得更好的換熱效果。6.2.3通過加彈簧方法來提高傳熱效果，由于污垢不斷積累所產(chǎn)生的熱阻和流體運行阻力的增加，使得效果的提高并沒有想象中那么理想，所以實際生產(chǎn)中很少用這樣的方法。6.3誤差分析：無論是普通管還是強化管，實驗得到的Nu與Re的關(guān)系式與公認的經(jīng)驗式（Nu=0.02ReO.8）有一定的偏差。分析起來，產(chǎn)生偏差的主要原因可能有：（1） 測量儀器本身的系統(tǒng)誤差和外界因素的干擾。比如由于長期有人做實驗，導致管內(nèi)污垢層積，使管內(nèi)熱阻增大，導致測得的數(shù)據(jù)發(fā)生偏離。（2） 實驗數(shù)據(jù)處理過程中，假設(shè)內(nèi)管材料導熱性能很好，艮R值很大，且管壁厚度較薄時，所以可以認為同一截面處換熱管兩側(cè)壁溫近似相等，即：，而實際上內(nèi)管材料的性能究竟有沒有這么好，有待確定。（3） 測定實驗數(shù)據(jù)時，要求在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，要求穩(wěn)定時間在8min以上，而事實上測量數(shù)據(jù)的時候，在溫度穩(wěn)定5min左右就已經(jīng)開始采集數(shù)據(jù)，而有可能此時傳熱尚未達到真正的穩(wěn)定。即使每次數(shù)據(jù)都在度數(shù)穩(wěn)定8min采集，也不能保證此時傳熱已經(jīng)穩(wěn)定，因為過程工程原理實驗是工程實驗，實驗結(jié)果受實際復雜情況影響較大。（4）數(shù)據(jù)處理的時候也會引入一定的誤差。6.4思考題：6.4.1實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響？在不考慮錯流和折流的情況下，實驗中冷流體和蒸汽的流向有兩種：一種是兩者流動方向相同，即并流；另一種是兩者流動方向相反，即逆流。這兩種情況的傳熱效果是不相同的，因為在同樣的進、出口溫度下，逆流的傳熱溫差比并流的大，所以當傳熱管的傳熱面積和傳熱系數(shù)不變時，逆流時傳熱速率更大，傳熱效果也更好。6.4.2在計算冷流體質(zhì)量流量時所用到的密度值與求雷諾數(shù)時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應(yīng)在什么條件下進行計算？不一致。計算冷流體質(zhì)量流量時的密度是孔板流量計測壓的地方的溫度對應(yīng)的密度，應(yīng)該將壓力換算到常壓下進行計算。本實驗測壓處的壓力近似認為是常壓。求雷諾數(shù)時，所也用的密度是傳熱管中的定性溫度所對應(yīng)的氣體密度，它所表示的是管內(nèi)空氣的平均溫度。在處理數(shù)據(jù)的時候，將雷諾數(shù)Re的公式進行轉(zhuǎn)化：6.4.3實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？冷凝水不及時排走將會附著在管壁上，由于水的導熱性能遠差于紫銅，所以未及時排走的冷凝水將降低傳熱的速率，使傳熱效果變差。因為a-（p2g入3r/pd0At）1/4，當蒸汽壓強增加時，r和At均增加，其它參數(shù)不變，故（p2g入3r/pd△t）i/4變化不大，所以認為蒸汽壓強對a關(guān)聯(lián)式無影響。 °要及時排走冷凝水，可以使