浙江大学化工原理实验横管对流传热系数的测定实验报告.docx
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浙江大学化工原理实验横管对流传热系数的测定实验报告
专业：
姓名：
学号：
日期：
2015.12.04
地点：
教十1206
实验报告
课程名称：
过程工程原理实验（乙）指导老师：
杨国成成绩：
__________________
实验名称：
传热综合实验实验类型：
工程实验同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
横管对流传热系数的测定
1实验目的：
1.1掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
1.2把测得的数据整理成
形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。
1.3了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。
2装置与流程：
2.1实验装置如图1所示：
图1.装置示意图
2.2流程介绍：
实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪等构成。
空气—水蒸气换热流程：
来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。
空气经孔板流量计进入套管换热管内（紫铜管），流量通过变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。
本实验中，普通管和强化管实验通过管路上的切换阀门进行切换。
2.3横管对流传热系数测定实验数据符号说明表：
名称
符号
单位
备注
冷流体流量
V
紫铜管规格：
Φ19mm×1.5mm，
即内径为16mm，
有效长度为1020mm，
冷流体流量范围：
3~18m^3/h
冷流体进口温度
t1
℃
普通管冷流体出口温度
t2
℃
强化管冷流体出口温度
t2’
℃
蒸汽发生器内蒸气温度
T1
℃
普通管热流体进口端壁温
TW1
℃
普通管热流体出口端壁温
TW2
℃
普通管外蒸气温度
T
℃
强化管热流体进口端壁温
TW1‘
℃
强化管热流体出口端壁温
TW2’
℃
强化管外蒸气温度
T’
℃
3基本原理：
间壁式换热器：
冷流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。
本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和强化管。
其中，水蒸气空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸气走紫铜管外，采用逆流换热。
所谓强化管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。
3.1空气在传热管内对流传热系数的测定
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，如图2：
T
b
TWtw
t
图2.间壁式传热过程示意图
间壁式传热元件在传热稳定后，有公式：
（1）
式中：
Q—传热量，W；
m1—热流体质量流量，kg/s；
Cp1—定性温度下热流体比热，J/（kg·℃）；
T1—热流体进口温度，℃；
T2—热流体出口温度，℃；
m2—冷流体质量流量，kg/s；
Cp2—定性温度下冷流体比热，J/（kg·℃）；
t1—冷流体进口温度，℃；
t2—冷流体出口温度，℃；
α1—热流体与固体壁面的对流传热系数，W/（）；
A1—热流体测的传热面积，；
（T-Tw）m—热流体与固体壁面的对数平均温度，℃；
α2—冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/（）；
A2—冷流体测的传热面积，；
（t-tw）m—冷流体与固体壁面的对数平均温度，℃；
K—以传热面积A为基准的总传热数，W/（）；
A—传热面积，；
Δt—冷、热流体的对数平均温差，℃。
其中：
空气质量流量算法：
—空气之际体积流量，；
—空气在孔板处的密度，kg/。
本实验中即为空气在进口温度下对应的密度。
空气在无纸记录仪上记录的体积流量与空气流过孔板时候的密度有关。
考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是孔板处的空气密度为1kg/时候读数，因此，如果空气的密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按照下式进行校正。
（5）
V—无纸记录仪上显示的空气的体积流量，。
在本装置的套管换热器中，环隙内通水蒸气，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可以认为同一截面处换热管两侧壁温近似相等，即：
，（6）
在传热达到稳定后，可得：
（7）
即：
（8）
实验中测定出紫铜管的壁温tW1和tW2；冷流体的进出口温度t1和t2，并查得t平均=0.5（t1+t2）下冷流体对应的Cp2以及实验用铜管的长度l、内径d2，A2=πd2l和冷流体的质量流量m2，即可计算出α2。
3.2准数方程式
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：
（9）
式中：
—努赛尔数；
—雷诺数；
—普兰特数；
对于流体是被空气冷却的情况，Pr≈常数，n=0.3，式（9）可简化为：
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数n。
在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数B。
4实验步骤：
4.1检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常；
4.2蒸汽发生器灌水至接近最高点处；
4.3打开总电源开关、仪表电源开关，启动控制软件。
开启蒸汽发生器开始加热；
4.4温度上升到水的沸点后，开启风机；
4.5选择普通管管路，与仪表显示一致后，通过控制软件上的“流量设定”，按12m3/h、10m3/h、8m3/h、6m3/h的数据改变冷流体的流量；
4.6在每个实验点时，观察温度变化，特别注意冷流体出口温度的变化，等待系统稳定。
系统稳定后，冷流体出口温度不再有明显的变化时，点击读取数据按钮，保存得到该冷流体流量下的系统数据；
4.7完成普通管的测定后，切换到强化管，按第4.5、4.6两步相同的操作进行测定和数据的采集；
4.8完成实验后，按序切断电加热器电源、水源，停风机，最后导出实验数据，关闭计算机。
5实验数据记录和处理：
5.1基本参数：
紫铜管规格：
Φ19mm×1.5mm，即内径为16mm，A=0.050m2，有效长度为1020mm。
5.2实验数据：
冷流体进口温度/℃
fAirTemp1
fAirTemp1
19.186
19.75
20
20
20.374
20.436
20.25
冷流体出口温度/℃
fAirTemp2
fAirTemp2
65.874
68.436
70.934
72.434
78.124
75.436
75.684
冷流体流量（m3/h）
fV
fV
20.0055
14.7686
10.9605
7.99963
8.03193
12.6724
16.4429
蒸汽进口处壁温/℃
fVaporTemp1
fVaporTemp1
102.124
102
102
101.812
101.934
102.812
102.812
蒸汽出口处壁温/℃
fVaporTemp2
fVaporTemp2
102.374
102.434
102.25
102.124
101.374
102.124
102.124
管外蒸汽温度/℃
ai04
ai04
101.75
101.686
101.686
101.624
99.624
100.812
100.874
加热器汽相温度/℃
fTemp
fTemp
102.06
101.934
101.934
101.874
101.124
102
102
管道名称
iPipeName
iPipeName
普通管1
普通管2
普通管3
普通管4
强化管1
强化管2
强化管3
5.3数据处理：
计算示例：
以强化管第一组数据为例：
t1=20.374℃t2’=78.124℃V=8.03193m³/hT1=101.124℃TW1’=101.934℃TW2’=101.374℃T’=99.624℃
t1=20.374℃，空气的密度为1.2035kg/m³，空气平均温度40~50℃下空气热容为1005J/（kg·K），导热系数为0.0280/[W/（m·K）]，空气粘度为1.94×10-5/Pa·s.
=
=7.3214m³/h
=7.3214/3600*1.2035=0.002448kg/s
Q=
=0.002448*1005*（78.124-20.374）=142.06J/kg
=[（20.374-101.934）-（78.124-101.374）]/ln[（20.374-101.934）/（78.124-101.374）]=
46.46℃
α2=
=142.06/0.051/46.46=59.95W/m2•K
Nu=
=59.95*0.016/0.0280=34.26
Re=
=0.016*0.002448/（0.008*0.008*3.14*1.94）*10
=1.005*10
分别计算，得到如下表格
TW1/℃
TW2/℃
t1/℃
t2/℃
V‘/（m3/s）
m2/（Kg/s）
Q/（J/kg）
（tW-t）m
/K
α/（W
/m2·K）
Nu
Re（10
）
管道类型
102.124
102.374
19.186
65.874
0.00506
0.00611
286.03
56.57
99.14
56.66
2.509
普通管
102
102.434
19.75
68.436
0.00373
0.00450
220.10
54.616
79.01
45.12
1.846
普通管
102
102.25
20
70.934
0.00277
0.00333
170.67
52.65
63.56
36.29
1.368
普通管
101.812
102.124
20
72.434
0.00202
0.00244
128.66
46.84
49.06
28.01
1.002
普通管
101.934
101.374
20.374
78.124
0.00203
0.00245
142.06
46.46
59.95
34.26
1.005
强化管
102.812
102.124
20.436
75.436
0.00321
0.00386
213.36
49.41
84.67
48.35
1.584
强化管
102.812
102.124
20.25
75.684
0.00416
0.00501
279.11
49.29
111.10
63.44
2.056
强化管
在双对数坐标内做Nu~Re图像为：
6实验结果分析：
6.1准数方程式：
根据图像及双对数坐标下直线方程，可得：
对于普通管，有Nu=
；
对于强化管，有Nu=
。
6.2结果分析：
6.2.1从实验结果可以发现，热流体流速越大，横管对流传热系数越大，热量交换越迅速，越明显，换热效果也越好。
另外，随着热流体温度的升高，平均温差变化很小，可以认为基本上没有发生变化，故在生产中在负载允许的情况下，应适当增大流速，以更好地换热任务。
6.2.2在管内加装弹簧，增大空气流动时的湍流程度后，空气在换热过程中所获得的热量增大，所以强化管的α较普通管有明显的增大，说明传热效果更好。
因此在工程上，使用列管式换热器时，常通过增加壳程挡板来增大湍流程度，以获得更好的换热效果。
6.2.3通过加弹簧方法来提高传热效果，由于污垢不断积累所产生的热阻和流体运行阻力的增加，使得效果的提高并没有想象中那么理想，所以实际生产中很少用这样的方法。
6.3误差分析：
无论是普通管还是强化管，实验得到的Nu与Re的关系式与公认的经验式（Nu=0.023Re0.8）有一定的偏差。
分析起来，产生偏差的主要原因可能有：
（1）测量仪器本身的系统误差和外界因素的干扰。
比如由于长期有人做实验，导致管内污垢层积，使管内热阻增大，导致测得的数据发生偏离。
（2）实验数据处理过程中，假设内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，所以可以认为同一截面处换热管两侧壁温近似相等，即：
，而实际上内管材料的性能究竟有没有这么好，有待确定。
（3）测定实验数据时，要求在稳定传热状态下，要求稳定时间在8min以上，而事实上测量数据的时候，在温度稳定5min左右就已经开始采集数据，而有可能此时传热尚未达到真正的稳定。
即使每次数据都在度数稳定8min采集，也不能保证此时传热已经稳定，因为过程工程原理实验是工程实验，实验结果受实际复杂情况影响较大。
（4）数据处理的时候也会引入一定的误差。
（5）加强管的测量误差较大，可能是因为测量的数据较少，公式未能完全拟合.
6.4思考题：
6.4.1实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
在不考虑错流和折流的情况下，实验中冷流体和蒸汽的流向有两种：
一种是两者流动方向相同，即并流；另一种是两者流动方向相反，即逆流。
这两种情况的传热效果是不相同的，因为在同样的进、出口温度下，逆流的传热温差比并流的大，所以当传热管的传热面积和传热系数不变时，逆流时传热速率更大，传热效果也更好。
6.4.2在计算冷流体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？
不一致。
计算冷流体质量流量时的密度是孔板流量计测压的地方的温度对应的密度，应该将压力换算到常压下进行计算。
本实验测压处的压力近似认为是常压。
求雷诺数时，所也用的密度是传热管中的定性温度所对应的气体密度，它所表示的是管内空气的平均温度。
在处理数据的时候，将雷诺数Re的公式进行转化：
Re=
6.4.3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？
冷凝水不及时排走将会附着在管壁上，由于水的导热性能远差于紫铜，所以未及时排走的冷凝水将降低传热的速率，使传热效果变差。
要及时排走冷凝水，可以使管束有一定的倾斜，同时也可以设置冷凝液排泄挡板和改善冷凝表面状况等。
7讨论心得：
7.1对间壁式传热器的认识：
间壁式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。
由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。
按照结构区分，可分为管式和板式，实验中所用为管式，且是横管。
7.2对强化传热的认识：
强化传热的目的是用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。
从传热速率方程可以看出，增大传热系数、扩展传热面积和增大传热平均温差均可提高传热效率。
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