⑴ 對流給熱系數測定:對流給熱系數的測定實驗PPT
序號： 6
化工原理實驗報告
姓名：×××
院系：化學化工學院
班級：×××××× 學號：×××××× 指導老師：××× 同組者：×××、×××
試驗項目名稱：對流給熱系數測定
實驗日期：2012.10.23 實驗室：7101
一、 實驗目的
1. 觀察水蒸氣在水平管外幣上的冷凝現象； 2. 測定空氣在圓直管內強制對流給熱系數； 3. 掌握熱電阻測溫的方法。
二、 實驗原理
在套管換熱器中，環隙通以水蒸氣，內管管內通以空氣或水，水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣或水，在傳熱過程中達到穩定後，有如下公式：
V ρC p (t2-t 1) = α0A 0(T-Tw ) m = αi A i (tw -t) m
(T1-T w1)-(T2-T w2)
(T-Tw ) m = T I -T w1T 2-T w2(tw1-t 1)-(tw2-t 2)
(tw -t) m = t w1-t 1t w2-t 2
式中：
V —被加熱流體體積流量，m /s；
A 0、A i —內管的外幣、外壁的傳熱面積，m ； ρ—被加熱流體密度，kg/m；
（T-T w ）m —水蒸氣與外壁間的對數平均溫度差，C ； C p —被加熱流體平均熱，J/(kgC) ； （t w -t ）m —內壁與流體間的對數平均溫度差；
。
。
3
2
3
α0、αi —流體對內管內壁的流量和水蒸氣對內管外壁的流量給熱系數，
W/(m2。C ) ；
。
t 2、t 1—被加熱流體進、出口溫度，C ； 。T 1、T 2—蒸氣進、出口溫度，C ；
。T w1、T w2、t w1、t w2—外壁和內壁上進、出口溫度，C 。
當內管材料導熱性能很好，即λ值很大，切管壁厚度很薄時，可認為T w1= t w1，T w2= tw2，即為所測得的該點的壁溫。
V ρC p (t2-t 1) V ρC p (t2-t 1)
則：α0 = ，αi = A0(T-Tw )m A0(T-Tw )m
若能測得被加熱流體的V 、 t2、t 1，內管的換熱面積A 0或A i ，以及水蒸氣溫度T ，壁溫T w1、T w2，即可計算實測的水蒸氣平均冷凝給熱系數和實測的流體在管
內的平均冷凝給熱系數。
三、 實驗裝置與流程
1. 實驗裝置如圖 1所示。
圖 1 水蒸氣—空氣換熱流程圖
2. 設備與儀表規格
（1）紫銅管規格：直徑φ21×2.8mm ，長度L = 1000mm （2）外套玻璃管規格：直徑φ100×5mm ，漲肚L = 1000mm （3）壓力表規格：0—0.1MPa
四、實驗步驟
1. 打開總電源空氣開關，打開儀表及巡檢儀電源開關，給儀表上電。 2. 打開儀表台上的風機電源開關，讓風機工作，同時打開閥4，讓套管換熱器里沖有一定量的空氣。
3. 打開閥1，注意只開一定開度，開的太大會讓換熱器里的蒸汽跑掉，開的太小會使玻璃管里的蒸汽壓力聚集而產生玻璃管炸裂。
4. 在做實驗前，應將蒸汽發生器到實驗裝置之間的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。
5. 剛開始通入蒸汽時，要仔細調節閥3的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由「冷態」轉變為「熱態」，不得少於10分鍾，以防止玻璃管因突然受熱、受壓而爆裂。
6. 當一切准備好後，打開蒸汽進口閥3，蒸汽壓力調到0.01MPa ，並保持蒸汽壓力不變。
7. 手動調節空氣流量時，可通過調節空氣的進口閥4，改變冷流體的流量到一定值，等穩定後記錄實驗數值；改變不同流量，記錄不同流量下的實驗數值。
8. 記錄3到5組實驗數據，完成實驗，關閉蒸汽進口閥3可空氣進口閥4，關閉儀表電源和風機電源。
9. 關閉蒸汽發生器。
五、數據記錄與處理
1將實驗數據填入下表：
表 1 不同流量下各測溫點的溫度
流量m /h
3
冷空氣進
。
冷空氣出
。
管內壁進
。
管內壁出
。
管外壁進
。
管外壁進
。
口溫度/C 口溫度/C 口溫度/C 口溫度/C 口溫度/C 口溫度/C
12.0 15.0 18.0 21.0 24.0
40.1 40.9 41.5 41.7 42.2
78.9 78.6 78.0 77.5 77.2
102.2 102.0 101.7 101.9 101.9
98.6 98.4 98.2 98.4 98.3
102.1 101.9 101.6 101.7 101.7
102.3 102.2 101.9 102.0 102.1
2. 計算冷流體給熱系數，將實驗值與理論值列表比較，計算各點誤差，並分析討論。
其中以第一組數據為例
已知40℃時，ρ=1.128 kg/m3 CP =1.005×103 J/(kg ℃ )
102.3-102.1。
（T-T w ）m = C
102.3In 102.178.9-40.1。
（t w -t ）m = = 57.33C
78.9In 40.1
α0 =
V ρC p (t2-t 1) 12.0×1.128×1.005×57.33
2。C )
A0(T-Tw )m 1×2×3.14×0.0154×102.20
理論值α= 81.14 W/(m2。C ) 相對誤差η=
81.14-78.91
×100% = 2.75%
81.14
表 2 不同流量下冷流體給熱系數的比較
流量m /h 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0
3
所有結果列於下表：
α0/ W/(m2。C )
78.91
99.43 119.94 139.60 159.99
α
理論值
W/(m2。C ) 相對誤差η/%
2.75 4.91 15.44 23.17 28.49
81.14 94.78 103.90 113.34 124.52
由上表可知，隨冷空氣流量的增大，α0增大，且隨著冷凝氣體流量的增大，測量的誤差也在增大。
3. 確定關聯式
N u m
0.4中常數A 、m 的值. Pr
查《化工原理上冊》可得： 40℃時，λ=2.756×10-2 W/(m ·℃ )
N u =
α ×d
=1.629×104×17×10-3/2.746×10-2 = 1.008×104 λ
查《化工原理上冊》可得： 40℃時，μ=1.91×10-5Pa·s Re =
ρ ×d ×u
1.132×17×10-3×18.38/1.90×10-5 = 1.862×104
μ
Pr = P r
0.4
C P ×μ
=1.005×103×1.90×10-5/2.746×10-2 = 0.695 λ= 0.695
0.4
= 0.865
N u 440.4 =1.008×10/0.865 = 1.165×10 Pr
各組數據經計算後列於下表
表 3 不同流量下的Nu 、Re
流量α0/
23
m /h W/(m。C )
Nu×10-4 Re P r
N u
Pr 0.4，11650 16030 17640 18840 1.948
lnRe
In
9.83 10.04 10.14 10.23 10.29
N u
Pr 0.4
12.0 15.0 18.0 21.0 24.0
78.91
99.43 119.94 139.60 159.99
1.008 1.387 1.512 1.630 1.687
18620 23030 25220 27590 2.936
0.695 0.695 0.697 0.696 0.697
9.36 9.68 9.77 9.84 9.88
經過計算可知，對於管內被加熱的空氣，普蘭特准數Pr 變化不大，可以認為是常數，P r =
0.695×3+0.696×2+0.697×2+0.698
= 0.6961
8
P r 0.4= 0.69610.4=0.865
根據
N u m
0.4 =ARe ,兩邊同時取對數可得： Pr
N u
ln = mlnRe+lnA
Pr0.4
以
N u
為縱坐標，lnR e 為橫坐標，得一直線，斜率為m ，截距為lnA 。作圖 Pr0.4
9.9
如下：
N u P r 0. 4
9.8
9.7
9.5
9.4
9.3
lnRe
圖 2
N u
0.4—lnR e 曲線 Pr
9.6
由圖可得出：m=0.06276 lnA = 1.36392 A = 3.9115 4. 實驗討論
（1）. 由實驗所得圖像可知，基本符合線性關系。
（2）. 實驗時，每組間隔時間要保持5至6分鍾，以保證所得數據處於較穩定的狀態。
六、實驗誤差分析
1. 在冷流體給熱系數測定過程中，改變流量後沒等數據穩定就記錄，造成一定誤差。
2. 冷流體流量的不穩定因素，使讀數時產生誤差，從而在處理數據時不可避免的造成誤差。
3. 溫度的變化使冷流體密度發生變化，從而在計算時產生誤差。
七、思考題
1.實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響？
答：冷流體和蒸汽是並流時，傳熱溫度差小於逆流時傳熱溫度差，在相同進出口溫度下，逆流傳熱效果大於並流傳熱效果。
2. 如果採用不同壓強的蒸汽進行實驗，對α關聯式有何影響？
答：基本無影響。因為α∝(ρ2g λ3r/μd0△t)1/4，當蒸汽壓強增加時，r 和△t 均增加，其它參數不變，故 (ρ2g λ3r/μd0△t)1/4變化不大，所以認為蒸汽壓強對α關聯式無影響。
3. 實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產生什麼影響，如何及時排走冷凝水？ 答：冷凝水不及時排走，附著在管外壁上，增加了熱阻，降低傳熱速率。在外管最低處設置排水口，及時排走冷凝水。
4. 實驗中，所測得的壁溫是靠近蒸氣側還是冷流體側溫度？為什麼？ 答：靠近蒸氣溫度；因為蒸氣冷凝傳熱膜系數遠大於空氣膜系數。 5. 蒸汽冷凝過程中，若存在不冷凝氣體，對傳熱有何影響，應採取什麼措施？ 答：不凝性氣體會減少製冷劑的循環量，使製冷量降低。並且不凝性氣體會滯留在冷凝器的上部管路內，致使實際冷凝面積減小，冷凝負荷增大，冷凝壓力升高，從而製冷量會降低。而且由於冷凝壓力的升高致使排氣壓力升高，還會減少壓縮機的使用壽命。應把握好空氣的進入，和空氣的質量。
八、 實驗心得
本次實驗是進行對流給熱系數測定. 這是第二個化工原理實驗，也是比較成功的一次實驗。在實驗過程中，同學們相互配合，認真、耐心的完成了實驗要求，達到了預想中的效果。
其中存在的不足之處：
1. 在冷流體給熱系數測定過程中，剛開始大家都蠻有耐心地等各個溫度穩定後再記錄數據，到測後面幾組的時候，看到其他同學實驗做完了，就迫不及待的想早點做完，造成後面幾組實驗測得的誤差較大。
2. 可能天氣較冷的緣故，在實驗過程中，同學們經常在蒸汽發生器周圍轉悠，這樣很危險。
總之，這次實驗整體來說比較滿意，對於這次實驗所存在的不足之處，在下次實驗時做到有則改之，無則加勉。
⑵ 實驗：空氣—蒸汽對流給熱系數測定 測得數據後怎麼算空氣流速和空氣定性溫度
不明白你怎麼要空氣流速和空氣定性溫度的運算。本實驗是測出冷熱流體兩端溫度，再計算出對流給熱系數的，哪有反過來的？
冷流體（空氣和水）與熱流體水蒸汽通過套管換熱器的內管管壁發生熱量交換的過程可分為三步：
○1套管環隙內的水蒸汽通過冷凝給熱將熱量傳給圓直水平管的外壁面(A0)；
○2熱量從圓直水平管的外壁面以熱傳導的方式傳至內壁面(Ai)；
○3內壁面通過對流給熱的方式將熱量傳給冷流體(Vc)。
在實驗中，水蒸汽走套管換熱器的環隙通道，冷流體走套管換熱器的內管管內，當冷、熱流體間的傳熱達到穩定狀態後，根據傳熱的三個過程、牛頓冷卻定律及冷流體得到的熱量，可以計算出冷熱流體的給熱系數（以上是實驗原理）。
（以下是計算方法）傳熱計算公式如下：
Q=α0A0( T–Tw)m= αiAi( tw–t)m=VcρcCpc(t2-t1)
可以根據蒸汽溫度初始溫度、末端溫度、上述公式和空氣—蒸汽對流給熱系數計算得到空氣溫度變化值。
⑶ 氣—汽對流傳熱實驗中，管壁溫度接近熱蒸汽溫度還是空氣溫度測數據前，為什麼要排不凝性氣體
因為蒸汽放熱系數會遠遠大於空氣換熱系數，所以管壁溫度更加接近蒸汽溫度了；同時因為蒸汽中含有空氣會在蒸汽與管壁之間形成隔熱膜造成傳熱效率下降，因此在蒸汽換熱系統里都要把空氣抽干凈的。注意空氣傳熱能力很差。