⑴ 对流给热系数测定:对流给热系数的测定实验PPT
序号： 6
化工原理实验报告
姓名：×××
院系：化学化工学院
班级：×××××× 学号：×××××× 指导老师：××× 同组者：×××、×××
试验项目名称：对流给热系数测定
实验日期：2012.10.23 实验室：7101
一、 实验目的
1. 观察水蒸气在水平管外币上的冷凝现象； 2. 测定空气在圆直管内强制对流给热系数； 3. 掌握热电阻测温的方法。
二、 实验原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程中达到稳定后，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 —被加热流体体积流量，m /s；
A 0、A i —内管的外币、外壁的传热面积，m ； ρ—被加热流体密度，kg/m；
（T-T w ）m —水蒸气与外壁间的对数平均温度差，C ； C p —被加热流体平均热，J/(kgC) ； （t w -t ）m —内壁与流体间的对数平均温度差；
。
。
3
2
3
α0、αi —流体对内管内壁的流量和水蒸气对内管外壁的流量给热系数，
W/(m2。C ) ；
。
t 2、t 1—被加热流体进、出口温度，C ； 。T 1、T 2—蒸气进、出口温度，C ；
。T w1、T w2、t w1、t w2—外壁和内壁上进、出口温度，C 。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，切管壁厚度很薄时，可认为T w1= t w1，T w2= tw2，即为所测得的该点的壁温。
V ρC p (t2-t 1) V ρC p (t2-t 1)
则：α0 = ，αi = A0(T-Tw )m A0(T-Tw )m
若能测得被加热流体的V 、 t2、t 1，内管的换热面积A 0或A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，即可计算实测的水蒸气平均冷凝给热系数和实测的流体在管
内的平均冷凝给热系数。
三、 实验装置与流程
1. 实验装置如图 1所示。
图 1 水蒸气—空气换热流程图
2. 设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21×2.8mm ，长度L = 1000mm （2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm ，涨肚L = 1000mm （3）压力表规格：0—0.1MPa
四、实验步骤
1. 打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。 2. 打开仪表台上的风机电源开关，让风机工作，同时打开阀4，让套管换热器里冲有一定量的空气。
3. 打开阀1，注意只开一定开度，开的太大会让换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使玻璃管里的蒸汽压力聚集而产生玻璃管炸裂。
4. 在做实验前，应将蒸汽发生器到实验装置之间的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。
5. 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
6. 当一切准备好后，打开蒸汽进口阀3，蒸汽压力调到0.01MPa ，并保持蒸汽压力不变。
7. 手动调节空气流量时，可通过调节空气的进口阀4，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数值；改变不同流量，记录不同流量下的实验数值。
8. 记录3到5组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀3可空气进口阀4，关闭仪表电源和风机电源。
9. 关闭蒸汽发生器。
五、数据记录与处理
1将实验数据填入下表：
表 1 不同流量下各测温点的温度
流量m /h
3
冷空气进
。
冷空气出
。
管内壁进
。
管内壁出
。
管外壁进
。
管外壁进
。
口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/C 口温度/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. 计算冷流体给热系数，将实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
其中以第一组数据为例
已知40℃时，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
理论值α= 81.14 W/(m2。C ) 相对误差η=
81.14-78.91
×100% = 2.75%
81.14
表 2 不同流量下冷流体给热系数的比较
流量m /h 12.0 15.0 18.0 21.0 24.0
3
所有结果列于下表：
α0/ W/(m2。C )
78.91
99.43 119.94 139.60 159.99
α
理论值
W/(m2。C ) 相对误差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，随冷空气流量的增大，α0增大，且随着冷凝气体流量的增大，测量的误差也在增大。
3. 确定关联式
N u m
0.4中常数A 、m 的值. Pr
查《化工原理上册》可得： 40℃时，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《化工原理上册》可得： 40℃时，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
各组数据经计算后列于下表
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
经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，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
根据
N u m
0.4 =ARe ,两边同时取对数可得： Pr
N u
ln = mlnRe+lnA
Pr0.4
以
N u
为纵坐标，lnR e 为横坐标，得一直线，斜率为m ，截距为lnA 。作图 Pr0.4
9.9
如下：
N u P r 0. 4
9.8
9.7
9.5
9.4
9.3
lnRe
图 2
N u
0.4—lnR e 曲线 Pr
9.6
由图可得出：m=0.06276 lnA = 1.36392 A = 3.9115 4. 实验讨论
（1）. 由实验所得图像可知，基本符合线性关系。
（2）. 实验时，每组间隔时间要保持5至6分钟，以保证所得数据处于较稳定的状态。
六、实验误差分析
1. 在冷流体给热系数测定过程中，改变流量后没等数据稳定就记录，造成一定误差。
2. 冷流体流量的不稳定因素，使读数时产生误差，从而在处理数据时不可避免的造成误差。
3. 温度的变化使冷流体密度发生变化，从而在计算时产生误差。
七、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：冷流体和蒸汽是并流时，传热温度差小于逆流时传热温度差，在相同进出口温度下，逆流传热效果大于并流传热效果。
2. 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：基本无影响。因为α∝(ρ2g λ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t 均增加，其它参数不变，故 (ρ2g λ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。
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？ 答：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了热阻，降低传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。
4. 实验中，所测得的壁温是靠近蒸气侧还是冷流体侧温度？为什么？ 答：靠近蒸气温度；因为蒸气冷凝传热膜系数远大于空气膜系数。 5. 蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响，应采取什么措施？ 答：不凝性气体会减少制冷剂的循环量，使制冷量降低。并且不凝性气体会滞留在冷凝器的上部管路内，致使实际冷凝面积减小，冷凝负荷增大，冷凝压力升高，从而制冷量会降低。而且由于冷凝压力的升高致使排气压力升高，还会减少压缩机的使用寿命。应把握好空气的进入，和空气的质量。
八、 实验心得
本次实验是进行对流给热系数测定. 这是第二个化工原理实验，也是比较成功的一次实验。在实验过程中，同学们相互配合，认真、耐心的完成了实验要求，达到了预想中的效果。
其中存在的不足之处：
1. 在冷流体给热系数测定过程中，刚开始大家都蛮有耐心地等各个温度稳定后再记录数据，到测后面几组的时候，看到其他同学实验做完了，就迫不及待的想早点做完，造成后面几组实验测得的误差较大。
2. 可能天气较冷的缘故，在实验过程中，同学们经常在蒸汽发生器周围转悠，这样很危险。
总之，这次实验整体来说比较满意，对于这次实验所存在的不足之处，在下次实验时做到有则改之，无则加勉。
⑵ 实验：空气—蒸汽对流给热系数测定 测得数据后怎么算空气流速和空气定性温度
不明白你怎么要空气流速和空气定性温度的运算。本实验是测出冷热流体两端温度，再计算出对流给热系数的，哪有反过来的？
冷流体（空气和水）与热流体水蒸汽通过套管换热器的内管管壁发生热量交换的过程可分为三步：
○1套管环隙内的水蒸汽通过冷凝给热将热量传给圆直水平管的外壁面(A0)；
○2热量从圆直水平管的外壁面以热传导的方式传至内壁面(Ai)；
○3内壁面通过对流给热的方式将热量传给冷流体(Vc)。
在实验中，水蒸汽走套管换热器的环隙通道，冷流体走套管换热器的内管管内，当冷、热流体间的传热达到稳定状态后，根据传热的三个过程、牛顿冷却定律及冷流体得到的热量，可以计算出冷热流体的给热系数（以上是实验原理）。
（以下是计算方法）传热计算公式如下：
Q=α0A0( T–Tw)m= αiAi( tw–t)m=VcρcCpc(t2-t1)
可以根据蒸汽温度初始温度、末端温度、上述公式和空气—蒸汽对流给热系数计算得到空气温度变化值。
⑶ 气—汽对流传热实验中，管壁温度接近热蒸汽温度还是空气温度测数据前，为什么要排不凝性气体
因为蒸汽放热系数会远远大于空气换热系数，所以管壁温度更加接近蒸汽温度了；同时因为蒸汽中含有空气会在蒸汽与管壁之间形成隔热膜造成传热效率下降，因此在蒸汽换热系统里都要把空气抽干净的。注意空气传热能力很差。