化工原理实验报告三空气总传热.doc

实验三、总传热系数与对流传热系数的测定一、实验目的1了解间壁式换热器的结构与操作原理；2学习测定套管换热器总传热系数的方法；3学习测定空气侧的对流传热系数；4了解空气流速的变化对总传热系数的影响。二、实验原理本实验采用套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。图1. 传热实验装置流程图1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-冷凝水排放筒7-旋塞 8-空气进口温度计 9-空气出口温度计 10-不凝气排放口套管换热器5由不锈钢管（或紫铜管）内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。不锈钢管规格F21.252.75，长1.10米 S=pdoL=0.0734m2紫铜管F162，长1.20米 S=pdoL=0.0603m2转子流量计（空气，020m3/h，20）数字显示表SWP-C40此设备的总传热系数可由下式计算： 其中 式中：传热速率，W；传热面积，m2；S=pdoL;对数平均温度差，饱和蒸汽温度，根据饱和蒸汽压力查表求得；分别为空气进、出口温度，。通过套管换热器间壁的传热速率，即空气通过换热器被加热的速率，用下式求得：， W其中，Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vsr，其中r为进口温度下空气的密度。对流传热系数的计算公式为式中S内管的内表面积，m2；a空气侧的对流传热系数，W/(m2C)；Dtm空气与管壁的对数平均温度差，C。 所得到的a值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联：式中ReReynolds number雷诺准数，,PrPrandtl number普朗特准数，空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。实验过程中，蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通，避免冷凝水在器内积存。空气的流量Vs由转子流量计测得，单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20是，需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量，需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度，此温度即空气入口处温度。实验过程中，锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05（0.04）MPa，此压力为表压力，水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此，水蒸气温度为110.4（109.4）。三、实验步骤1实验开始时，先开通锅炉加热器开关，等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa，打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中，稍稍开启，以便不凝性气体能连续排出，不致积累。然后，打开气泵，通空气，并保持旁路始终开通，避免气泵因憋气过热而烧坏。2调节空气的流量，从低流速开始，做8个点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强维持稳定，空气出口温度不变后，才可记录数据。需记录的数据包括：空气的流量和进、出口温度。3实验完毕后，关闭气泵，关闭加热电源。四、数据处理与讨论1总传热系数K的测定本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：不锈钢管外表面积=0.0734m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=110.4表1. 总传热系数的测定数据与处理结果序 号空气流量m3/h空气流速m/s空气进口温度空气出口温度传热速率总传热系数K145.7132.896.982.8430.8257.1332.596.8103.938.4368.5632.596.4123.945.4479.9932.596.0143.647.2以第三组数据为例：平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45C查表，在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kgC)在32.5C的进口温度下，密度为1.155kg/m3若不对流量计读数进行校正，可采用如下计算方法若对流量计进行温度校正，则需采用以下步骤误差为结果表明，K值随空气流量的增加而增大，其值接近空气侧的a。2空气侧对流传热系数ai的测定本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：不锈钢管内表面积= 0.0544m2 内管横截面积1.947310-4 m2 蒸汽温度T=109.446时空气的密度r=1.107kg/m3 70时空气的比热容Cp=1.009kJ/(kgC)表2. 对流传热系数的测定数据与处理结果序 号空气流量m3/h空气流速m/s空气进口温度空气出口温度进口壁温出口壁温传热速率Q/kWDtm12 2.8550.496.9104104 0.028923.023.124 5.7146.696.11041050.061426.043.4以第一组数据为例，其计算过程如下计算结果列于表1中，空气的ai与平均流速u的关系绘于图2中的对数坐标中。由图中曲线可以看出，其斜率为0.87，接近Dittus-Boelter equation中的0.8。比较表1和2中的总传热系数和对流传热系数，可以看出：K值与ai值接近（因为不是同一次实验，K值比ai值小）。原因在于水蒸气膜状冷凝的ao值很大，在5000以上，与ai值相比，其热阻可以忽略。图2. 实验测定空气侧对流传热系数ai与管内平均流速u的关系五、思考题1 本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量？因为水蒸汽冷凝的对流传热系数要远大于空气的对流传热系数，而总热阻的大小总是决定于值最大的单步热阻，所以提高空气的流动速度可提高K的值。2 不锈钢管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？多步串联传热过程中，每步的温差与该步的热阻成正比，内外侧对流传热的热阻比较，水蒸气冷凝的对流传热系数大，热阻小，所以该步的温差小，即内管壁的温度接近于水蒸汽的温度，这也与实验过程观测到的现象一致。3. 转子流量计读数是否准确，如何校正？转子流量计在出厂时是根据20C、101kPa下的空气进行标定的，实际情况与之不符时，需根据密度进行校正。校正公式为4不凝性气体对冷凝传热有何影响？不凝性气体能严重降低冷凝传热系数，1