换热器传热系数测定汇总.docx

化工实验报告姓名： 学号： 报告成绩：课程名称化工原理实验实验名称换热器传热系数的测定实验班级名称组长同组者指导教师实验日期教师对报告 的校正意见一、实验目的1、了解传气一汽对流热的基本理论，掌握套管换热器的操作方法。2、掌握对流传热系数a i测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu = A Re m Pro.4中常数a、m的值。4、了解强化换热的基本方式，确定传热强化比Nu /Nu。二、实验内容与要求01、测定不同空气流速下普通套管换热器的对流传热系数a i。2、不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数a i。3、分别求普通管、强化管换热器准数关联式Nu = A Rem Pro.4中常数a、m的值。4、根据准数关联式Nu = A Re m Pro.4,计算同一流量下的传热强化比Nu / Nu0。5、分别求取普通套管换热器、强化套管换热器的总传热系数K0。°三、实验原理1、对流传热系数七的测定："广导S（51）m i式中：、一管内流体对流传热系数，w/ （m2，c）； Q i 一管内传热速率，w；V x p x C x AtQi -360dm式中：V 一空气流过测量段上平均体积，m3/h ；Pm 一测量段上空气的平均密度，kg/m ；S：一管内传热面积，m；血刀一测量段上空气的平均比热，J/(kg.g)；、管内流体空气与管内壁面的平均温度差，。C。(5 3)t -(Tw - w - 2 2A m ln 卫Ts T 2当2> At1 / At2 >0.5时，可简化为At = T - ti +12(5 4)m W 2式中：t, 12冷流体(空气)的入口、出口温度，C；Tw 一壁面平均温度，C。2、对流传热系数准数关联式的实验确定:流体在管内作强制对流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为：Nu = A Re m Pr(5 5)d其中，传热准数：Nu i (5 6)Re ""Pi雷诺准数：i日(5 7)其中：u-测量段上空气的平均流速：u = F x 3600(5 8)普朗特准数:Pr =i(5 9)对于管内被加热的空气，普朗特准数Pr.变化不大，可认为是常数，关联式简化为: INu = AR甲 P样(5 10)通过实验确定不同流量下的Re,与Nui。3、关联式州=AR?平4中的常数a，m的确定：以必纵坐标，Re为横坐标，在对数坐标上绘 如-Re关系，作图、回归Pr0.4Pr0.4得到准数关联式Nui = ARem Pr°4中的常数A，m。同理得到强化管准数关联式州=AR?叶中的常数A，m。4、强化比的确定''将强化套管换热器求得的Re、Pr数值分别带入强化管和普通管换热器所得的准 关联式中，可以得到Nu及Nu°强化比=Nu / Nu0。5、换热器总传热系数K 0的确定：试验中若忽略换热器的热损失，在稳态传热过程中，空气升温获得的热量与对流 传递热量及换热器的总传热量均相等，则以外表面为基准的总传热系数：（5 11）式中S0-传热管外表面传热面积，m2。因为本实验中气<<a0 （气a0分别为管 内，外壁传°热系数），故传热管内的对流传热系数aQ冷热流体间的总传热系数K。 四、实验装置10» 苹气-汽传热综合测定实验装置流程图（二）设备参数实验内管内径d1（mm）20.00实验内管外径d2（mm）22.00实验外管内径D1（mm）50.0实验外管外径D2（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L（m）1.20强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h(mm)1截距H（mm）40加热釜操作电压<200V操作电流<10A（三）、空气流量测量空气流量测量由孔板流量计测量，由以下公式计算:(512)V = V x 273 + 七(m3/h)ti 273 +11Vt = V x ：' 273 + 1120 273 + 20卜(m3/h)(513)V20 = 13.909 x （户）0.648 （m3/h）（5 14）式中，V一空气实际流量，m3/h； Vti-入口温度下的空气体积流量，m3/h；V 20°C时体积流量，m3/h。七置、实验方法与步骤（一）实验前的准备及检查工作1、向电热釜中加水至标志线上端处。2、向冰水保温瓶中加入适量冰水，并保证整个实验过程中热电偶冷端均处于0C。3、检查空气流量旁路调节阀是否全开，检查普通套管换热器的空气支路控制阀是 否打开，使其分别与蒸汽上升支管和大气相通，并将强化套管换热器的进出口的阀门 全部关闭。4、接通电源总开关，设定加热电压185V，启动电加热器开关，开始加热。（二）实验过程1、一段时间后水沸腾，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。2、约加热10ming后，可提前启动鼓风机，保证开始时空气入口温度ti比较稳定。3、调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值。从最小到 最大流量依次测量，每改变一次流量，稳定58min,，读取孔板流量计压差Ap,入口温 度t1，出口温度t2,和TW值，并记录下读数，测量6组数据。4、测量完毕后，先打开强化套管的空气和蒸汽支路控制阀，再关闭普通套管空气 和蒸汽支路控制阀，重复步骤3,进行强化套管换热器的实验。测定6组实验数据。5、实验中应注意观察储水罐中水位，若水位降至液位计下端处线，应及时补水。（三）实验结束关闭加热开关，过5min后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。再关总电源。六、注意事项1、最大最小流量值一定要做。2、实验中应注意观察储水罐中水位，若水位降至液位计下端处线，应及时补水。3、电热釜，是生产水蒸气的装置，为了安全和长久使用，建议最高加热电压不超 过 200V。七、数据处理及计算实例（第二套）（一）普通管实验数据处理表三普通管实验数据整理表设备编号：2#传热管内径d =20mm传热管外径d =22mm传热管长度=1.20m12内传热面积S =0.075408m2外传热面积S =0.082949m2流通截面积F=0.0003142m22N0.123456孔板流量计压差 P/KPa0.200.901.602.302.953.45t/°C24.728.230.733.236.840.4t/°C61.958.658.058.460.862.6T/Cw100.3100.4100.4100.4100.4100.4t/C43.343.444.445.848.851.5p (kg/m3)1.121.121.121.121.121.09入(w/m C)0.02780.02780.02780.02780.02780.0283Cpm (J/Kg-C100510051005100510051005p X105m1.941.941.941.941.941.96 t (C)57.057.056.0554.651.648.9V (m3/h)4.9012.9918.8623.8628.0431.03V (m3/h)4.9413.1719.2024.3928.8332.09V (m3/h)5.2513.8420.0725.4029.9533.23u (m3/h)4.6412.2317.7422.4526.4829.38Q. (w)61.06131.52171.27200.11224.72224.48a i(w/m2°C)14.2130.6040.5248.6057.7560.88Re53591412420483259253057032676Nu10.2222.0129.1534.9741.5543.02Pr0.7010.7010.7010.7010.7010.696Nu/Pr0.411.7825.3733.6040.3047.8849.73光滑管关联式 Nu=0.0126Re0.7959Pr0.4A=0.0126,m=0.7959K (w/m2°C)11.5324.8232.8839.4346.8549.39计算实例:已知：传热管内径d1=0.02m,外径d2=0.022m,传热管长度L=1.20m, 流通截面积：F=n Xd2/4=3.142X0.022/4=0.0003142(m2),内传热面积 S1=n Xd1XL=3.142X 0.02X 1.2=0.075408(m2),内传热面积 S2X d2X L=3.142X 0.022X 1.2=0.082949(m2)。以第一组数据为例：1、确定空气物理性常数入、Cp、p、H。根据定性温度查表得到。t=24.7°C,t2=61.9°C,测量段上空气的定性温度t = 仁虹=24.7:61.9 = 43.3 (C), m 22测量段上空气的平均密度Pm=1.12(Kg/m3)。平均比热Cpm=1005(J/Kgk),平均导热系数入m=0.0278(w/m K),平均黏度七=1.94x10-5 (Pas)。2、求冷热流体间的平均温差M。由公式(5-4)可得：At = T -1 = 100.3- 24.7 + 61.9 = 57.0 (C)。 mW 223、求管内平均体积流量Vm。由公式(5 12)、(5 13)、(5 14)求得: 匕° = 13.909 x (AP)0.648 = 13.909 x 0.200.648 = 4.90 (m3/h),x,L120*I ,1 273 + 20273 + 24.7 s=4.90x ” =4.94 (m3/h), 273 + 20k" x 273±L = 4.94x 273 + 43.3 = 5.25 (m3/h)。mt1 273 + <273 + 24.74、求传热速率。广由公式(5-2)求得：=61.06 (w)。3600_匕 xp ” C xAt 5.25 x1.12 x 1005 x (61.9 24.7) Qi = 3600Pm5、求管内传热系数七。由公式(5-1)求得:a =-=6106=14.21 w/ (m2 Do i At S57.0 x 0.0754086、求传热准数冲。由公式(5-6)求得：a dNU = * i =i求雷诺准数Re。14.21 x 0.02=10 .220.0278由公式(5-7)求得:Re =idu p0.02 x 4.641.94 x 10 5=5359 。其中管内平均流速um，u = m二m F x 3600由公式(5-8)求得：5.250.0003142 x 3600=4.64 (m / s)。求普朗特准数Pr。由公式（5-9）求得：1005 x 1 .94 x 10 - 5Pri0.0278 = 0.701 。7、求准数关联式Nu = ARemPr°4中的常数项A,m。NuNu10.22=A Rem 计算：=11.78。Pr0.4Pr0.4 0.7010.4以必纵坐标，Re为横坐标，在对数坐标上绘黑-Re关系图，并进行回归公Pr0.4Pr0.461.06式。见图28、管内总传热系数 K0 = t S = 57.0 x 0.082949 = "3(w/mZO图2 P-Re关系曲线图表四强化管实验数据整理表设备编号：2#传热管内径d =20mm传热管外径d =22mm传热管长度=1.20m12内传热面积S =0.075408m2外传热面积S2=0.082949m2流通截面积F=0.0003142m2NO.123456孔板流量计压差 P/KPa0.140.611.111.582.122.63t,/°C34.034.436.338.140.142.8t：/°c84.679.678.478.178.379.2T/C100.0100.0100.0100.0100.1100.0t7c59.357.057.3558.159.261.0p (kg/m3)1.061.061.061.061.061.06m入(w/mC)0.02890.02890.02890.02890.02890.0289C (J/Kg C)100510051005100510051005p *10、2.012.012.012.012.012.01 t (C)40.743.042.6541.940.939.0V (m3/h)3.8910.1014.8818.7122.6326.03V (m3/h)3.9810.3415.2919.2823.4027.02V (m3/h)4.3111.1016.3320.5224.8228.58u (m3/h)3.819.8214.4418.1421.9525.27mQ. (w)64.54148.50203.45242.85280.62307.83a (w/m2°C) i21.0345.8063.2676.8690.99104.67Re40191035315228191312314826648Nu14.5531.6943.7853.1962.9772.44Pr0.6990.6990.6990.6990.6990.699Nu/Pr0.416.7936.5850.5261.3872.6683.59强化管关联式 Nu=0.0153Re0.8426Pr0.4A=0.0153,m=0.8426K (w/m2°C)17.0637.1551.3262.3673.8284.92Nu 08.06717.12923.28827.92532.49936.353Nu/Nu01.8041.8501.8801.9051.9371.993同理，处理强化管的实验数据，作图、回归得到准数关联ARerp平4中的常 数 A， m。9、计算强化比Nu /Nuo将强化管的Re、Pr值代入普通管的准数关联式中，求Nu °。Nu0 = O.O126Reo.7959 Pro.4 = 0.0126 x 53590.7959 x 0.7010.4 = 8.067。强化比 Nu / Nu0 = 14.55 /8.067 = 1.804。六、误差分析1、感温棒距离蒸汽排出口太近，对温度影响较大，使得测得进口温度不稳定，读 数不准确，对实验有一定影响。2、仪器自身存在系统误差。3、冷凝水不及时排走。七、思考题1、空气与水蒸气的流向对传热效果有何影响？答：逆流传热效果最好，并流效果较差，当一侧为恒温时，并流与逆流无差别。2、本实验中管壁温度是蒸汽温度还是空气温度？为什么？答：蒸汽温度。蒸汽的对流传热系数较大，壁温比较接近对流传热系数大的流体 温度。3、本实验中强化管的强化效果如何实现？答：本实验强化套管是采用在换热器内插入螺旋线圈来实现的，增大对流传热系 数，增强传热效果，但是额外加入的金属螺旋线圈会花费额外的费用。4、强化传热的效果一般如何评价？采用什么作为评价指标。答：单纯研究强化手段的强化效果，不考虑阻力影响，用强化比作为指标，形式 是 Nu / Nu。5、空气速度和温度对给热系数有何影响？答：空气流速越快，吸附的能量少，传热系数越小，空气温度越高，能吸附的热 量少，传热系数也会越小。八、实验心得体会本实验的稳定性以下因素影响：空气和蒸汽的流向，冷凝水不及时排走，蒸汽冷 凝过程中，存在不冷凝气体。如果使空气走壳程，水走管程，根据流体在管外的强制 对流公式，可求出空气一侧的对流传热系数a值。实验原始记录表一：普通管实验数据原始记录表设备编号：2#传热管内径d=20mm传热管外径d2=22mm传热管长度=1.20m内传热面积S=0.075408m2外传热面积S2=0.082949m2流通截面积F=0.0003142m2NO.123456孔板流量计压差 P/KPa0.200.901.602.302.953.45t/C24.728.230.733.236.840.4t/c61.958.658.058.460.862.6Tw/C100.3100.4100.4100.4100.4100.4表二：强化管实验数据原始记录表设备编号：2#传热管内径d=20mm传热管外径d2=22mm传热管长度=1.20m内传热面积S=0.075408m2外传热面积S2=0.082949m2流通截面积F=0.0003142m2NO.123456孔板流量计压差 P/KPa0.140.611.111.582.122.63t1/c34.034.436.338.140.142.8t/c84.679.678.478.178.379.2Tw/C100.0100.0100.0100.0100.1100.02014年11 月 25 日指导教师评定意见实验成 绩指导教师签 名K-关系图0. 00001表2恒压过滤常数汇总表曲线序号123过滤压MPa0.0450.060.08过滤常数斜率128268605.17867.4截距2600.42210.71430.8k (m 2 / s)0.0001560.0002320.000254q e ( m 3 / m 2 )0.15930.21290.1382叽（s）162.67195.3775.19K = 2kApi-s = 0.0023Ap 0.8473滤饼可压缩性指数S=0.1527特性参数k =0.00125Ap/lffa图4-4 K P关系曲线0.01