水蒸汽给热系数测定实验

学院：化学工程学院 专业：****** 班级：****

姓名 *** 学号 *** 实验组号 *** 实验日期 ***** 指导教师 ***** 成绩 实验名称 水-蒸汽给热系数测定实验 一、实验目的 1．了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法； 2． 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象，测定水在圆形直管内的强制对流给热系数； 3．了解影响给热系数的因素和强化传热的途径； 二、实验原理 在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4－1)所示，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。 间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有 Qm1cp1T1T2m2cp2t2t11A1TTWM2A2tWtm （6－1） 式中： Q － 传热量，J / s； m1 － 热流体的质量流率，kg / s； cp1 － 热流体的比热，J / (kg ?℃)； T1 － 热流体的进口温度，℃； T2 － 热流体的出口温度，℃； m2 － 冷流体的质量流率，kg / s； cp2 － 冷流体的比热，J / (kg ?℃)； t1 － 冷流体的进口温度，℃； t2 － 冷流体的出口温度，℃； ?1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)； A1 － 热流体侧的对流传热面积，m2； TTWm － 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃； ?2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)； A2 － 冷流体侧的对流传热面积，m2； tWtm － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃； 热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（6—2）计算， TTWmT1TW1T2TW2lnT1TW1T2TW2 （6－2） 式中：TW1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃； TW2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（6—3）计算， tWtmtW1t1tW2t2lntW1t1tW2t2 （6－3） 式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃； tW2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。 在本装置的套管换热器中，换热桶内通水蒸汽，内铜管管内通水，水蒸气在铜管表面冷凝放热而加热水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式： VCP(t2t1)2A2(ttW)m （6—4） 式中： V — 冷流体体积流量，m3/s； Ρ — 冷流体密度，kg/m3； CP — 冷流体比热，J/(kg·℃)； t1、t2 — 冷流体进、出口温度，℃； α2 — 冷流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)； A2 — 内管的内壁传热面积，m2； (tw－t)m — 内壁与流体间的对数平均温度差，参照式（6－3）可得，℃； 当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温，则由式（6－1）可得： VCP(t2t1)A2(twt)m ? ?2 （6—5） 若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积A2，壁温tw1、tw2，则可通过式（6—5）算得实测的冷流体在管内的对流给热系数α2。 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， Nu0.023Re0.8Prn （6－6） 式中：Nu－努塞尔数，duNud，无因次； ReRe－雷诺数，，无因次； cpPr－普兰特数，Pr，无因次； 上式适用范围为：Re＝1.0×104～1.2×105，Pr＝0.7～120，管长与管内径之比L/d≥60。当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3。 ? － 流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ?℃)； d － 换热管内径，m； ? － 流体的导热系数，W / (m ? ℃)； u － 流体在管内流动的平均速度，m / s； ? － 流体的密度，kg / m3； ? － 流体的粘度，Pa ? s； cp － 流体的比热，J / (kg ?℃)。 故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，即可作出曲线，并与经验公式的曲线对比以验证实验效果。 三、实验装置 本实验装置由蒸汽发生器、玻璃转子流量计、套管换热器及温度传感器、温度显示仪表等构成。装置参数中：紫铜管规格12×2mm，即内径为8mm，长度为1m。 1-进水管路；2-蒸汽入口；3-玻璃转子流量计；4-冷流体进口温度；5-套管换热器；6-惰性气体；7-蒸汽进口压力表；8-蒸汽温度；9-蒸汽出口温度；10-冷流体出口温度；11-水箱；12-水泵；13-旁路球阀；14，16-冷凝水排空阀；15-蒸汽进口调节球阀；17-流体流量调节阀 水—汽体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与来自水箱的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经增压泵和转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），水流量可用阀门调节调节，热交换后进入下水道。注意本实验中，冷流体并非循环使用，实验过程中需要给水箱连续通水源。 四、实验步骤 1.首先确定所有阀门处于关闭状； 2.打开蒸汽发生装置； 3.打开排水阀，排除套管内的冷凝水，再打开水泵电源、仪表电源及总电源； 4.打开并调节蒸汽调节阀和排气阀（慢慢打开，压力表指针若上下摆动剧烈，则调节排气阀使压力稳定在0.01），使压力稳定在0.01左右，打开水流量控制阀门，将水导入套管； 5.缓慢调节蒸汽出口阀，将转子流量计的流量控制在指定流量处，当压力稳定时读取压力表读数、蒸汽温度、冷流体进出口温度及冷流体进出口的壁温（由于是第一组实验，则测第一组数据时应当等十分钟左右，当压力表读数和各仪表读数稳定后再记数据，之后的每组实验数据均取稳定时的数据）； 6.分别测量流量为40、50、70、150、220、320L/h等六组不同流量值所对应的各项数据； 7.实验结束后，依次关闭蒸汽调节阀、水流量控制阀、蒸汽发生器、水泵仪表、电子仪表及总电源。 五、原始数据记录 表1.水-蒸汽给热系数测定实验原始数据记录表 序号 冷流体质 冷流体 蒸汽压力 量流量 进口温度出口温度进口壁温出口壁温 Kg/s t1 ℃ t2 ℃ tw1 ℃ tw2 ℃ 蒸汽温度T ℃ 表压力 MPa 1 0.01102425.4 444 62.6 50.7 82 100 0.010 2 0.01372324.8 611 74.9 65.3 93.4 100 0.010 3 0.01921323.8 056 75.5 72.3 91.7 100 0.011 4 0.04134122.5 667 54.7 54.8 79.2 100 0.010 5 0.06070721.7 778 47.8 46.8 74.9 100 0.010 6 0.08850621.4 667 41.7 51.2 70.9 100 0.010 六、数据处理 水-蒸汽给热系数测定数据处理表 表2. 序号 管内定性ρ μ λ Cp α Nu Pr0.4 Nu/Pr 0.4Re 平均 温度kg / Pa ? t 速度u ℃ m3 s (m ?(kg (m2 W / J / W / ℃) ?℃) ?℃) m/s 1 0.221161 44 992.2 0.0006097 0.634 4174 3066.876032 16.81609827 1.749.2879.2593539 4805722 938 2 0.2751 49.85 988.1 0.0005494 0.8 4174 4068.858393 21.34236261 1.6512.83977.5907855 7348279 815 3 0.387031 49.65 988.1 0.0006814 0.8 4174 5603.33671 24.33863957 1.8013.444.8796974 6928282 294 4 0.829352 38.6 992.2 0.0006814 0.634 4174 7838.100863 45.08657579 1.8224.79661.0912830 3438558 782 5 1.216384 34.75 993.4 0.0007225 0.626 4174 10092.291 59.17467243 1.8731.513379.715540 5073474 432 6 1.769285 31.55 995.7 0.0007679 0.618 4174 10120.40257 77.0623575 1.931734583 39.28218353.19905 476 水的密度、粘度、热导率以及比热容等可由附录五和附录七查得。 40×10−33600ms=ρVs=988.1×=0.011024444 tWtmtW1t1tW2t2得 tW1t1lntW2t2(tw-t)m1=(50.7−25.4)−（82−62.6）ln(50.7−25.4)（82−62.6）=22.21960025℃ u=4𝑉𝑉𝑉𝑉2=4×(40×10−3÷36000)3.14×0.0082=0.221160651𝑉⁄𝑉 t=(26.2+79.2)/2=52.7℃ 由公式 2VCP(t2t1)A2(twt)m （t2-t1）1=53℃ A=πdl=3.14*0.008*1=0.02512m2 1.1×10−5×992.2×4174×37.222.2196×0.02512α1==3066.876𝑉⁄(𝑉2.℃) Nu0.023Re0.8Prn =0.023×2879.260.8×1.6134590.4=16.8161 cpdu0.008×0.221161×992.2Pr Re ==2879.26 0.00061所以 Pr0.41 =1.6134590.4=1.743539 由： 𝑉𝑉=𝑉×𝑉𝑉𝑉×𝑉𝑉0.4 得：ln𝑉𝑉𝑉𝑉0.44174×0.000610.634=1.613459 𝑉𝑉𝑉𝑉0.4=16.81611.6134590.4=9.4806 =𝑉ln𝑉𝑉+ln𝑉 七、实验结果及讨论 通过本次实验的学习与操作，对间壁式传热元件进一步了解，掌握给热系数测定的实验方法，对所得实验数据进行分析处理，得到lnRe- lnNu/Pr0.4关系图，通过斜率和截距得到m和c值，将实验值与理论值进行对比，存在很大的误差。 结果分析：在对实验值与理论值进行比较得，在温度的较小时误差较大，随着温度的升高，误差减小。整体实验过程中实验温度较小，产生误差较大。随着温度的升高，气体的粘度增大。y = 1.3101x + 4.9799 八、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：实验中冷流体和蒸汽的流向相同，对传热效果无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是并流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。 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。 答：不一致。计算冷流体质量流量时所用到的密度值是冷流体进口温度下对应的密度；求雷诺数时的密度值时是冷流体进出口算术平均温度对应的密度。 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？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：冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水，若压力表晃动，则及时打开排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走。基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/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 (ρ2gλ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强 对α关联式无影响。 指导教师意见 签名： 年 月 日