1、浙江科技學院實驗報告   課程名稱：化 工 原 理學 院： 專 業 班： 姓 名： 學 號： 同組人員：實驗時間：年 月 日指導教師： 一、實驗課程名稱：化工原理二、實驗項目名稱：空氣蒸汽對流給熱系數測定三、實驗目的和要求：1、 了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數測定的實驗方法。2、 掌握熱電阻測溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現象。3、 學會給熱系數測定的實驗數據處理方法，了解影響給熱系數的因素和強化傳熱的途徑。四、實驗內容和原理實驗內容：測定不同空氣流量下進出口端的相關溫度，計算a，關聯出相關系數。 實驗

2、原理：在工業生產過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(41)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。 達到傳熱穩定時，有 （41）熱流體與固體壁面的對數平均溫差可由式（42）計算， （42）式中：TW1 熱流體進口處熱流體側的壁面溫度，；TW2 熱流體出口處熱流體側的壁面溫度，。固體壁面與冷流體的對數平均溫差可由式（43）計算， （43）式中：tW1 冷流體進口處冷流體側的壁面溫度，；tW2 冷流體出口處冷流體側的壁面溫度，。熱、冷流體間的對數平均溫差可由式（44）計算， （44

3、）當在套管式間壁換熱器中，環隙通以水蒸氣，內管管內通以冷空氣或水進行對流傳熱系數測定實驗時，則由式（41）得內管內壁面與冷空氣或水的對流傳熱系數， （45）實驗中測定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進出口溫度t1、t2；實驗用紫銅管的長度l、內徑d2，；和冷流體的質量流量，即可計算a2。然而，直接測量固體壁面的溫度，尤其管內壁的溫度，實驗技術難度大，而且所測得的數據準確性差，帶來較大的實驗誤差。因此，通過測量相對較易測定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對流給熱系數就成為人們廣泛采用的一種實驗研究手段。由式（41）得， （46）實驗測定、并查取下冷流體對應的、換熱面積A，即可由

4、上式計算得總給熱系數K。1 近似法求算對流給熱系數以管內壁面積為基準的總給熱系數與對流給熱系數間的關系為， （47）用本裝置進行實驗時，管內冷流體與管壁間的對流給熱系數約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數可達左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側的污垢熱阻也可忽略。實驗中的傳熱元件材料采用紫銅，導熱系數為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導熱熱阻可忽略。若換熱管內側的污垢熱阻也忽略不計，則由式（47）得， （48） 由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側對流傳熱熱阻相比越小，此法所得的準確性就越高。2 冷流體質量流量的測定用孔板流量計測冷流體的流量

5、，則， (49)式中，V 為冷流體進口處流量計讀數，為冷流體進口溫度下對應的密度。3 冷流體物性與溫度的關系式在0100之間，冷流體的物性與溫度的關系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關系式：（2）空氣的比熱與溫度的關系式：60以下 J / (kg ), 70以上 J / (kg )。（3）空氣的導熱系數與溫度的關系式： （4）空氣的黏度與溫度的關系式：五、主要儀器設備1實驗裝置 實驗裝置如圖4-1所示來自蒸汽發生器的水蒸氣進入不銹鋼套管換熱器環隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內進行熱交換，冷凝水經疏水器排入地溝。冷空氣經孔板流量計或轉子流量計進入套管換熱器內管（紫銅管），熱交換后排出裝

6、置外。2設備與儀表規格（1）紫銅管規格：直徑21×2.5mm，長度L=1000mm；（2）外套不銹鋼管規格：直徑100×5mm，長度L=1000mm；（4）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示；（5）全自動蒸汽發生器及蒸汽壓力表。六、操作方法與實驗步驟（一）實驗步驟1、 打開控制面板上的總電源開關，打開儀表電源開關，使儀表通電預熱，觀察儀表顯示是否正常。2、 在蒸汽發生器中灌裝清水至水箱的球體中部，開啟發生器電源，使水處于加熱狀態。到達符合條件的蒸汽壓力后，系統會自動處于保溫狀態。3、 打開控制面板上的風機電源開關，讓風機工作，同時打開冷流體進口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。

7、4、 打開冷凝水出口閥，排出上次實驗余留的冷凝水，在整個實驗過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導致不銹鋼管炸裂。5、 在通水蒸汽前，也應將蒸汽發生器到實驗裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關閉蒸汽進口閥門，打開裝置下面的排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走，當聽到蒸汽響時關閉冷凝水排除閥，方可進行下一步實驗。6、 開始通入蒸汽時，要仔細調節蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統中，使系統由“冷態”轉變為“熱態”，不得少于10分鐘，防止不

8、銹鋼管換熱器因突然受熱、受壓而爆裂。同時，打開頂端放氣閥，將設備內的空氣排出，至排氣管有蒸汽放出，關閉排氣閥。7、 上述準備工作結束，系統也處于“熱態”后，調節蒸汽進口閥，使蒸汽進口壓力維持在0. 01MPa，可通過調節蒸汽發生器出口閥及蒸汽進口閥開度來實現。8、 自動調節冷空氣進口流量時，可通過儀表調節風機轉速頻率來改變冷流體的流量到一定值，在每個流量條件下，均須待熱交換過程穩定后方可記錄實驗數值，一般每個流量下至少應使熱交換過程保持15分鐘方為視為穩定；改變流量，記錄不同流量下的實驗數值。9、 記錄68組實驗數據，可結束實驗。先關閉蒸汽發生器，關閉蒸汽進口閥，關閉儀表電源，待系統逐漸冷卻后

9、關閉風機電源，待冷凝水流盡，關閉冷凝水出口閥，關閉總電源。10、 打開實驗軟件，輸入實驗數據，進行后續處理。七、實驗數據記錄與處理取序1作為計算實例：實驗數據：空氣進口溫度 t1=34.7；空氣出口溫度 t2=78.6；空氣進口處蒸汽溫度T1=108.7；空氣出口處蒸汽溫度T1=108.7；空氣流量V=20.0m3/h；數據處理：空氣進口密度1.1475kg/ m3，t=t1；空氣質量流量=0.0064kg/s；空氣流速u=27.63m/s；空氣定性溫度 =56.65；t2-t1= 43.9；換熱面積= 0.0503m2；空氣的比熱 Cp2= J / (kg )；對數平均溫度 =48.80；總

10、給熱系數 = 114.65511 W/(m2·)；流體粘度= 1.994E-05 Pa·s,t=定性溫度；流體導熱系數= 0.0288678 W/(m·)；雷諾數 = 23699.222；普蘭特數 = 0.6940949；理論值 = 113.33827W/(m2·)；杜賽爾數= 62.817787。八、實驗結果與分析1、冷流體給熱系數實驗計算值與理論值列表比較：次序1234567總給熱系數 K114.66108.9399.7186.5170.7353.6846.05理論值 113.34103.9394.7881.1465.0547.7738.48誤差1.

11、16%4.81%5.21%6.62%8.73%12.36%19.68%分析討論：1） 在對實驗值與理論值進行比較得，在溫度的較小時誤差較大，隨著溫度的升高，誤差減小。但在t1=34.7時誤差最小，即在空氣流速最大時，產生的誤差最小。所以迪圖斯-貝爾特公式在本實驗中適合于空氣進口溫度為3139，此時誤差較小。2） 產生誤差的原因可能有：隨著溫度的升高，氣體的粘度增大；空氣流量減小使空氣流速減小使傳熱過程更復雜。2、實驗數據圖表：由圖表得擬合曲線方程：y = 0.8x - 3.7723；則m =0.8；ln(A)=-3.7723；A=e-3.7723=0.0230；所以實驗數據可證明教材中的經驗式

12、Nu/Re0.4=0.023Re0.8的準確性。九、討論、心得思考題：1、實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響？ 答：無影響。因為Q=Atm，不論冷流體和蒸汽是迸流還是逆流流動，由于蒸汽的溫度不變，故tm不變，而和A不受冷流體和蒸汽的流向的影響，所以傳熱效果不變。2、在計算空氣質量流量時所用到的密度值與求雷諾數時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應在什么條件下進行計算。答：不一致。計算空氣質量流量時所用到的密度值是冷流體進口溫度下對應的密度；求雷諾數時的密度值時是冷流體進出口算術平均溫度對應的密度。3、實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產生什么影響，如何及時排走冷凝水？如果采

13、用不同壓強的蒸汽進行實驗，對關聯式有何影響？答：冷凝水不及時排走，附著在管外壁上，增加了一項熱阻，降低了傳熱速率。在外管最低處設置排水口，若壓力表晃動，則及時打開排冷凝水閥門，讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走。在不同壓強下測試得到的數據，將會對產生影響，因為PV=nRT，P與V是變量，P變化后T也隨之改變，T改變后，蒸汽進口處的溫度就會改變，tm也會改變。心得： 在沒有做實驗之前，因為對實驗儀器的不了解，所以認為實驗很難操作。但是在認真預習的前提下，并且聽取老師的講解后，便能掌握具體的操作步驟完成實驗。但是對于實驗的原理并沒有充分的理解。 我覺得做實驗的過程是一個充滿理性知識的過程，就像書本上的知識跳躍了起來一樣。雖然在實驗過程中的許多步驟都是重復的，但是通過自己的親手操作和認真計算將原理進行證明的過程使我仿佛能夠體會到