实验四 传热实验0精选全文

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实验四 传热实验
一 实验内容
测定单壳程双管程列管式换热器的总传热系数
二 实验目的
1 了解影响传热系数的工程因素和强化传热操作的工程途径。

2 学会传热过程的调节方法。

三 实验基本原理
工业上大量存在的传热过程（指间壁式传热过程）都是由固体内部的导热及冷热流体与固体表面间的给热组合而成。

传热过程的基本数学描述是传热速率方程式和热量衡算式。

热流密度q 是反应具体传热过程速率大小的特征量。

对q 的计算需引入壁面温度，而在实际计算时，壁温往往是未知的。

为实用方便，希望避开壁温，直接根据冷热流体的温度进行传热速率计算
在间壁式换热器中，热量序贯的由热流体传给壁面左侧、再由壁面左侧传导至壁面右侧、最后由壁面右侧传给冷流体。

在定态条件下，忽略壁面内外面积的差异，则各环节的热流密度相等，即
q =Q A =T−T W 1
ɑh =T W −t w δɑh =t w −t 1ɑc ①
由①式可以得到
q =T−t
1ɑh +δh +1ɑc =推动力阻力 ②
由上式，串联过程的推动力和阻力具有加和性。

上式在工程上常写为
Q=KA(T-t) ③
式中K=1
1
ɑh +δh +1
ɑc ④
式④为传热过程总热阻的倒数，称为传热系数，是换热器性能好坏的重要指标。

比较①和④两式可知，给热系数α同流体与壁面的温差相联系，而传热系数K 则同冷热体的温差相联系。

由于冷热流体的温差沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷热流体的温度呈线性关系，故将③式中（T-t ）的推动力用换热器两端温差的对数平均温差来表示，即
Q=KA Δt m ⑤
热量衡算方程式
Q=q mc C pc (t 2-t 1)=q mh C ph (T 1-T 2) ⑥
KA Δt m = q mc C pc (t 2-t 1) ⑦
Δt m =
(T 1−t 2)−(T 2−t 1)ln T 1−t 2T 2−t 1 ⑧ K=qmcCpc(t2−t1)
A Δtm ⑨
在换热器中，若热流体的流量q mh 或进口温度T 1发生变化，而要求出口温度T 2保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量来达到目的。

但是这种调节作用不能单纯的从热量衡算的观点理解为冷流体流量大带走的热量多，流量小带走的热量少。

根据传热基本方程式，可能来自Δt m 的变化，也可能来自K 的变化，而多数是由两者共同引起的。

如果ɑc ≫ɑh ，调节q mc ，k 基本不变，调节作用主要靠Δt m 的变化。

如果ɑc ≪ɑh 或ɑc ≈ɑh ，调节q mc 将使q mc 和K 皆有较大变化，此时调节过程是两者共同的作用。

四 实验设计
实验方案
实验物系：热流体选用热空气，冷流体选用自来水。

实验的主要设备为单壳程双管程列管式换热器，冷水走壳程，热空气走双管程。

传热速率以冷流体的热量衡算为基准。

测测试点及检测方法
实验中要测定的原始数据有：冷水流量q mc，热空气流量q mh，冷水进出口温度t1 t2，热空气进出口温度T1 T2。

冷热流体流量由转子流量计测定
冷热流体温度由水银温度计测定
控制点及调节方法
需控制的变量有：冷热流体流量由转子流量计控制调节
实验装置及流程
五主要设备
单壳程双管程列管式换热器气体加热源气源转子流量计玻璃水银温度计
实验装置如图所示
1气源；2气量阀；3气体流量计；4进气温度计；5出气温度计；6进水温度计；7换热器；8出水温度计；9水流量计；10水调节阀；11调压器；12气体加热器
六 实验流程及说明
由气源送来的空气经气体流量计计量后进入气体加热器，被加热的空气走双管程。

来自自来水水管的冷水经水流量计计量后走单壳程与管程的热空气换热后，入下水道。

热空气由出口排出，冷热流体温度由安装在进出口管路上的水银温度计测量
操作要点
1 打开气体及液体转子流量计，分别将气体及液体转子流量剂打到测定所需流率；
2 打开电源开关，将电压表调至220伏，当热空气升至约90摄氏度时，用变压器将电压表调至150伏左右，减小加热量，使热空气进出口温度保持恒定。

3 预热后，用微分方式改变加热量大小，电压表电压在1~2伏变化，使热空气进出口温度保持恒定，约数分钟，冷水出口温度不变时，记下第一组数据，随后，按表中数据改变流量，每改变一次，必须使热空气进口温度和冷水出口温度维持恒定，再读取数据。

4 实验结束后，先关闭调压器。

实验数据处理和结果讨论
1计算式Q=ρVCp Δt 中，Cp 依据定性温度t in =(t in +t out )/2查。

2 传热推动力Δt m 错流=Δt m 逆流*εΔt 的校正因子按下式计算
εΔt =R ′∗ln 1−P 1−R∗P
(R−1)∗ln 2−P(R+1−R ′)2−P(R+1+R ′)
式中: R=T in −T out t out −t in R ’=√R 2+1 P=t out −t in
T in −t in
传热实验原始数据记录表
换热面积：0.4m 2 室温：24.4℃ 气源风压：1000mmH 2O
传热实验原始数据整理表
七 计算实例
全部以第一组数据为例
R=T in −T out
t out −t in =98.0−42.724.9−22.2=20.5
R ’=√R 2+1=√20.52+1=20.5
P=t out −t in
T in −t in =24.9−22.298.0−22.2=0.036
εt =R ′∗ln 1−P 1−R∗P
(R−1)∗ln 2−P(R+1−R ′)2−P(R+1+R ′)=20.5∗ln 1−0.0361−20.5∗0.036(20.5−1)∗ln 2−0.036(20.5+1−20.5)2−0.036(20.5+1+20.5)=0.984
Δt m =(T 1−t 2)−(T 2−t 1)
ln T 1−t 2
T 2−t 1=（98.0−24.9)−(42.7−22.2)ln 98.0−24.942.7−22.2=41.37
Q=q mc C pc (t 2-t 1)=60/3600*4.18*1000*（24.9-22.2）=188 Δt m 错流=Δt m 逆流*εΔt =41.37*0.984=40.71
K=qmcCpc(t2−t1)
A Δtm =1880.42∗40.71=11.5
八 分析冷热流体流量变化对K 的影响，指出过程控制步骤之所在，提出强化传热的措施
如果αc >>αh ,调节q mc ， K 基本不变，此时调节作用主要靠Δt m 的变化；如果αc <<αh 或αc ≈αh ，可调节q mc 将使Δt m 和 K 皆有较大的变化，此时过程调节是两者共同作用的结果; ②强化传热的措施：提高总传热系数，如增大流速、管内加抗流元件、改变传热面形状和增加粗糙度；提高传热面积，如采用直接接触传热、采用高效新型换热器；提高平均传热温差，如两侧变温情况下尽量采用逆流、提高加热剂的温度或降低冷却剂的温度。

在本实验中，从实验数据中可以看出，冷水流量的变化对k 的变化几乎没有太大的影响，这符合实验原理。

随着热空气流量的增大，k 明显的增大。

控制步骤就是热空气的传热量的大小，因此要想强化传热，必须增大热空气的流量，增大冷水流量对强化传热没有太大作用。

九 实验数据误差分析
从总体数据来看，实验符合要求，与实验原理要求一致。

误差存在的可能原因是每个成员的读数标准不一致，会出现某些误差。

十 思考题
1 影响总传热系数K 的因素有哪些？
流体的特性、传热过程的操作条件、换热器的类型，包括流速、管道内是否有抗流元件、传热面形状粗糙度、传热面积、接触传热类型、平均传热温差、加热剂的温度或降低冷却剂的温度。

2 在本实验条件下，进一步提高冷却水用量，是否能达到有效强化传热过程的目的？
本实验条件下，进一步提高冷却水用量，不能达到有效强化传热过程的目的。

这是因为，本实验条件下，有ɑc≫ɑh ，调节q mc，k基本不变，调节作用主要靠Δt m的变化，进出口的温差随着流量的增大而减小，整体效果是Q的变化并不会明显增大，这个从实验数据中也可以看出。

因此，进一步提高冷却水用量，不能达到有效强化传热过程的目的。