浙江大学化工原理(过程控制)实验报告_传热综合实验2

实验报告
课程名称：__过程工程原理实验（甲）I__ 指导老师：____ 成绩：__________ 实验名称：传热综合实验 实验类型：工程实验 同组学生姓名：_______ 一、实验目的和内容 二、实验装置与流程示意图 三、实验的理论依据（实验原理） 四、注意事项 五、原始记录数据表 六、整理计算数据表 七、数据整理计算过程举例 八、实验结论 九、实验结果的分析和讨论 一、实验目的和内容 1、掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。

2、把测得的数据整理成n BRe =Nu 形势的准数方程，并与教材中相应公式进行比较。

3、了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验装置与流程示意图
本实验装置流程如图1由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。

专业: _________ 姓名：_________ 学号：_________ 日期：_________ 地点： _________
图1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图
表1 竖管对流传热系数测定实验装置流程图符号说明表
空气进行换热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。

空气由风机提供，流量通过变频器改变风机转速达到自动控制，空气经孔板流量计进入套管换热器内管，热交换后从风机出口排出。

注意：本实验中，普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。

三、实验的理论依据（实验原理）
在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方式进行换热。

所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强管。

其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。

所谓加强管，是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。

空气在传热管内对流传热系数的测定
如图2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。

T
t
图1间壁式传热过程示意图
图2 间壁式传热过程示意图
间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有 ()()
()()111222211122(1)p p W W M M
m Q m c T T m c t t A T T A t t KA t αα=-=-=-=-=∆⋅⋅⋅⋅⋅⋅
热流体与固体壁面的对数平均温差可由（2）式计算：
()()()11221122
(2)
ln W W W m W W T T T T T T T T T T ----=
--
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由（3）式计算：
()()())3(ln
2
21
1
2211 t t t
t t t t t t t W W W W m W -----=-
热、冷流体间的对数平均温差可由（4）式计算：
)
4(ln
)
()(1
2211221 t T t T t T t T t m -----=
∆
冷流体（空气）的质量流量可由（5）式计算：
)
5('02 ρV m =
注意：空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m 3时的读数，因此，如果空气实际密度不等于该值，则空气
的实际体积流量应按下式进行校正：
)
6('0
ρV
V =
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，可认为同一截面处换热管二侧壁温近似相等，即T W2≈t W1，T W1≈t W2,在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：
)
7()()(1221222 m W p t t A t t c m -=-α
即：
22212()(8)
()p W m
m c t t A t t α-=
-
一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也常采用通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流传热系数。

下面介绍其他两种测定对流传热系数α2的实验方法。

（1）近似法求算空气侧对流传热系数α2。

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：
)9(111
12121222 d d d d R d bd R K s m s αλα++++=
总传热系数K 可由式（1）求得：
)
10()(1222 m
p m t A t t c m t A Q
K ∆-=∆=
用本装置进行实验室时，换热管外侧、管壁，内侧污垢热阻均忽略不急，则可由式（9）近似得出：
)11(2 K ≈α
由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所求得的结果准确性越高。

准数方程式
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：
)14(Pr Re 023.08.0 n Nu =
式中：Nu —努塞尔数，
22
'd Nu αλ=
，无因次；
Re —雷诺数 ，
2Re d u ρ
μ=
，无因次；
Pr —普兰特数，
2'Pr p c μ
λ=
，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。

故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu~Re 直线，确定Nu=BRe n 的拟合方程，并与公认的经验公式进行对比，以验证实验效果。

通过普通管和强化传热管实验结果的对比，分析影响传热系数的因素和强化传热的途径。

四、注意事项
(1)开始加热功率可以很大，但当温度达到100℃左右，有大量不凝气体排出时，加热电压一般控制在250V 左右。

（2）实际实验管路要和仪表柜上选择开关及计算机上的显示一致，否则实验失败。

（3）实验中不凝气体阀门和冷凝水阀门要一直开启，防止积水，影响实验效果。

（4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下。

一般传热稳定时间都至少需保证8分钟以上，以保证数据的可靠性（第一组数据的测定至少稳定15分钟）。

（5）实验过程中，要确保蒸汽发生器内水位不能低于警戒水位。

五、数据处理
处理数据50～60℃下空气热容为1005J/(kg ·K)，导热系数为0.0285/[W/(m ·K)]
空气粘度为1.97×10-5/Pa ·s
Nu=0.001 Re1.032强化管实验数据处理
6 实验结果分析：
6.1准数方程式：
根据图像及双对数坐标下直线方程，可得：对于普通管，有Nu=0.001 Re1.032；对于强化管，有Nu=0.036 Re0.772。

6.2 结果分析：
6.2.1 从实验结果可以发现，热流体流速越大，横管对流传热系数越大，热量交换越迅速，越明显，换热效果也越好。

另外，随着热流体温度的升高，平均温差变化很小，可以认为基本上没有发生变化，故在生产中在负载允许的情况下，应适当增大流速，以更好地换热任务。

6.2.2 在管内加装弹簧，增大空气流动时的湍流程度后，空气在换热过程中所获得的热量增大，所以强化管的α较普通管有明显的增大，说明传热效果更好。

因此在工程上，使用列管式换热器时，常通过增加壳程挡板来增大湍流程度，以获得更好的换热效果。

6.2.3 通过加弹簧方法来提高传热效果，由于污垢不断积累所产生的热阻和流体运行阻力的增加，使得效果的提高并没有想象中那么理想，所以实际生产中很少用这样的方法。

6.3 误差分析：
无论是普通管还是强化管，实验得到的Nu与Re的关系式与公认的经验式（Nu=0.02Re0.8）有一定的偏差。

分析起来，产生偏差的主要原因可能有：
（1）测量仪器本身的系统误差和外界因素的干扰。

比如由于长期有人做实验，导致管内污垢层积，使管内热阻增大，导致测得的数据发生偏离。

（2）实验数据处理过程中，假设内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度较薄时，所以可以认为同一截面处换热管两侧壁温近似相等，即：，而实际上内管材料的性能究竟有没有这么好，有待确定。

（3）测定实验数据时，要求在稳定传热状态下，要求稳定时间在8min以上，而事实上测量数据的时候，在温度稳定5min左右就已经开始采集数据，而有可能此时传热尚未达到真正的稳定。

即使每次数据都在度数稳定8min采集，也不能保证此时传热已经稳定，因为过程工程原理实验是工程实验，实验结果受实际复杂情况影响较大。

（4）数据处理的时候也会引入一定的误差。

6.4思考题：
6.4.1 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？
在不考虑错流和折流的情况下，实验中冷流体和蒸汽的流向有两种：一种是两者流动方向相同，即并流；另一种是两者流动方向相反，即逆流。

这两种情况的传热效果是不相同的，因为在同样的进、出口温度下，逆流的传热温差比并流的大，所以当传热管的传热面积和传热系数不变时，逆流时传热速率更大，传热效果也更好。

6.4.2 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？
不一致。

计算冷流体质量流量时的密度是孔板流量计测压的地方的温度对应的密度，应该将压力换算到常压下进行计算。

本实验测压处的压力近似认为是常压。

求雷诺数时，所也用的密度是传热管中的定性温度所对应的气体密度，它所表示的是管内空气的平均温度。

在处理数据的时候，将雷诺数Re的公式进行转化：
6.4.3 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？
冷凝水不及时排走将会附着在管壁上，由于水的导热性能远差于紫铜，所以未及时排走的冷凝水将降低传热的速率，使传热效果变差。

因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强
△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽增加时，r 和△t均增加，其它参数不变，故 (ρ2gλ3r/μd
压强对α关联式无影响。

要及时排走冷凝水，可以使管束有一定的倾斜，同时也可以设置冷凝液排泄挡板和改善冷凝表面状况等。

7 讨论心得：
7.1 对间壁式传热器的认识：间壁式换热器是一种传统的、应用最广泛的热交换设备。

由于它结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。

按照结构区分，可分为管式和板式，实验中所用为管式，且是横管。

7.2 对强化传热的认识：强化传热的目的是用较少的传热面积或较小的设备完成同样的传热任务（设计），或力求使换热设备在单位时间、单位面积传递的热量尽可能地大。

从传热速率方程可以看出，增大传热系数、扩展传热面积和增大传热平均温差均可提高传热效率。