化工原理——傳熱實(shí)驗(yàn)

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1、一、實(shí)驗(yàn)課程名稱：化工原理二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：空氣－蒸汽對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?、了解間壁式傳熱元件，掌握給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法。2、掌握熱電阻測(cè)溫的方法，觀察水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象。3、學(xué)會(huì)給熱系數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，了解影響給熱系數(shù)的因素和強(qiáng)化傳熱的途徑。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：測(cè)定不同空氣流量下進(jìn)出口端的相關(guān)溫度，計(jì)算a，關(guān)聯(lián)出相關(guān)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量情況下，冷、熱流體系通過固體壁面（傳熱元件）進(jìn)行熱量交換，稱為間壁式換熱。如圖(4－1)所示，間壁式傳熱過程由熱流體對(duì)固體壁面

2、的對(duì)流傳熱，固體壁面的熱傳導(dǎo)和固體壁面對(duì)冷流體的對(duì)流傳熱所組成。達(dá)到傳熱穩(wěn)定時(shí)，有（4－1）熱流體與固體壁面的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（4—2）計(jì)算，（4－2）式中：TW1－熱流體進(jìn)口處熱流體側(cè)的壁面溫度，℃；TW2－熱流體出口處熱流體側(cè)的壁面溫度，℃。固體壁面與冷流體的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（4—3）計(jì)算，（4－3）式中：tW1－冷流體進(jìn)口處冷流體側(cè)的壁面溫度，℃；tW2－冷流體出口處冷流體側(cè)的壁面溫度，℃。熱、冷流體間的對(duì)數(shù)平均溫差可由式（4—4）計(jì)算，（4－4）第7頁共7頁當(dāng)在套管式間壁換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以冷空氣

3、或水進(jìn)行對(duì)流傳熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，則由式（4－1）得內(nèi)管內(nèi)壁面與冷空氣或水的對(duì)流傳熱系數(shù)，（4－5）實(shí)驗(yàn)中測(cè)定紫銅管的壁溫tw1、tw2；冷空氣或水的進(jìn)出口溫度t1、t2；實(shí)驗(yàn)用紫銅管的長(zhǎng)度l、內(nèi)徑d2，；和冷流體的質(zhì)量流量，即可計(jì)算a2。然而，直接測(cè)量固體壁面的溫度，尤其管內(nèi)壁的溫度，實(shí)驗(yàn)技術(shù)難度大，而且所測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差，帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此，通過測(cè)量相對(duì)較易測(cè)定的冷熱流體溫度來間接推算流體與固體壁面間的對(duì)流給熱系數(shù)就成為人們廣泛采用的一種實(shí)驗(yàn)研究手段。由式（4－1）得，（4－6）實(shí)驗(yàn)測(cè)定、、并查取下冷流體對(duì)應(yīng)的、換熱

4、面積A，即可由上式計(jì)算得總給熱系數(shù)K。1．近似法求算對(duì)流給熱系數(shù)以管內(nèi)壁面積為基準(zhǔn)的總給熱系數(shù)與對(duì)流給熱系數(shù)間的關(guān)系為，（4－7）用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，管內(nèi)冷流體與管壁間的對(duì)流給熱系數(shù)約為幾十到幾百；而管外為蒸汽冷凝，冷凝給熱系數(shù)可達(dá)~左右，因此冷凝傳熱熱阻可忽略，同時(shí)蒸汽冷凝較為清潔，因此換熱管外側(cè)的污垢熱阻也可忽略。實(shí)驗(yàn)中的傳熱元件材料采用紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為383.8，壁厚為2.5mm，因此換熱管壁的導(dǎo)熱熱阻可忽略。若換熱管內(nèi)側(cè)的污垢熱阻也忽略不計(jì)，則由式（4－7）得，（4－8）由此可見，被忽略的傳熱熱阻與冷流體側(cè)對(duì)流傳熱熱阻

5、相比越小，此法所得的準(zhǔn)確性就越高。1．冷流體質(zhì)量流量的測(cè)定用孔板流量計(jì)測(cè)冷流體的流量，則，(4－9)式中，V為冷流體進(jìn)口處流量計(jì)讀數(shù)，ρ為冷流體進(jìn)口溫度下對(duì)應(yīng)的密度。2．冷流體物性與溫度的關(guān)系式在0～100℃之間，冷流體的物性與溫度的關(guān)系有如下擬合公式。（1）空氣的密度與溫度的關(guān)系式：（2）空氣的比熱與溫度的關(guān)系式：60℃以下＝J/(kg?℃),第7頁共7頁70℃以上＝J/(kg?℃)。（3）空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系式：（4）空氣的黏度與溫度的關(guān)系式：五、主要儀器設(shè)備1．實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖4-1所示圖4-1空氣-水蒸氣換熱

6、流程圖來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進(jìn)入不銹鋼套管換熱器環(huán)隙，與來自風(fēng)機(jī)的空氣在套管換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，冷凝水經(jīng)疏水器排入地溝。冷空氣經(jīng)孔板流量計(jì)或轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。2．設(shè)備與儀表規(guī)格（1）紫銅管規(guī)格：直徑φ21×2.5mm，長(zhǎng)度L=1000mm；（2）外套不銹鋼管規(guī)格：直徑φ100×5mm，長(zhǎng)度L=1000mm；（4）鉑熱電阻及無紙記錄儀溫度顯示；（5）全自動(dòng)蒸汽發(fā)生器及蒸汽壓力表。六、操作方法與實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)步驟1、打開控制面板上的總電源開關(guān)，打開儀表電源開關(guān)，使儀表通電預(yù)熱，觀察儀表

7、顯示是否正常。2、在蒸汽發(fā)生器中灌裝清水至水箱的球體中部，開啟發(fā)生器電源，使水處于加熱狀態(tài)。到達(dá)符合條件的蒸汽壓力后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)處于保溫狀態(tài)。3、打開控制面板上的風(fēng)機(jī)電源開關(guān)，讓風(fēng)機(jī)工作，同時(shí)打開冷流體進(jìn)口閥，讓套管換熱器里充有一定量的空氣。4、打開冷凝水出口閥，排出上次實(shí)驗(yàn)余留的冷凝水，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中也保持一定開度。注意開度適中，開度太大會(huì)使換熱器中的蒸汽跑掉，開度太小會(huì)使換熱不銹鋼管里的蒸汽壓力過大而導(dǎo)致不銹鋼管炸裂。5、在通水蒸汽前，也應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除，否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓

8、力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽進(jìn)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(dāng)聽到蒸汽響時(shí)關(guān)閉冷凝水排除閥，方可進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。第7頁共7頁1、開始通入蒸汽時(shí)，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽閥的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸充滿系統(tǒng)中，使系統(tǒng)由“冷態(tài)”