化工原理传热实验步骤及内容

实验四传热实验

、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) 学会给热系数测定的实验数据处理方法。

(3) 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

(4) 掌握热电阻测温的方法。

(5) 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。

图4-1间壁式传加程示意图

达到传热稳定时，有

Q -—爲)=卿/■沖仏一人.)

-%4(丁-為)輛-场血(斥-咖

式中：Q —传热量，J / s ;

m —热流体的质量流率，kg / s

C PI—热流体的比热，J / (kg ? C)；

T i —热流体的进口温度，C；

T2 —热流体的出口温度，C；

m —冷流体的质量流率，kg / s (4-1 )

C p2 —冷流体的比热，J /（kg ? C ）；

11 —冷流体的进口温度，C；

t2 —冷流体的出口温度，C；

:-1 —热流体与固体壁面的对流传热系数，W / （m

C ）; A—热流体侧的对流传热面积，m；

"；| —热流体与固体壁面的对数平均温差，C；

:-2 —冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / （m

C ）；A—冷流体侧的对流传热面积，m；

|f\ —固体壁面与冷流体的对数平均温差，C；

K —以传热面积A为基准的总给热系数，W / （m 2C）；

—冷热流体的对数平均温差，C；

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算,

—［「J

（4 - 2）亠4 一5

式中：T1 —热流体进口处热流体侧的壁面温度，C；

TA2 —热流体出口处热流体侧的壁面温度，C。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算,

r - ：（4 —3）

In切7

式中：t wi —冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，C；

t W2 —冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，C。

热、冷流体间的对数平均温差可由式（ 4 —4）计算,

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4—1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数, 叫*-片）

(4-5)

实验中测定紫铜管的壁温t wi、t w2；冷空气或水的进出口温度t l、t2；实验用紫铜管的

(4-4 )

长度I 、内径d 2, 丄一；和冷流体的质量流量，即可计算

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的

数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，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给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4 — 1）得，

(4-6 )

实验测定 =、:+-. .;p

..「、并查取:-.二十：J 下冷流体对应的-j 、换热面

积A ,即可由上式计算得总给热系数

K o

下面通过两种方法来求对流给热系数。

1. 近似法求算对流给热系数「

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为,

式中：d i —换热管外径，m

d 2 —换热管内径，m d m —换热管的对数平均直径， m

b —换热管的壁厚，m

■—换热管材料的导热系数，

W / (m ? C )

丄.]—换热管外侧的污垢热阻，

K/W ;

2 '-

—换热管内侧的污垢热阻，

m 1

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百

而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数

「?可达~ III'. 「匸左右，因此冷凝传

￡

右

热热阻一可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻

.■ ——也可

忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为 383.8 臣出叮，壁厚为2.5mm 因

(4— 7)

(4 — 7)得,

二押仝 (4-8)

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, 越高。

2. 传热准数式求算对流给热系数

d —换热管内径，m ■—流体的导热系数，W / (m ? C )； u —流体在管内流动的平均速度，

m / s ;

(4— 12)

此换热管壁的导热热阻

——可忽略。若换热管内侧的污垢热阻

也忽略不计，则由式

此法所得的准确性就

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,

式中：Nu —努塞尔数,

Re -雷诺数， Pr -普兰特数,

当流体被加热时

:工，无因次； . 也，无因次；

k CQ

-：--，无因次；

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 / (m C )；

—流体的密度,

kg / m -—流体的粘度，

Pa s ;

C P —流体的比热,

J / (kg C )。

对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式(

4 — 9)改写为,

0.023 ⑷

(4— 10)

-.-：

(4— 11)

则式（4— 7）可写为,

卩弼+C

（4 —⑸

当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（

管内径d 2一定时，m 也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的

: 二：r

:，由

式（4— 4）、（ 4 — 6）、（ 4— 12）、（ 4 — 13）求取一系列 X 、Y 值，再在X ?Y 图上作图或将所得的X 、Y 值回归成一直线，该直线的斜率即为任一冷流体流量下的给热系数 :-2可

用下式求得,

(4— 16)

3. 冷流体质量流量的测定

（1）若用转子流量计测定冷空气或水的流量，还须用下式换算得到实际的流量,

(4 — 17)

式中：V '—实际被测流体的体积流量， m 3 / s ;

—实际被测流体的密度，kg / m ;均可取__ ??二下对应水或空气的密度,

见冷流体物性与温度的关系式; —标定用流体的体积流量， m 5 / s ;

— 标定用流体的密度， kg / m ;对水P = 1000 kg / m ;对空气p = 1.205 kg / m ;

P f —转子材料密度，kg / m 。

于是 J

(4 —18)

（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，

p 为冷流体进口温度下对应的密度。

4. 冷流体物性与温度的关系式

在0?100 C 之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。

(4— 14)

4— 14）计算所得的C 值为一常数。

—19)

（1）空气的密度与温度的关系式:

Q =

45x10^+1 2916

(2 )空气的比热与温度的关系式：60C以下二=]|「J /(kg C ),

70 C以上]]=]| |」.；J / (kg C)。

(3)空气的导热系数与温度的关系式：一丁亠：..：■■<

(4 )空气的黏度与温度的关系式：//=(-2xl(r fi i a+5xl0-3i+L7169)xl(r J

(5)水的密度与温度的关系式：一匚

(6)水的比热与温度的关系式: 二 :：.ir\/ ■:<':广汛??厂二

(7)水的导热系数与温度的关系式：:-_■ 111 \ _■：：'

(8)水的黏度与温度的关系式：Jl 1 - ■- - ■--'■-

三、装置与流程

实验装置如图1所示。

来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内

进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计进入套管换热器内管(紫铜管)，热交换后排出装置外。

四、设备与仪表

(1) 紫铜管规格：直径 $ 21 x 2.5mm,长度L=1000mm

(2) 外套玻璃管规格：直径 $ 100 x 5mm长度L=1000mm

(3) 压差变送器：BP800 1KPa

(4) 智能温度、流量显示仪 (5) 压力表规格：0?O.IMPa

五、仿真步骤

双击仿真程序图标，进入如下界面:

整个仿真界面分为三部分，顶上为菜单栏，中间部分为操作界面，底下为时间栏。

在“实验室室温”方框内，填入实际将要进行实验的室温，该值对其后的模拟数据处理等均有影响，故可供实际状况下操作结果的对比。作为预习，也可填入一个温度，确认各仪器、设

备等均处于断电或关闭状态下，按以下步骤进行仿真操作。

仿真界面

图标示例

图标1

图标2 图标3 图标4

图标5 图标6

0 1

■

点击图标1 |,即可开始实验。

单击装置右侧“蒸汽发生器”的“电源”，可见红色指示灯变亮，表示已通电。同时绿色指示灯也变亮，表示该设备处于预热状态中。

待黄色指示灯变亮时，表示蒸汽发生器已可提供符

合实验要求的蒸汽了。

单击装置左侧“对流给热系数测定控制台 ”的面板任意处，会弹出放大的控制面板, 点右键又可隐去（以下各控制器均可如此点开或隐去

）。

点击“控制台电源”，U 、V 、W 三相指示灯显示正常，表示供电稳定。可再打开“

仪表

1 c — 40C 内任意 ?对焉甜對亞叢測龙访百

电源”。

打开“风机电源”前，应先开差压变送器下方的平衡阀，将孔板流量计前后压差置零。

若风机开关档拨向“直接”，则表示手动档控制，须通过冷流体入口管处的“ 冷流体阀门” 来调节流量。若想通过变频器控制，则应先开“变频器”开关，并将“冷流体阀门”开度置于最大，将风机开关指向“ 变频”即可。待管路中通入冷流体后，关闭差压变送器下方的平衡阀。

通蒸汽之前，打开热交换器进出口的两个“ 不凝性气体排放阀门”，实验中也保持一定开度。

打开“冷凝水阀门”，共有两个阀门，长直管段的和短直管段均要打开，可观察到冷凝

水排出。

然后，将短直管段的冷凝水阀门关闭，此时方可打开“热流体阀门”，从而使得蒸汽发

生器产生的蒸汽通入系统中。此时可观察到系统中的对流交换，以及冷凝水的排出情况。

点开控制面板上的“温度巡检仪”、“流量变送仪”、“流量控制仪”，观察各仪表显示。

若使用风机“直接”档，则拖动冷流体入口管处的“ 冷流体阀门”边的滚动条，表示阀门开度的大小，观察流量计读数和温度显示。待各仪表读数稳定后，点击|图标21，则记录得

一组数据，点击|图标31，则可显示该组数据。按如此操作，作8 —10组数据。

若使用风机“变频”档，则可经“手动”或“自动”两种方式控制冷流体流量。“自动”状态下，点击“流量控制仪”的控制档，改变设定流量（增大或减小），可观察到“流量变送仪”上显示也随之变化；“手动”状态下，旋转“手动调节旋钮”大小，也可观察到

流量计显示的改变。与风机“直接”档操作一样，也是待各仪表读数稳定后，点击|图标2 , 则记录得一组数据，点击|图标31,则可显示该组数据。按如此操作，作8 —10组数据。

实验结束的操作如下：先关闭“ 热流体阀门”，然后关闭“蒸汽发生器”，关闭“风机”、“变频器”和“仪表”电源，再关闭“控制台”电源，检查各阀门和管路关闭情况，确认实验结束。

点击图标4，可进入当前实验的”数据处理”部分，详见本帮助文档的数据处理。最后点击图标5，即可退出仿真操作。

以上仿真操作中，若有次序问题或误操作，系统会有警告或提示框出现，点击“确定”，并改正操作即可。

六、数据处理

仿真操作结束后，点击图标刁I，进入数据处理部分。程序根据本次实验的数据记录，自动运行得结果，在数据处理的界面中,点击“显示结果”，可以表格形式得到本实验所要

的最终处理结果，点“显示曲线”，则可得到实验结果的曲线对比图和拟合公式。

对于实际实验操作，即非仿真操作，也可单独使用软件包中的“数据处理”程序，使用如下：

1双击打开数据处理软件"HeatExperiment.exe"(图标6)。在界面左上“设置”的下拉菜

单中输入装置参数管长、管内径以及转子流量计的转子密度。在本套装置中，管长为1m,

管内径为16mm转子流量计的转子密度为

2、在界面右侧选择冷流体类型和流量计类型，输入实验作得的数据组数，并点新建实验，

可得数据记录表格一张。在原始数据框中输入完各值后，点“数据计算”，再点“显示结

果”，可以表格形式得到本实验所要的最终处理结果，点“显示曲线”，则可得到实验结

果的曲线对比图和拟合公式。

3、数据输入错误，或明显不符合实验情况，程序会有警告对话框跳出。每次修改数据后，

都应点击“修改数据”，再按2步中次序，点击“数据计算”、“显示结果”和“显示曲

线”。

4、记录软件处理结果，并可作为手算处理的对照。结束，点“退出程序”。

七、注意

1、仿真操作正确无误以后，方可进行正式实际实验，实际操作的控制与仿真界面的控制完全一样。

2、控制系统为全电脑控制，实验学生不得随意删除电脑内的任何记录数据或电脑内的

任何文件！严禁在操作电脑系统做与实验无关的事情！未经指导教师许可不得使用U盘、光盘等存储设备。

八、思考题

(1 )为什么要待热空气进口温度稳定后才读数？

(2)在实验中有哪些因素影响实验的稳定性？

(3 )本实验采用改变哪种流体流量达到改变传热系数的目的？

(4)为了减少实验误差，冷流体的进出口温度计读数需不需要校正？如果需要，如何校正？(5 )在传热系数测定过程中，冷流体流量应维持在较小值还是较大值？