成都理工化工原理实验四 套管换热器液-液热交换系数及膜系数测定

本科生实验报告

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二〇年月二〇年月

填写说明

1、适用于本科生所有的实验报告（印制实验报告册除外）；

2、专业填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；

3、格式要求：

①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。

②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下

2.54cm，左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩

放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。

③具体要求：

题目（二号黑体居中）；

摘要（“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4

号宋体）；

关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；

正文部分采用三级标题；

第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行)

1.1 ×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）

1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）

参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。

实验四 套管换热器液-液热交换系数及膜系数测定

一、实验目的

1． 加深对传热过程基本原理的理解； 2． 了解传热过程的实验研究方法。

二、实验原理

冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量传递给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷热流体。热交换过程即给热---导热---给热三个串联过程组成。

若热流体在套管换热器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图所示。则在单位时间内热流体向冷流体传递的热量，可由热流体的热量衡算方程表示：

)(21T T C m Q P s -= （1）

就整个热交换而言，有传热速率基本方程经过数学处理，得计算式

m T KA Q ?= （2）

)

()('

2

22'111T T T T T T -=?-=? （3）

平均温度差可按下式计算：

2

, 2)/ln( , 22

1

21212

121T T ΔT T T T T T T ΔT T T m m ?+?=?? （4）

由（1）和（2）联立，可得传热总系数计算式：

m

P s T A T T C m K ?-=

)

(21 （5）

就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为：

)

()('

''21T T A Q T T A Q W

W

W W -=-=αα （6）

根据热交换两端的边界条件，经数学推导，可得管内给热过程的速率计算式：

'

1W

W T A Q ?=α （7）

热流体与管内面之间的平均温度差可按下式计算：

2

)()( , 2)/()ln()()( , 2221

1'

22112211221

1'

2211W W m W W W W W W m W W T T T T ΔT T T T T T T T T T T T T ΔT T T T T -+-=<-------=>-- （8）

由（1）和（7）联立可得管内传热膜系数的计算式：

'

1211)

(m

W P s T A T T C m ?-=

α （9） 同理可得到管外给热过程的传热膜系数的公式。

流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数α与各项影响因素（管内径、流速、流体密度、流体黏度、定亚比热容和流体导热系数）之间的关系可关联成如下准数式：

λμμρλ/Pr ; /Re ; /Nu ; Pr Re Nu n m p C du ad a ====

上式中系数a 和指数m,n 的具体数值需要通过实验来测定，则传热膜系数可由上式计算。例如：当流体在圆形直管内作强制湍流时，

50/1 ,160~7.0Pr ,10000Re >=>d

则流体被冷却时，a 值可按下式计算：

3.08.03.00.8

)()(023.0 ; Pr 0.023Re Nu λ

μμρλP C du d a ==

流体被加热时，a 值可按下式计算：

4.08.04.00.8

)()(023.0 ; Pr 0.023Re Nu λ

μμρλP C du d a ==

当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中d 用当量直径de 替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。

图1 套管热交换器两端测试点的温度

三、实验装置及流程

1.恒温水槽

2.搅拌桨 3．循环水泵4.转子流量计5．冷水阀门

6.高位稳压水槽

7.冷阱

四、实验步骤

实验前准备工作

（1）向恒温循环水槽中灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。

（2）开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并由溢流管有水流出。（3）将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之成粥状。将热电偶冷接触点插入冰水中，盖严盖子。

（4）将恒温水槽的温度定为55℃，启动恒温水槽的电热器，等温度到达后即可开始实验。（5）实验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。

实验操作步骤

1．开启冷水阀门，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。

2．启动循环水泵，开启并调节热水阀门使流量在60~250L·h-1范围内选取若干流量值（一般不少于6组数据）进行实验测定。

3．每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后再通过开关依次测定各点温度。

实验注意事项：

（1）．开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启动热水泵。停止实验时，必须先停热电器，待热交换器管内存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。

（2）．启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵使水流动。

（3）．在启动循环泵之前，必须先将热水调节阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。

（4）．每改变一次热水流量，一定要等传热过程稳定之后，才能测数据。每测一组数据最好

多重复几次。当流量和各点温度数值恒定后，表明过程已达稳定状态。实验内容：

1．测定套管换热器的传热总系数K；

2．测定流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数h。

五、实验记录

1．记录实验设备基本参数

(1)内管基本参数：

外径：d= mm；壁厚：δ= mm；

测试段长：L= mm

(2)套管基本参数：

外径：d’= mm；

壁厚：δ’= mm；

(3)流体流通的横截面积

内管横截面积：S= mm

环隙横截面积：S’= mm

(4)热交换面积：

内管内壁表面积：A W=

内管外壁表面积：A W’=

平均热交换面积：A=

2．实验数据记录

3．实验数据整理(1)总传热系数

(2)传热膜系数

水平管内传热膜系数的准数关联式：

m Pr

n

Nu=

aRe

在实验测定温度范围内，Pr数值变化不大，可取其平均值并将Pr n视为定值与a项合并。

m

Nu=

ARe

上式两边取对数，

=

lgNu+

mlgRe

lgA

因此，可将Nu和Re实验数据，直接在双对数坐标纸上进行标绘，由实验曲线的斜率和截距估计参数A和m，或者用最小二乘法进行线性回归，估计参数A和m。

取Pr为定值，且n=0.3，由A计算得到a值，列出：

A=

m=

a=