清华大学化工实验基础-传热系数实验报告

化工基础实验报告

实验名称传热系数的测定

班级学号成绩

实验时间同组成员

一.实验预习

1．实验目的

a)掌握传热系数K、给热系数α和导热系数λ的测定方法；

b)比较保温管、裸管、汽水套管的传热速率，并进行讨论；

c)掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。

2．实验原理

根据传热基本方程、牛顿冷却定律及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Q以及各相关温度，即可算出

（1）测定汽-水套管的传热系数

式中：——传热面积，；

——冷、热流体的平均温差，；

——传热速率，W；

式中：——为冷凝液流量，kg/s，

r——为汽化潜热J/kg。

（2）测定裸管的自然对流给热系数[W/(m2·)]

式中：——壁温和空气温度，。

（3）测定保温材料的导热系数λ[W/(m·)]

式中：——保温层两侧的温度，；

b——保温层的厚度，m；

——保温层外壁的平均面积，m2

A

m

3．流程装置

该装置主体设备为“三根管”：汽水套管、裸管和保温管。这“三根管”与锅炉、汽包、高位槽、智能数字显示控制仪等组成整个测试系统。如下图：

4. 实验操作

工艺流程为：锅炉加热的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管同时冷凝，冷凝液由计量管或量筒收集。三根管外情况不同：一根管外用珍珠岩保温；一根为裸管；还有一根为套管式换热器，管外有来自高位槽的冷却水。可定性观察到三个设备冷凝速率的差异，并测定K、α和λ。

具体实验步骤如下：

1．熟悉设备流程，检查各阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。

2．打开锅炉进水阀，加水至液面计高度的2/3。

3．将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220 V，满功率加热，待出口有蒸汽溢出时，一定要关闭其中的两个加热阀，将加热功率调至适宜值。

4．然后，打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值，并记录。5．待过程稳定（即热电偶15和16的温度相近）后，记录汽水套管、裸管、保温管单位时间的冷凝液量及各相关热电偶1~16数值。汽-水套管一般记录60 s 时间的冷凝液量，裸管及保温管一般记录90s以上的冷凝液量。

（注：热电偶温度与电压的关系：T=0.0185+25.8123u?0.7416u2+0.0375u3）

6．重复步骤（5），直至数据重复性较好。注意：实验前后需各记录一个室温值。7．实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。

8．实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其1/2高度。

9．注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。

10．锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。

5. 数据处理与讨论

实验中原始数据记录见表1。

表1原始数据记录

管道三组流量平均流量(ml/s) 裸管(ml/90s) 4.0 3.8 4.4 0.045

保温管(ml/90s) 3.4 3.2 3.8 0.039

水汽管(ml/min) 52 54 55 0.894

其他数据

室温/25.2（起始）；25.7（结束）；25.5（平均）冷却水流量90 L/min

根据热电偶电压和温度的数学关系，求算相关温度。

表2 相应温度数据

管道位置平均电压/V 温度/℃

保温管

外壁 1.56 38.6

壁 4.27 99.6

裸管管壁 4.25 99.2

汽-水管

冷却水进口0.72 18.2

△T

1

=80.6

蒸汽出口 4.23 98.8

冷却水出口 1.40 34.7

△T

2

=64.7

蒸汽进口 4.26 99.4

△T

m

=72.4

（1）测定汽-水套管的传热系数

汽-水套管的结构尺寸如下：

管：

外管：

管长：

查表知

则

又知

根据

可求得

（2）计算裸管的自然对流给热系数α

裸管的结构尺寸：

同理，可计算放热量为：

传热面积为：

壁温取热电偶⑦、⑧、⑨的平均值算，空气温度取实验前后室温的平均值算：

故裸管的自然对流给热系数为：

（3）计算保温材料的导热系数λ

保温管的结构尺寸如下：

管：

外管：

管长：

放热量为：

保温层厚度为：

保温层、外壁的面积分别为：

保温层外壁的平均面积为：

保温层壁温取热电偶④、⑤、⑥的平均值算：

保温层外壁温取热电偶①、②、③的平均值算：

故保温材料的导热系数为：

综上所算，结果如表3所示：

表3 数据处理结果

系数名称

传热系数

自然对流给热系数

导热系数λ

计算值

（4）结果综合分析

分析三种管的传热系数，可以发现，传热速率越快的传热系数越大。汽水套管使用冷却水对蒸汽进行冷却，速率最快；裸管通过空气对流传热，传热速率较慢；保温管由于存在保温层保温，传热速率最慢。

6. 思考题：

（1）观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因。

答：汽水套管利用冷却水湍流,通过强制对流，使壁直接与蒸汽进行热传导，

ααd d K i i +=

11

套管外i α在实验涉及的材料中最大，故对于实验组测出的K 值最大。裸管管壁与空气直接接触，空气的传热能力比较差，且实验处于自然对流，裸管的热阻相对于汽水套管较大，其传热速率相对小。保温管因为外包保温材料，对流速度极大下降，且自身传热性能不高，使导热散失大大降低、有很好的保温效果。因此三根管传热速率由大到小：汽水套管、裸管、保温管。实际实验结果与此分析一致。

2）在测定传热系数K 时，按现实验流程，用管冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定传热速率那种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管，那种方法更准确？

答：用管外冷却水测定传热速率的方法更准确。如采用管通冷凝水，则水蒸汽不仅会与管冷凝水进行热交换,还将与管外空气进行热传导。由于蒸汽的温度远高于空气的温度，这种情况下的热交换相较于冷却水在管外时与空气的热交换更为显著,引入的误

差较大，所以用管外冷却水测定K 更准确。改变流程时分析同上，且使用管冷却水时将会引入更大的误差。

3） 汽包上装有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。

答：不凝气排放口在气包远离进气口一端的上侧；冷凝液排放口在偏向进气口一端的下侧，并连有一根长管使部分冷凝液回流至水槽。设置不凝气排放口的主要目的是为了防止蒸汽从排放口直接排放到大气中，造成损失，同时可以保证气包的气压为一个大气压。冷凝液排放口则主要使气包中的液体尽量排净，防止冷凝液进入三根待测管中，造成实验误差，同时可以使蒸汽可以顺利进入三根传热管，另外起着回流循环的作用。

4）若将汽-水套管的冷却水给水出口，入口调换，则调换前后m t ?值是否相同？

答：调换前后相同。因为在汽-水套管中，高温流体水蒸气在传热过程中发生

了相变而保持温度不变，严格意义上没有并流或逆流之分，因此只要进出口温度相同，其平均温度

必然相等。

5） 在间壁两侧流体的对流给热系数相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K 值，应从哪侧入手？

答：壁温接近大的那侧温度，因为大对应的热阻较小，热交换充分，因此温度也

接近。

忽略套管厚和其他热阻，

αα111+=

i K

由此式可分析得，K 的大小受到较小值的影响较大，因此，可通过提高较小的

值以增大K 值。

7. 小结与自评

通过本次实验，我和同学们一起达成了实验目的：学习了传热系数K 、给热系数α和导热系数λ的测定方法；并参考计算结果，比较了保温管、裸管、汽水套管的传热速率，也展开了相应的讨论；此外，我们也通过本次实验熟悉了热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。

在实验中，我们组成员之间不断进行讨论，共同认识、分析着所面对的新设备，相互答疑解惑，共同进步；通过实验，我们不仅收获了书本知识外的经验，也对采集有效的实验数据有了更加明确的认识；同时，看到实验室里数字化的设备，我也感到现在科研条件相比以前的简化和进步。

最后，感老师们为建设优秀的化工实验基地所付出的辛勤劳动！