傳熱實驗報告及思考題

化工基礎(chǔ)實驗報告實驗名稱 傳熱實驗 一、 實驗預習1實驗目的掌握傳熱系數(shù)K、給熱系數(shù)a和導熱系數(shù)入的測定方法。比較保溫管、裸管和水套管的傳熱速率，并進行討論。掌握熱電偶測溫原理及相關(guān)二次儀表的使用方法。2實驗原理根據(jù)傳熱基本方程、牛頓冷卻定律以及圓筒壁的熱傳導方程，一直傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測得傳熱速率Q，以及各有關(guān)的溫度，即可算出K,a和X。測定汽-水套管的傳熱系數(shù)K(W/(m2-°C)):(2)測數(shù)式中：A—熱面枳，m(2)測數(shù)式中：A—熱面枳，m2：——冷、熱流體的平均溫度，r；Q—傳熱速率.w.式中：除——拎洪液kgtsxr——冷漑液汽化潛熱，J"g?定裸管的自然對流給熱系a(W/(m2°C)):(3)測定Q

必宀)保溫材料的導熱系數(shù)X(W/(m°C)):Qb4(—/(m°C)):Qb4(—)式中：J—溫層兩側(cè)的溫喪，匸：b—溫層的呼度.g<—溫層內(nèi)外壓的平均面積.m2?3流程裝置該裝置主體設(shè)備為“三根管”：汽■水套管、裸管和保溫管。這“三根管”與鍋爐、汽包、高位槽、智能數(shù)字顯示控制儀等組成整個測試系統(tǒng)，見圖1。1?調(diào)壓器：1?調(diào)壓器：2?電熱棒；3?釧爐；4放液閥；5?液而計：6?加水閥：7?計雖寄&汽液分離器；9?保溫管;10?汽包：11?裸管：12?放汽閥:13-汽水套管：14?高位槽：15?流雖計：熱電偶埋放位置pp圖1傳熱實驗工藝流程如下:鍋爐內(nèi)加熱產(chǎn)生的水蒸氣送入汽包，然后在三根并聯(lián)的紫銅管內(nèi)同時冷凝，冷凝液有計量管或量筒收集，以測冷凝液速率。三根紫銅管外情況不同:一根管外用珍珠巖保溫;另一根是裸管;還有一根為一套管式換熱器，管外是來自高位槽的冷卻水?？啥ㄐ杂^察到三個設(shè)備冷凝速率的差異，并測定K、a和入。各設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸如下：汽-水套管:內(nèi)管為①16X1.5紫銅管；套管為<1)34X3不銹鋼管；管長L=0.6nio裸管:傳熱管為①16X1.5紫銅管保溫管:內(nèi)管為①16X1.5紫銅管；外管為"60X5有機玻璃管;管長L=0.63m。⑵過濾加熱功率:0?6kW冷卻水流量:0?160Uh溫度測屋采用銅-康銅熱電偶，二次儀表采用DS系列智能數(shù)字顯示控制儀。4實驗步驟及注意事項熟悉設(shè)備流程，檢查個閥門的開關(guān)情況，排放汽包中的冷凝水。打開鍋爐緊隨發(fā)，加水至液面計高度的2/3。將電熱棒接上電源，并將調(diào)壓器從0調(diào)至220V,滿功率加熱，帶有正氣后，再將加熱功率調(diào)制適宜值。打開套管換熱器冷卻水進II閥，調(diào)節(jié)冷卻水流量為某一值，注意該值應與加熱功率相匹配，一般為80-150L/11O待過程穩(wěn)定后，同時測量各設(shè)備單位時間的冷凝液量及各相關(guān)熱電偶讀數(shù)。重復步驟(5),直至數(shù)據(jù)重復性較好為止。實驗結(jié)束，切斷加熱電源，關(guān)閉冷卻水閥。實驗中注意觀察鍋爐水位，使液面不低于其1/2高度。注意系統(tǒng)不凝氣及冷凝水的排放情況。鍋爐水位靠冷凝回水維持，應保證冷凝回水暢通。教師審閱意見：二、實驗記錄1原始數(shù)據(jù)表

冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9時間體枳冷凝水流保溫包蒸裸管壁面裸管壁面裸管壁面溫/S/mL量mL/s汽溫度/溫度1溫度2度3裸管605.250.08898.397.897.696.96000.08398.397.897.796.9605.20.08798.297.897.696.8冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9冷凝水保溫包時間體積流量蒸汽溫內(nèi)壁溫度外壁溫度保溫/S/mLmL/s度管401.40.03597.898.498.2 98.354.652.350.8401.90.04897.998.498.3 98.454.752.250.8401.50.0389898.398.1 98.154.652.450.9冷凝液量熱電偶讀數(shù)/9冷凝水流量保溫包蒸汽蒸汽出II溫時間/s體積/'mLmL/s溫度度汽-水套管3037.31.24397.895.530361.20097.895.43036.41.21397.895.4空氣溫度：19.0°C2數(shù)據(jù)整理三次測量平均值冷凝水流量（mL/s）1.219汽-水套管蒸汽包溫度/°C97.8蒸汽溫度/°C95.4裸管冷凝水流量（mL/s）蒸汽包溫度/°C0.08698.3管壁溫度/°C97.4冷凝水流量（mL/s）0.040保溫蒸汽包溫度/°C97.9外壁溫度/°C52.6內(nèi)壁溫度/°C98.3三、實驗結(jié)果及討論1.計算傳熱系數(shù)：(1)測定汽-水套管的傳熱系數(shù)KGV/(ni2?°C))汽-水套管的結(jié)構(gòu)尺寸如下：內(nèi)管："=16X1.5外管：e=34X3管長：L=0.6m查表知IV.(=pg=998x1.219X10'6=1.22XIO-3kgisr=2257.2kJ/kg則=2753.8J/s=2753.8W又知A=ndi厶=0.03m2ATm=(97.8-19)^=78.8°C根據(jù)K=Q/CASTm)=2753.8W/(0.3m2X7&8°C)可求得K=1165W/(nr-°C)計算裸管的自然對流給熱系數(shù)a(W/(m2°C))①=16X1.5;管長L=0.67nio與(1)中同理可求得放熱量Q=W=p?q?r=998x0.086x10-€x2257.2x103W=193.7W傳熱面積為：A=nd內(nèi)L=7ixl6xlO~3xO.67m2=O.03368m2壁溫取三個熱電偶數(shù)值的平均值記算：tw=97.4°Ctf=19.0，＞C故裸管的自然對流給熱系數(shù)為：a=Q/[A(tW-tf)]=193.7/[0.03368x(97.4-19.0)]=73.36W(m2-0C)計算保溫材料的導熱系數(shù)＞.(W/(m?°C))保溫管的結(jié)構(gòu)尺寸如下內(nèi)管為宀16X1.5紫銅管；外管為宀60X5有機玻璃管；管長L=0.63nio放熱量為：Q=W汽r=p?q?r=0.040x10YX998X2257.2X103W=90.11W保溫層厚度為：b=(60-5x2-16)/2xio^m=0.017m溫層內(nèi)、外壁的面枳分別為：Ai=7rdiL=7rx16x10-3x0.63nr=0.031667m2A2=7r-d2L=7rx5OxlO-3xO.63nr=0.09896nr保溫層內(nèi)外壁的平均面積為：Ain=(A1-A2)/111(A1/A2)=0.05906m2保溫層內(nèi)壁溫取三個熱電偶的平均值算:tw=98.3°C保溫層外壁溫取三個熱電偶的平均值算：tW=52.6°C故保溫材料的導熱系數(shù)為：X=Qb/[Am(Tw-tw)]=90.11x0.017/[0.05906x(983-52.6)]=0.568W(m2-°C)結(jié)果綜合分析汽-水套管裸管保溫管傳熱系數(shù)[W(m：?°C)]自然對流給熱系數(shù)a[W(nr-°C)]導熱系數(shù)[W(m"C)]116573.360.568分析三種管的傳熱系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，傳熱速率越快的傳熱系數(shù)越人。汽水套管使用冷卻水對蒸汽進行冷卻，速率最快；裸管通過空氣對流傳熱，傳熱速率較慢；保溫管由于存在保溫層保溫，傳熱速率最慢。2.思考題。(1)觀察并比較三根傳熱管的傳熱速率，說明原因。答:汽水套管由于是利用湍流冷卻水通過強制對流，使內(nèi)壁直接與蒸汽進行熱傳導，廠存,套管外a內(nèi)在實驗的所有材料中是最人的，所以有最大的傳熱系數(shù)K,其傳熱速率也最高。裸管的管壁與空氣接觸，空氣的傳熱能力比較差，而且實驗中處于自然對流情況下，裸管的熱阻相對于汽水套管較犬，其傳熱速率相對小。保溫管因為導熱系數(shù)很小的珍珠巖，珍珠巖結(jié)構(gòu)類似于疏松多孔結(jié)構(gòu)，由于使得對流速度極大下降，加上本身傳熱性能不高，使導熱散失人人降低、有很好的保溫效果。因此三根管傳熱速率由人到小:汽水套管、裸管、保溫管。實際實驗結(jié)果與分析基本吻合。在測定傳熱系數(shù)K時，按實驗流程，用管內(nèi)冷凝液測定傳熱速率與用管外冷卻水測定傳熱速率哪種方法更準確?為什么?如果改變流程，使蒸汽走環(huán)隙，冷卻水走管內(nèi)，用哪種方法更準確？答：用管外冷卻水測定傳熱速率的方法更準確。如采用管內(nèi)通冷凝水，則水蒸汽不僅會與內(nèi)管冷凝水進行熱交換，還將與管外空氣進行熱傳導。由于蒸汽的溫度遠高于空氣的溫度，這種情況卞的熱交換相較于冷卻水在管外時與空氣的熱交換更為顯著，引入的誤差較大，所以用管外冷卻水測定K更準確。改變流程時分析同上，且使用內(nèi)管冷卻水時將會引入更人的誤差。汽包上裝有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意兩口的安裝位置特點并分析其作用。答：不凝氣排放II在氣包遠離進氣II一端的上側(cè)：冷凝液排放II在偏向進氣II一端的下側(cè)，并連有一根長管使部分冷凝液回流至水槽。設(shè)置不凝氣排放II的主要目的是為了防止蒸汽從排放II直接排放到人氣中，造成損失，同時可以保證氣包內(nèi)的氣壓為一個大氣壓。冷凝液排放II則主要使氣包中的液體盡量排凈，防止冷凝液進入三根待測管中，造成實驗誤差，同時可以使蒸汽可以順利進入三根傳熱管，另外起著回流循環(huán)的作用。⑷若將汽-水套管的冷卻水出口、入口調(diào)換，則調(diào)換前后Atm值是否相同？答：調(diào)換前后△乃幾相同。因為在汽-水套管中，高溫流體水蒸氣在傳熱過程中發(fā)生了相變而保持溫度不變，嚴格意義上沒有并流或逆流之分，因此只要進出II溫度相同，其平均溫度ATm必然相等。在間壁兩側(cè)流體的對流給熱系數(shù)a相差較大時，壁溫接近哪測溫度?欲提高K值，應從哪側(cè)入手？答：壁溫接近a人的那