清華大學(xué)化工實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱 傳熱系數(shù)的測(cè)定 班級(jí)—姓名—學(xué)號(hào)—成績(jī) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 同組成員 一.實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諅鳠嵯禂?shù)K、給熱系數(shù)a和導(dǎo)熱系數(shù)入的測(cè)定方法；比較保溫管、裸管、汽水套管的傳熱速率，并進(jìn)行討論；掌握熱電偶測(cè)溫原理及相關(guān)二次儀表的使用方法。實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)傳熱基本方程、牛頓冷卻定律及圓筒壁的熱傳導(dǎo)方程，已知傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測(cè)得傳熱速率Q以及各相關(guān)溫度，即可算出K、a和入了。測(cè)定汽-水套管的傳熱系數(shù)K_QK-礙式中：A 傳熱面積，m2；ATm——冷、熱流體的平均溫差，弋；Q——傳熱速率，W：Q=W汽曠式中：W汽一一為冷凝液流量，kg/s,r——為汽化潛熱J/kgo(2)測(cè)定裸管的自然對(duì)流給熱系數(shù)a[W/(nP.°C)]Qa=— TA(tw-tf)式中：tw,tf一一壁溫和空氣溫度，°C。(3)測(cè)定保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)入[W/(m-°C]]Qb

Am(Tw—tw)式中：保溫層兩側(cè)的溫度，°C；b——保溫層的厚度，m；Am——保溫層內(nèi)外壁的平均面積，m2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(gè)測(cè)試系統(tǒng)。如下圖：實(shí)驗(yàn)操作工藝流程為：鍋爐內(nèi)加熱的水蒸氣送入汽包，然后在三根并聯(lián)的紫銅管內(nèi)同時(shí)冷凝,冷凝液由計(jì)量管或量筒收集。三根管外情況不同：一根管外用珍珠巖保溫；一根為裸管；還有一根為套管式換熱器，管外有來(lái)自高位槽的冷卻水?？啥ㄐ杂^察到三個(gè)設(shè)備冷凝速率的差異，并測(cè)定K、a和入。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：熟悉設(shè)備流程，檢查各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)情況，排放汽包中的冷凝水。打開(kāi)鍋爐進(jìn)水閥，加水至液面計(jì)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，待出口有蒸汽溢出時(shí)，一定要關(guān)閉其中的兩個(gè)加熱閥，將加熱功率調(diào)至適宜值。然后，打開(kāi)套管換熱器冷卻水進(jìn)口閥，調(diào)節(jié)冷卻水流量為某一值，并記錄。待過(guò)程穩(wěn)定（即熱電偶15和16的溫度相近）后，記錄汽水套管、裸管、保溫管單位時(shí)間內(nèi)的冷凝液量及各相關(guān)熱電偶1?16數(shù)值。汽?水套管一般記錄60s時(shí)間內(nèi)的冷凝液量，裸管及保溫管一般記錄90s以上的冷凝液量。（注：熱電偶溫度與電壓的關(guān)系：7,=0.0185+25.8123u-0.7416u2+0.0375u3）重復(fù)步驟（5）,直至數(shù)據(jù)重復(fù)性較好。注意：實(shí)驗(yàn)前后需各記錄一個(gè)室溫值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，切斷加熱電源，關(guān)閉冷卻水閥。實(shí)驗(yàn)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(yīng)保證冷凝回水暢通。

數(shù)據(jù)處理與討論實(shí)驗(yàn)中原始數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1。表1原始數(shù)據(jù)記錄熱電偶數(shù)據(jù)熱電偶編號(hào)三組電壓示數(shù)/u平均電壓/u11.461.481.501.481.561.581.601.5831.601.621.611.6144.264.264.264.2654.274.274.274.2764.274.274.274.2774.264.264.264.2684.254.254.254.2594.254.254.254.25130.720.720.710.72141.401.391.401.40154.254.224.224.23164.264.264.264.26其他數(shù)據(jù)室溫/°c25.2(起始)25.7(結(jié)束)25.5(平均)流量數(shù)據(jù)管道三組流量平均流量（ml/s）裸管(ml/90s)4.03.84.40.045保溫管(ml/90s)3.43.23.80.039水汽管(ml/min)5254550.894其他數(shù)據(jù)室溫/弋25.2（起始）；25.7（結(jié)束）；25.5（平均）冷卻水流量90L/niin根據(jù)熱電偶電壓和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，求算相關(guān)溫度。表2相應(yīng)溫度數(shù)據(jù)管道位置平均電壓/V溫度/°c保溫管外壁1.5638.6內(nèi)壁4.2799.6裸管管壁4.2599.2汽-水管冷卻水進(jìn)口0.7218.2△Ti二80.6°C蒸汽出口4.2398.8冷卻水出口1.4034.7aT2=64.7°C蒸汽進(jìn)口4.2699.4ATm=72.4°C

(1)測(cè)定汽-水套管的傳熱系數(shù)K[W/(m2?°C)]汽?水套管的結(jié)構(gòu)尺寸如下：內(nèi)管：①=16x1.5

外管：①=34x3

管長(zhǎng)：L=0.6m查表知“汽=pq=998X0.894xlO^6=0.892x10~3kg/sr=2257.2kJ/kg則Q=W..r=2013.4J/s=2013.4W又知A=TidjL=0.03m2,△臨=72.4°C根據(jù)K=A^可求得20134K=03x72.4""W/koc)計(jì)算裸管的自然對(duì)流給熱系數(shù)Q裸管的結(jié)構(gòu)尺寸：①=16X1.5;L=0.67m同理，可計(jì)算放熱量為：Q=W..r=p?g?廠=998X0.045x10~6X2257.2x103W=101.4W傳熱面積為：A=it?d內(nèi)L=itX16x10~3x0.67m2=0.03368m2壁溫取熱電偶⑦、⑧.⑨的平均值算，空氣溫度取實(shí)驗(yàn)前后室溫的半均值算:tw=99.2°C

tf=25.5°C故裸管的自然對(duì)流給熱系數(shù)為:QA(tw-tf)QA(tw-tf)101.40.03368X(99.2-25.5)=40.85W/(m2-°C)計(jì)算保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)久保溫管的結(jié)構(gòu)尺寸如下：

內(nèi)管：內(nèi)管：①=16x1.5外管：①=60x5管長(zhǎng)：L=0.67m放熱量為:Q=W汽r=p-q-r=0.039x10-6x998x2257.2x103W=87.85W保溫層厚度為：b=(60-5x2)-16xi()_3m=()()i7m2保溫層內(nèi)、外壁的面積分別為:Al=7T?diL=TTx16x10一3x0.63m2=0.031667m2A2=it?d2L=itx50x10一3x0.63m2=0.09896m2保溫層內(nèi)外壁的平均面積為：Am=A1~A2=0.05906m2保溫層內(nèi)壁溫取熱電偶④、⑤、⑥的平均值算：tw=99.6°C保溫層外壁溫取熱電偶①、②、③的平均值算：tw=38.6°c故保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為:QbAm(Tw一QbAm(Tw一tw)=0.415W/(m2-°C)0.05906X(99.6-38.6)綜上所算，結(jié)果如表3所示:表3數(shù)據(jù)處理結(jié)果系數(shù)名稱傳熱系數(shù)KW/(m2?°C)自然對(duì)流給熱系數(shù)aW/(m2-°C)導(dǎo)熱系數(shù)入W/(m?°C)計(jì)算值927.040.850.415結(jié)果綜合分析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)越大。汽水套管使用冷卻水對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻，速率最快；裸管通過(guò)空氣對(duì)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。思考題:(1)觀察并比較三根傳熱管的傳熱速率，說(shuō)明原因。答：汽水套管利用冷卻水湍流，通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流，使內(nèi)壁直接與蒸汽進(jìn)行熱傳導(dǎo),Vat+d,/dca,套管外匕在實(shí)驗(yàn)涉及的材料中最大，故對(duì)于實(shí)驗(yàn)組測(cè)出的K值最大。裸管管壁與空氣直接接觸，空氣的傳熱能力比較差，且實(shí)驗(yàn)處于自然對(duì)流，裸管的熱阻相對(duì)于汽水套管較大，其傳熱速率相對(duì)小。保溫管因?yàn)橥獍夭牧?，?duì)流速度極大下降，且自身傳熱性能不高，使導(dǎo)熱散失大大降低、有很好的保溫效果。因此三根管傳熱速率由大到?。浩坠堋⒙愎?、保溫管。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此分析一致。2） 在測(cè)定傳熱系數(shù)K時(shí)，按現(xiàn)實(shí)驗(yàn)流程，用管內(nèi)冷凝液測(cè)定傳熱速率與用管外冷卻水測(cè)定傳熱速率那種方法更準(zhǔn)確？為什么？如果改變流程，使蒸汽走環(huán)隙，冷卻水走管內(nèi)，那種方法更準(zhǔn)確？答：用管外冷卻水測(cè)定傳熱速率的方法更準(zhǔn)確。如采用管內(nèi)通冷凝水，則水蒸汽不僅會(huì)與內(nèi)管冷凝水進(jìn)行熱交換，還將與管外空氣進(jìn)行熱傳導(dǎo)。由于蒸汽的溫度遠(yuǎn)高于空氣的溫度，這種情況下的熱交換相較于冷卻水在管外時(shí)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(cè)定K更準(zhǔn)確。改變流程時(shí)分析同上，且使用內(nèi)管冷卻水時(shí)將會(huì)引入更大的誤差。3） 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(diǎn)并分析其作用。答：不凝氣排放口在氣包遠(yuǎn)離進(jìn)氣口一端的上側(cè)；冷凝液排放口在偏向進(jìn)氣口一端的下側(cè)，并連有一根長(zhǎng)管使部分冷凝液回流至水槽。設(shè)置不凝氣排放口的主要目的是為了防止蒸汽從排放口直接排放到大氣中，造成損失，同時(shí)可以保證氣包內(nèi)的氣壓為一個(gè)大氣壓。冷凝液排放口則主要使氣包中的液體盡量排凈，防止冷凝液進(jìn)入三根待測(cè)管中，造成實(shí)驗(yàn)誤差，同時(shí)可以使蒸汽可以順利進(jìn)入三根傳熱管，另外起著回流循環(huán)的作用。4） 若將汽-水套管的冷卻水給水出口，入口調(diào)換，則調(diào)換前后值是否相同？答：調(diào)換前后△陰相同。因?yàn)樵谄?水套管中，高溫流體水蒸氣在傳熱過(guò)程中發(fā)生了相變而保持溫度不變，嚴(yán)格意義上沒(méi)有并流或逆流之分，因此只要進(jìn)出口溫度相同，其平均溫度4臨必然相等。5） 在間壁兩側(cè)流體的對(duì)流給熱系數(shù)相差較大時(shí)，壁溫接近哪側(cè)溫度？欲提高K值，應(yīng)從哪側(cè)入手？答：壁溫接近a大的那側(cè)溫度，因?yàn)閍大對(duì)應(yīng)的熱阻較小，熱交換充分，因此溫度也接近。忽略套管厚和其他熱阻，K_11/久+1/久由此式可分析得，K的大小受到較小“值的影響較大，因此，可通過(guò)提高較小的a值以增大K值。小結(jié)與自評(píng)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我和同學(xué)們一起達(dá)成了實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)了傳熱系數(shù)K、給熱系數(shù)a和導(dǎo)熱系數(shù)入的測(cè)定方法；并參考計(jì)算結(jié)果，比較了保溫管、裸管、汽水套管的傳熱速率，也展開(kāi)了相應(yīng)的討論；此外，我們也通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)熟悉了熱電偶測(cè)溫原理及相關(guān)二次儀表的使用方法。在實(shí)驗(yàn)中，我們組成員之間不斷進(jìn)行討論，共同認(rèn)識(shí)、分析著所面