六、對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

序號(hào)：12化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱：對(duì)流給熱系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)學(xué)院：化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：化學(xué)工程與工藝班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：日期：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察水蒸氣在換熱管外壁上的冷凝現(xiàn)象，并判斷冷凝類型；2、 測(cè)定空氣(或水)在圓直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)ai；3、 應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值4、 掌握熱電阻測(cè)溫的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1、 在套管換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以空氣或水，水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣或水，在傳熱過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定后，有如下關(guān)系式：VpC(t2-t1)=a.A.(t-t)p iiwm式中：V—被加熱流體體積流量，m3/s；Cp—被加熱流體平均比熱，J/(kg.°C)；t「t2—被加熱流體進(jìn)、出口溫度，C；p—被加熱流體密度，kg/m3；人廠內(nèi)管的外壁、內(nèi)壁的傳熱面積，m2；(t-t)—內(nèi)壁與流體間的對(duì)數(shù)平均溫度差，C；wm(T-Tw)m=[(T1-Tw1)-(T2-Tw2)]/ln[(T1-Tw1)/(T2-Tw2)]式中，T]、T2一蒸汽進(jìn)、出口溫度，C；(T-T)—水蒸氣與外壁間的對(duì)數(shù)平均溫度差，C；wm當(dāng)內(nèi)管材料導(dǎo)熱性能很好，即九值很大，且管壁厚度很薄時(shí)，可認(rèn)為TW]=tW]，Tw2=tw2，即為所測(cè)得的該點(diǎn)的壁溫。2、 流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為：Nu=ARemPrni ii其中：Nu.=a.*d./九. Re.=p.*d.*u./y. Pr.=CP,*^./X.iiii iiiii iPiii物性數(shù)據(jù)九.，Cp.，p.，y.可根據(jù)定性溫度tm查得。對(duì)于管內(nèi)被加熱的空氣,普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr.變化不大，可以認(rèn)為為常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡(jiǎn)化為：Nu=ARemPr0.4...通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的Re.與Nu.，然后用回歸方法確定A和m的值。..這樣，上式即變?yōu)閱巫兞糠匠?，在兩邊取?duì)數(shù)，即得到直線方程：ln(Nu/Pr0.4)=lnA+mlnRe

三、實(shí)驗(yàn)裝置圖與流程1、實(shí)驗(yàn)裝置及說(shuō)明Ll1213斗二該裝置為套管換熱器（見圖1）,空氣管，內(nèi)管為辺25X2mm紫銅管，有效長(zhǎng)度測(cè)壁溫的兩支鉑電阻用導(dǎo)熱絕緣膠固定在管外壁，孔板流量計(jì)的壓差通過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換 單位為L(zhǎng)l1213斗二該裝置為套管換熱器（見圖1）,空氣管，內(nèi)管為辺25X2mm紫銅管，有效長(zhǎng)度測(cè)壁溫的兩支鉑電阻用導(dǎo)熱絕緣膠固定在管外壁，孔板流量計(jì)的壓差通過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換 單位為ki。板d0=2Omm。蒸汽發(fā)生器的加熱功率為1500W（額定電壓220V）。2、設(shè)備及儀器規(guī)格由鉑電阻測(cè)外管11/2玻璃空氣進(jìn)出口溫度和壁溫分別，蒸汽走環(huán)_a（1） 、紫銅管規(guī)格：管徑020x1.5mm,管長(zhǎng)L1000mm（2） 、外套玻璃管規(guī)格：管徑0100x5mm,管長(zhǎng)L1000mm3）、壓力表規(guī)格：0~0.1Mpa四、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開總電源空氣開關(guān),打開儀表及巡檢儀電源開關(guān),給儀表上電。2、 打開儀表臺(tái)上的風(fēng)機(jī)電源開關(guān),讓風(fēng)機(jī)工作,同時(shí)打開冷流體入口閥門,讓套管換熱器里充有一定量的空氣。3、 打開冷凝水出口閥,注意只開一定的開度,開的太大會(huì)讓換熱桶里的蒸汽跑掉,關(guān)的太小會(huì)使換熱玻璃管里的蒸汽壓力集聚而產(chǎn)生玻璃管炸裂。4、 在做實(shí)驗(yàn)前,應(yīng)將蒸汽發(fā)生器到實(shí)驗(yàn)裝置之間管道中的冷凝水排除,否則夾帶冷凝水的蒸汽會(huì)損壞壓力表及壓力變送器。具體排除冷凝水的方法是：關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥門,打開裝置下面的排冷凝水閥門,讓蒸汽壓力把管道中的冷凝水帶走。5、 剛開始通入蒸汽時(shí),要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)口閥門的開度,讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止玻璃管因突然受熱、受壓而爆裂。6、當(dāng)一切準(zhǔn)備好后，打開蒸汽進(jìn)口閥，蒸汽壓力調(diào)到0.01Mpa，并保持蒸汽壓力不變。可通過(guò)調(diào)節(jié)排不凝性氣體閥以及蒸汽進(jìn)口閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。7、可通過(guò)調(diào)節(jié)空氣的進(jìn)口閥手動(dòng)調(diào)節(jié)空氣流流量，改變冷流體的流量到一定值，等穩(wěn)定后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)值；改變不同流量，記錄不同流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。8、記錄6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口閥與冷流體進(jìn)口閥，關(guān)閉儀表電源和風(fēng)機(jī)。9、關(guān)閉蒸汽發(fā)生器。五、注意事項(xiàng)1、一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的冷流體后，方可開啟蒸汽閥門，且必須在排除蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。2、剛開始通入蒸汽時(shí)，要仔細(xì)調(diào)節(jié)蒸汽的開度，讓蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)”，不得少于10分鐘，以防止玻璃管內(nèi)因受熱、受壓而爆裂。3、 操作過(guò)程中，蒸汽壓力一般控制在0.02MPa(表壓)以下，否則造成玻璃管爆裂和填料損壞。4、 確定各參數(shù)時(shí)，必須要在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下，隨時(shí)注意惰氣的排空和壓力表讀數(shù)的調(diào)整。六、實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)記錄表6-1、實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄冷空氣流量/(m3/h)冷空氣水蒸氣進(jìn)口溫度q/°C出口溫度t2/C進(jìn)口溫度T1/C出口溫度t2/c1111.862.7100.099.61313.465.7100.8100.01514.765.8101.3100.31716.065.7101.4100.31917.465.2101.4100.42118.965.5101.5100.6表6-2、換熱器的尺寸紫銅管工作壓力官內(nèi)表面枳S管徑管長(zhǎng)L宓0x1.5mm1000mm0.01MPa0.0628m2已知：S=ndL=3.14X20X10-3X1000X10-3=0.0628m2定性溫度t=(ti+t2)/2壁溫tw=(T1+T2)/2七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理表7-1、不同溫度下空氣的物理常量序號(hào)壁溫tw/C定性溫度t/C密度pkg/m3CpJ/(kg?C)導(dǎo)熱系數(shù)九W/(m?C)黏度卩X105Pa?s199.837.251.13510050.027321.892100.439.551.12910050.027451.903100.840.251.12710050.027561.914100.8540.851.12410050.027601.915100.941.31.12210050.027641.916101.0542.21.11910050.027751.921、計(jì)算冷空氣給熱系數(shù)a以第1組為例子：Q=pVCp(t2-t])=1.135x(11/3600)x1005x(62.7-11.8)=177.41W△浪叮丿代切伽心卩叮嚴(yán)55.83C貝V,a=Q/(Aatm)=177.41/(0.0628x55.83)=50.60W/(m2?°C)同理可得出其他5組的給熱系數(shù)a值，如下表：表7-2、各溫度下的冷空氣給熱系數(shù)a值序號(hào)Q/W△t/CaW/(m2?C)a的理論值a的誤差分析1177.4155.8350.6020~100數(shù)值均在理論范圍內(nèi)，比較合理。2214.2956.9059.973241.1656.7767.644265.1256.4074.855284.4756.2680.526305.7055.6387.502、計(jì)算冷空氣的物理量Nu、Pr、u、Re以第1組為例子：Nu=ad/九=50.60x0.02/0.02732=37.04Pr=Cp|i/九=1005x1.89x10-5/0.02732=0.695u=V/(n*d2/4)=(11/3600)/[nx(0.02/2)2]=9.73m/sRe=(dup)/p=0.02x9.73x1.135/(1.89*10-5)=11686.3同理可得出其他5組的物理量，如下表：表7-3、各溫度下冷空氣的物理量序號(hào)u(m/s)NuPrReln(Nu/pr0-4)InRe19.7337.040.69511686.33.7589.366211.5043.690.69613666.83.9229.523313.2749.080.69615660.04.0389.659415.0454.240.69517794.74.1389.787516.8158.260.69419749.54.2109.891618.5863.060.69521657.34.2909.9833、求常數(shù)A、m已知冷流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為：Nu=ARemPr0.4將其對(duì)數(shù)簡(jiǎn)化后的形式為：InNu/Pr0.4=lnA+mlnRe則根據(jù)表7-3的數(shù)據(jù)，以lnNu/Pr0.4為縱坐標(biāo)，InRe為橫坐標(biāo)，用軟件線性擬合得出下圖：由此可知，該直線的斜率為0.905，截距為-4.127，即m=0.844，lnA=-4.127，A=0.01613八、實(shí)驗(yàn)討論本次實(shí)驗(yàn)使用套管換熱器，觀察水蒸氣和冷空氣在管內(nèi)的逆流流動(dòng)過(guò)程，記錄不同流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定冷空氣的對(duì)流給熱系數(shù)a值。實(shí)驗(yàn)總體上操作簡(jiǎn)單，采用電腦讀取數(shù)據(jù)就更加準(zhǔn)確。根據(jù)線性擬合得出的圖7-1，圖形基本上符合線性關(guān)系，但扔存在一定的誤差。造成這些誤差的主要因素包括：、實(shí)驗(yàn)讀取的各條件下的溫度示數(shù)顯示有波動(dòng)，不夠準(zhǔn)確就對(duì)的計(jì)算有影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)，每組間隔時(shí)間要保持5分鐘，以保證溫度處于較穩(wěn)定的狀態(tài)。、測(cè)第一組溫度數(shù)據(jù)時(shí)，過(guò)于急讀而使等待的時(shí)間短了，使得換熱器內(nèi)沒(méi)有真正達(dá)到“熱態(tài)”，就會(huì)影響后面5組的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。、采用線性回歸的分析方式擬合獲得常數(shù)A、m的值，在這個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中存在一些計(jì)算誤差。九、思考題1、 實(shí)驗(yàn)中冷流體和蒸汽的流向，對(duì)傳熱效果有何影響？冷流體和蒸汽是并流時(shí)，傳熱溫度差小于逆流時(shí)傳熱溫度差，在相同進(jìn)出口溫度下，逆流傳熱效果大于并流傳熱效果。2、 蒸汽冷凝過(guò)程中，若存在不冷凝氣體，對(duì)傳熱有何影響，應(yīng)采取什么措施？不凝性氣體會(huì)減少制冷劑的循環(huán)量，使制冷量降低。并且不凝性氣體會(huì)滯留在冷凝器的上部管路內(nèi)，致使實(shí)際冷凝面積減小，冷凝負(fù)荷增大，冷凝壓力升高，從而制冷量會(huì)降低。而且由于冷凝壓力的升高致使排氣壓力升高，還會(huì)減少壓縮機(jī)的使用壽命。應(yīng)把握好空氣的進(jìn)入，和空氣的質(zhì)量。3、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷凝水不及時(shí)排走，會(huì)產(chǎn)生什么影響，如何及時(shí)排走冷凝水？冷凝水不及時(shí)排走，附著在管