冷空气——蒸汽的对流传热实验

化工原理实验报告Akatsuke一、实验名称冷空气—蒸汽的对流传热实验二、实验目的（1）测定冷空气-蒸汽在套管换热器中的总传热系数K。（2）测定冷空气在光滑套管内的给热系数。（3）测定冷空气在螺旋套管内的给热系数。（4）比较冷空气在光滑套管内和螺旋套管内的传热性能，绘制Nu与Re之间的关系曲线。（5）熟悉温度、流量等化工测试仪表的使用。三、实验原理（1）冷空气—蒸汽系统的传热速率方程为Q=KA∆𝑡𝑚∆𝑡𝑚=∆𝑡1−∆𝑡2𝑙𝑛∆𝑡1∆𝑡2Q=𝑞𝑣𝜌𝑐𝑝(𝑡2−𝑡1)式中：Q——单位时间内的传热量（Q）；A—冷空气、蒸汽间的传热面积（m²），A=πdL；∆𝑡𝑚——冷空气与蒸汽的对数平均温差（℃或K）K——总传热系数（W/(m2/s)）；d——换热器内管的内直径（m）；L——换热器长度（m）；𝑞𝑣——冷空气空气流量（m3/s）；ρ，𝑐𝑝——分别是冷空气的密度（kg/m3）和比热（J/(kg·℃)）；T——换热器壳程蒸汽的温度（℃)）；t1，t2——分别是冷空气进、出换热器的温度（℃)）。实验通过测量冷空气流量𝑞𝑣，冷空气进出换热器的温度t1和t2、蒸汽在换热器内的温度t1和t2，即可测定K。（2）蒸汽与冷空气的传热过程由蒸汽对壁面的对流传热，间壁的固体热传导和内壁面的对冷空气的对流传热三种传热组成，其总热阻为1𝐾=1ℎ1+𝑏𝑑1𝑘𝑑𝑚+𝑑1ℎ2𝑑2式中：h1，h2——分别为冷空气、蒸汽的给热系数（W/(m2·℃)）；d1，dm，d2——分别为内管的内径、内外径的平均值、外径（m）；b——内管的壁厚（m）；k——内管材质铜的导热系数（W/(m·℃)）；在蒸汽走壳程、冷空气走管程的套管换热器中，由于蒸汽的给热系数h2比较大，𝑑1𝑘2𝑑2之比值较小；k较大，𝑏𝑑1𝑘𝑑𝑚之值较小，此时𝑑1𝑘2𝑑2、𝑏𝑑1𝑘𝑑𝑚可忽略，对光滑管而言，即h1≈K。（3）流体在圆形光滑直管中强制对流时对管壁的给热系数交联式为Nu=C′R𝑒𝑚𝑃𝑟𝑛式中：Nu——努塞尔准数，Nu=ℎ1𝑑𝑘1；Re——雷诺准数，Re=𝑑𝑢𝜌𝜇；Pr——普兰特准数，Pr=𝑐𝑝𝜇𝑘1；𝜌——冷空气密度（kg/m3）；u——冷空气在内管内的流速（m/s）；𝑘1——冷空气的导热系数（W/(m2·℃)）。对冷空气而言，在较大温度范围内Pr基本不变，取Pr=0.7，因流体被加热，n=0.4，即Pr可视为常数，则给热系数关联式可简化为Nu=CRem。式中：C=C’𝑃𝑟𝑛。实验中改变冷空气的流量，冷空气和蒸汽两流体间的热平衡将发生变化，与之相应的两个准数Re、Nu也随之改变，进而可在双对数坐标下绘制Re与Nu的关系是一直线，如下图所示。拟合出此直线方程，即为Nu和Re的准数方程，其形式为Nu=CRem。四、实验装置图及主要设备实验设备：风机、蒸汽发生器、普通套管换热器、螺旋套管换热器、消音器。实验仪表：气体涡轮流量计、差压变送器、温度变送器、温度控制器、无纸记录仪、液位计。实验装置图如下：冷空气通过风机进入套管换热器管程，蒸汽发生器内通过电加热使水汽化产生蒸汽，蒸汽进入换热器内的壳程，加热管程内的冷空气、蒸汽和冷空气通过套管换热器内管壁进行热量交换。对流传热实验装置图如上。五、实验步骤1.所熟悉传热实验装置，会使用各种仪表，并检查设备，做好实验操作准备。2.启动总电源和仪表电源。3.检查蒸汽箱的蒸汽液位是否到指定液位，高于指定液位时，才能启动其电源加热，使蒸汽发生器内的水沸腾汽化产生蒸汽。全开冷空气支路调节阀（阀16），.选择1#换热器，全开此换热器的空气切换阀（球阀3）。4.观察控制柜上蒸汽发生器的温度控制仪表，当蒸汽发生器内温度显示升到100℃后，启动风机。5.稳定10~15min，记录冷空气流量，蒸汽温度和冷空气进、出口温度。6.调节空气支路调节阀（逐渐关闭闸阀16），改变冷空气流量，稳定10~15min后，记录冷空气流量，进、出口温度和蒸汽温度。7.重复操作实验步骤6八至十次，流量从大到小，均匀分布，完成1#换热器的测定。8.全开冷空气支路调节阀（闸阀16），选择另一个换热器2#换热器，全开此换热器切换阀（球阀2），管壁已做完实验的1#换热器的切换阀（球阀3）。9.重复操作实验步骤5、6、7，完成2#换热器的测定。10.实验数据采集完毕后，全开球阀2、3和闸阀16，然后依次关闭风机、蒸汽发生器、仪表和总电源。注意事项：（1）随时检查泵的声音是否正常，如有异常，应立即关掉泵的电源。（2）必须先开空气调节阀，再开空气预热器，避免空气预热器内的电加热器干扰。（3）注意用电安全。（4）空气预热器温度较高，注意避免烫伤。（5）换热器壳程中的不凝气体（空气）应即排出。（6）蒸汽冷凝水应返回到蒸汽发生器内。六、实验原始数据记录表传热实验数据记录表换热器：1#内径：25mm外径：30mm管长：1.3m序号冷空气流量qv(m3/h)冷空气进口温度t1（℃）冷空气出口温度t2（℃）蒸汽温度T（℃）119.825.167.799.5223.025.467.899.5327.026.568.999.5430.527.269.599.4534.028.670.099.3637.529.770.299.3741.131.270.599.3844.832.971.399.3948.834.171.999.51052.136.872.999.5换热器：2#内径：25mm外径：30mm管长：1.3m内螺纹深度：1mm内螺纹中心距：3mm序号冷空气流量qv(m3/h)冷空气进口温度t1（℃）冷空气出口温度t2（℃）蒸汽温度T（℃）155.839.571.598.8252.139.071.798.5348.738.071.598.7445.035.971.199.6540.734.671.098.7636.933.170.898.5732.831.570.698.7828.930.671.098.7925.729.871.098.61021.729.071.498.9七、实验数据处理以第一组数据为例计算：定性温度𝑡𝑚=𝑡1+𝑡22=25.1+67.72℃=46.4℃传热面积𝐴=𝜋𝑑𝑙=𝜋×0.03×1.3𝑚2=0.123𝑚2对数平均温差=∆𝑡𝑚=∆𝑡1−∆𝑡2𝑙𝑛∆𝑡1∆𝑡2=(99.5−25.1)−(99.5−67.7)𝑙𝑛99.5−25.199.5−67.7℃=50.12℃传热速率Q=𝑞𝑣𝜌𝑐𝑝(𝑡2−𝑡1)=19.83600×1.093×1.017×(67.7−25.1)×1000W=260.44W总传热系数K=𝑄A∆𝑡𝑚=260.440.123×50.12W/(m2/s)=45.63W/(m2/s)努塞尔准数Nu=ℎ1𝑑𝑘1=55.03×0.0250.02826=40.4雷诺数Re=𝑑𝑢𝜌𝜇=0.025×19.83600×𝜋/4×0.025×0.025×1.0930.0000196=15620.6八、实验结果与分析传热实验数据处理表换热器：1#内径：25mm外径：30mm管长：1.3m序号空气流量qv（m3/h）定性温度𝑡𝑚（℃）传热面积A（m2）平均温差∆𝑡𝑚(℃)传热速率Q（W）总传热系数K（W/(m2/s)）NuRe119.846.40.12350.1260.4445.6340.415620.6223.046.60.12350.0301.1152.5346.518145.1327.047.70.12348.8353.4860.2553.321300.8430.548.40.12348.0398.3666.9859.324062.0534.049.30.12347.0434.6371.6763.426823.2637.550.00.12346.4468.9576.6367.529584.4741.150.90.12345.7498.7479.7470.532424.5844.852.10.12344.5531.1982.8973.335343.6948.853.00.12343.8569.5787.3777.338499.21052.154.90.12342.1580.7486.0876.141102.6换热器：2#内径：25mm外径：30mm管长：1.3m内螺纹深度：1mm内螺纹中心距：3mm序号空气流量qv（m3/h）定性温度𝑡𝑚（℃）传热面积A（m2）平均温差∆𝑡𝑚(℃)传热速率Q（W）总传热系数K（W/(m2/s)）NuRe155.855.50.12341.3551.3480.7771.444021.6252.155.40.12341.0526.0577.2768.441102.6348.754.80.12341.7503.7574.8066.238420.3445.053.50.12343.8489.1074.3265.835501.3540.752.80.12343.4457.4470.4462.332109.0636.952.00.12343.9429.5467.2259.529111.1103104105101102NuRe双对数坐标下Re和Nu的关系曲线732.851.10.12344.8395.9963.0655.825876.5828.950.80.12344.9360.5157.7051.022799.7925.750.40.12345.1326.9452.7446.720275.21021.750.20.12345.5284.1046.0140.717119.5九、实验思考题（1）分析影响传热系数及给热系数的因素。答：由1𝐾=1ℎ1+𝑏𝑑1𝑘𝑑𝑚+𝑑1ℎ2𝑑2知，传热系数和给热系数主要与与流体的流速、密度、粘度、导热系数和管径大小有关。（2）采取何种措施可提高K和h1的值？答：要增加总传热系数K的值，可以定期清洗传热装置，尽可能地减小污垢热阻。而要增加h1的值，由Nu=C′R𝑒𝑚𝑃𝑟𝑛，Nu=ℎ1𝑑𝑘1，Pr=𝑐𝑝𝜇𝑘1和Re=𝑑𝑢𝜌𝜇知，可以增大流体的导热系数k，增加流体的流速u等。（3）𝑡𝑚、∆𝑡𝑚的物理意义是什么？如何确定？103104105101102NuRe双对数坐标下Re与Nu的关系曲线𝑡𝑚是指流体的定性温度，它等于冷空气的出口温度和进口温度的算术平均值，以这个平均值来查取空气的密度、黏度和给热系数等物性数据。∆𝑡𝑚指冷空气与蒸汽的对数平均温差，∆𝑡𝑚=∆𝑡1−∆𝑡2𝑙𝑛∆𝑡1∆𝑡2。（4）实验中管壁温度应接近哪一侧温度？为什么？根据化工原理知识：𝑞=𝑡2−𝑡𝑤1ℎ2=𝑡𝑤−𝑡11ℎ1，而蒸气的给热系数h2远大于空气h1，因此t2比t1更接近tw，即管壁温度更接近于蒸气一侧温度。