化工原理实验-传热实验

1、传热实验传热系数的测定2011011743 分 1 黄浩实验日期：2013-11-15同组实验者：周昱、曹庆辰、陈辰地点：化工实验教学中心108室实验内容：传热系数的测定一、实验目的（1）掌握传热系数K、给热系数a和导热系数入的测定方法。（2）比较保温管、裸管、汽水套管的传热速率，并进行讨论。（3）掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。二、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K、a和入。（1）测定汽-水套管的传热系数KW/（m?-c）K=Q/AAtm式中：A传热面积，rm；Atm冷、热流体的平均温

2、差，C；Q传热速率，W；Q=I汽 XT式中：“汽为冷凝液流量（kg/s）, r为汽化潜热（J/kg） o（2）测定裸管的自然对流给热系数a W/（m2-C）式中：tw, tf壁温和空气温度，C。（3）测定保温材料的导热系数人W/（m-C）A=Qb/Am（X w-tw） 式中：q热通量，W/（mOTw, U保温层两侧的温度，C ：b保温层的厚度，m：Am一保温层内外壁的平均面积，m三、实验流程与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。如图1:_压器；2电典棒$ 3锅炉$ 4放液阳5-液顺计，6 加水冏，一f

3、f火管, k “奏么* X. A饵11倍，】0氏包；I】一探flh 12-放T倒，13汽水套管， ：二位；割偶埋她置图1传热系数测定的实验装置示意图工艺流程为：锅炉内加热的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝，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、a和人。1）各种设备的尺寸：（1）汽-水套管:内管均为016x1.5紫铜管；套管为。34x3不锈钢管；管长 L=0.6 m；（2）裸管：传热管为*16x1.5紫铜管；管长D=0.67 m；（3）保温

4、管：外管为。60 x5有机玻璃管；内管为016x1.5紫铜管；管长L=0.63 m；2）锅炉加热功率：06 kWo3）冷却水流量：0-160L/lio4）温度测量采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用DS系列智能数字显示控制仪。四、实验步骤与注意事项（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II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II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

5、16的温度相近）后，记录汽水套管、裸管、保温管单 位时间内的冷凝液量及各相关热电偶116数值。汽-水套管一般记录60s时间内的冷凝液量, 裸管及保温管一般3记录90s以上的冷凝液量。备注：热电偶温度与电压的关系： 7=0.0185+25.8123u-0.7416ir+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。五、原始数据记录表格1环境条件实验前气温24.0

6、C实验后气温25.0C2数据表格表1保温管的给热系数a的原始数据保温管实验 一序号 一四五六七A九外壁温 度/C执 /、 电 偶 编号34.035.136.336.737.037437.837.938.034.936.037.237.638.038.438.738.939.035.236.637.938.238.538.939.139 139.1内壁温 度2100.7100 7100.6100 7100.5100.6100.5100.5100.4100.7100.7100 7100 7100.7100.6100 7100 7100.5100.5100.6100.6100.5100.5100.5

7、100.5100.5100.5冷凝水体积/ml2.0o o163.0342.83.84.43.8测量时间/S909090909090120120120表2裸管的KI然对流给热系数a的原始数据裸管实验序号 四五六七八九外壁 热电 100 6 100.5100.5100.51004 100.4 100.4100.4 100.4温度偶编100.5100.5100 4100.4100 3100.4100.4100.4100.4rc 号 100.5100.5100 4100.4100 4100.4100.4100.4100.3冷凝水体积/ml3.54.43.8343.43.65.25.05.0测量时间/

8、s909090909090120120120表3i汽水套管的总传热系数K的原始数据实验序号A四五六七八九冷却水入口温度/C15416.614.214.715.114.814.214 114.1冷却水出口温度/C37 937.937.837.337.537.837.437437.3汽包温度/c100.4100.4100.2100.3100.2100.3100.2100.2100.2套管出口温度/P100.9100.8100 8100.9100 8100.81007100.7100.7原始读数/ml未测未测未测61656.657.055.857.556.0测量时间/S/686060606060六、

9、实验结果与讨论保温材料的导热系数日的测定：在手册中查得，当温度为100C时，饱和水蒸汽的冷凝潜热为2258.4kJ/kg=2258.4J/g由给定的管路数据：保温壁壁厚b=17mm，保温层外半径r2=25mm、内半径r】=8mm,得 rm=14.92iTun Am=27iLrm=0 0591 m2因水的密度随温度的相对变化不大，而且冷凝水的温度也不可知，因此认为1。】1水院 水。因Q=IV汽叽A=Qb/Am(Tw-tw可将原始表格处理为：表4保温管的给热系数a的处理数据实验序号四五六七八九外壁温度均值/C3470035.90037.13337.50037.83338.23338.53338.6

10、3338.700内壁温度均值/C100.700100.700100.633100.700100 500100.600100.500100.500100.467冷凝水体积/ml2.0002.2001.6003 0003.4002.8003.8004 4003.800测量时间/s909090909090120120120冷凝水流量/(g/s)0.0220.0240.01800330.0380 0310.0320 0370.032传热速率/(J/s)50 18755.20540 14975.28085.31770.26171.51682.80871.516导热系数 /(W/(m K)0.2190.2

11、450.1820 3430.3920 3240.3320 3850.333考虑到前面几组可能存在测量方法和和传热未达到平衡等因素的影响，因此选取后六组进行平均，最后得：保温材料的导热系数2=0 351 W/(mK)裸管的自然对流给热系数a的测定饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g,冷凝水的密度仍取1000kg/m3而实验室气温，即裸管管外空气温度，取实验前后温度的平均值：24.5笆 由给定的管路数据：裸管外半径r=8mm,则A=lnLr=O 0337m，因Q=IV汽叽a=Q/A(ttf)9可将原始表格处理为：表5裸管的自然对流给热系数a的处理数据实验序号一四五六七八九外壁平均温度/P10

12、0.53100.50100.43100.43100 37100 40100.40100.40100 37冷凝水体积/ml3.5443.83.43.43.65.255测量时间/s909090909090120120120冷凝水流量/(g/s)0.0390.0490.0420.0380.0380.0400.0430 0420.042传热速率/(J/S)87.827110.41195.35585.31785.31790.33697.86494.10094.100自然对流给热系3 3 _34 27643.10937.26333 34133.37035.3173826136.78936.805数/(W/

13、(n? K)因第二组实验结果明显偏大，因此去掉该组数据，可得到裸管的自然对流给热系数为: a=35 678W/(m2-s)汽-水套管的总传热系数K的测量饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g,冷凝水的密度仍取1000kg/m3一般情况下，工程中提到的总传热系数都是以外表面为基准的，由给定的管路数据：内 管层的外半径为r=8mm,则0302m2因汽-水形成逆流，而Mn =心2 一心徐%色)又因Q=0汽叽K=Q/Atm, oj将原始数据处理为：表6汽水套管的总传热系数K的处理数据(以水蒸气做热量衡算)实验序号 *四五六t/C6362.761562.862.862.9Atj/X?86.285.7

14、8686.586 686.6wc73.99573.60273.62674 01974.06474 120冷凝液体积/ml61656.65755.857.556测量时间/s686060606060冷凝液流量/(g/s)0.9210.94309500.9300.9580.933传热速率/(J/s)2079 0562130.42421454802100.3122164 3002107.840总传热系数930.375958450964.909939.584967.620941.668K/(VV/(m2- s)对上述六组数据取平均值，得汽冰套管的总传热系数K=950.434W/(nFK)因为还使用转子流

15、量计记录了冷却水的流量，因而也可以以冷却水为研究对象进行热量 衡算：QKpWt,其中为冷凝水的进出II温度差。又可将原始数据处理为：表7汽水套管的总传热系数K的处理数据(以冷却水做热量衡算)实验序号.*四五六t/C6362.762.562.862.862.9At2/*C86.285.78686 586.686.673 9973 6073.6374.0274 0674.12定性温度TTC2626.326.325.825.7525.7转子流量计/(L/h)808080808080冷却水流量/(kg/s)0.020.020.020.020.020 02传热速率/(J/s)2100.292081.71

16、2137 472156.052165.35215605总传热系数939.88936.53961.31964 52968.09963.21K/GV/(m2- K)对上述六组数据取平均值，得汽-水套管的总传热系数K=955.58W/(m2-K),与之前使用 内层水蒸气做热量衡算的结果相似，但比它稍大，这是因为冷却水还与外层空气做热量交换, 总传热量=与水蒸气的传热量+与空气的传热量，测得的传热系数就偏大，不如使用内层水 蒸气做热量衡算准确。七、实验结果讨论经过三个管路的实验，我们最终得到了如下结果:保温材料的导热系龄裸管的自然对流给热系数a汽-水套管的总传热系数K0.351 W/(mK)35.67

17、8W/(n?K)950.434W/(n?K)我们通过实验得到了三根传热管的a和K,但人的单位与另外两者不同，因此可使用 热阻R来比较传热能力(保温能力)：对于保温材料，R=(r2-rl)/ /lAm=0.8195K/W,对于裸管，R=l/aA=0.8317 K/W,对于汽 水套管，R=l/KA=0.0348K7Wo这似乎与我们的认知有偏差，保温材料应比裸管的热阻大才 符合常理，实际上这二者可比性不大，因为一个是固体传热，另一个是对流换热，而且保温 材料的换热面枳大，这会使得它的热阻下降。但在实际中，保温材料两侧的温差更小，传热 推动力小，因而传热速率更低。八、思考题1观察并比较三根传热管的传热

18、速率，说明原因答：保温管的传热速率为76 116W,裸管的传热速率为91.277W,汽-水套管的传热速率 为2121.2W,因此传热速率：保温管裸管汽水套管。保温管的传热速率慢，是因为其壁较 厚，而且材料的导热系数小；裸管其次，是因为自然对流的条件下给热系数很小；而汽水套 管的传热最快，是因其为强制对流，给热系数较大。2测定传热系数K时，按现实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定 传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管内，用哪种 方法更准确？为什么？答：该问在之前的数据处理中己经讨论过了一使用管内冷凝液进行热量衡算更准确, 因为它只与套管进行热量交换，而管外冷却水还与管外空气进行对流换热，得到的总传热系 数偏大。如果改变流程，冷却水走管内，则使用管内冷却水进行热量衡算更准确。3.汽包上装有不凝气排放I I和冷凝液排放I I,注意两I I的安装位置特点并分析其作