传热实验报告及思考题

化工基础实验报告实验名称 传热实验 一、 实验预习1实验目的掌握传热系数K、给热系数a和导热系数入的测定方法。比较保温管、裸管和水套管的传热速率，并进行讨论。掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。2实验原理根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及圆筒壁的热传导方程，一直传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Q，以及各有关的温度，即可算出K,a和X。测定汽-水套管的传热系数K(W/(m2-°C)):(2)测数式中：A—热面枳，m(2)测数式中：A—热面枳，m2：——冷、热流体的平均温度，r；Q—传热速率.w.式中：除——拎洪液kgtsxr——冷漑液汽化潜热，J"g・定裸管的自然对流给热系a(W/(m2°C)):(3)测定Q

必宀)保温材料的导热系数X(W/(m°C)):Qb4(—/(m°C)):Qb4(—)式中：J—温层两側的温喪，匸：b—温层的呼度.g<—温层内外压的平均面积.m2•3流程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，见图1。1•调压器：1•调压器：2•电热棒；3•釧炉；4放液阀；5•液而计：6•加水阀：7•计虽寄&汽液分离器；9•保温管;10•汽包：11•裸管：12•放汽阀:13-汽水套管：14•高位槽：15・流虽计：热电偶埋放位置pp图1传热实验工艺流程如下:锅炉内加热产生的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝，冷凝液有计量管或量筒收集，以测冷凝液速率。三根紫铜管外情况不同:一根管外用珍珠岩保温;另一根是裸管;还有一根为一套管式换热器，管外是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和入。各设备结构尺寸如下：汽-水套管:内管为①16X1.5紫铜管；套管为<1)34X3不锈钢管；管长L=0.6nio裸管:传热管为①16X1.5紫铜管保温管:内管为①16X1.5紫铜管；外管为"60X5有机玻璃管;管长L=0.63m。⑵过滤加热功率:0〜6kW冷却水流量:0〜160Uh温度测屋采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用DS系列智能数字显示控制仪。4实验步骤及注意事项熟悉设备流程，检查个阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。打开锅炉紧随发，加水至液面计高度的2/3。将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220V,满功率加热，带有正气后，再将加热功率调制适宜值。打开套管换热器冷却水进II阀，调节冷却水流量为某一值，注意该值应与加热功率相匹配，一般为80-150L/11O待过程稳定后，同时测量各设备单位时间的冷凝液量及各相关热电偶读数。重复步骤(5),直至数据重复性较好为止。实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其1/2高度。注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。教师审阅意见：二、实验记录1原始数据表

冷凝液量热电偶读数/9时间体枳冷凝水流保温包蒸裸管壁面裸管壁面裸管壁面温/S/mL量mL/s汽温度/温度1温度2度3裸管605.250.08898.397.897.696.96000.08398.397.897.796.9605.20.08798.297.897.696.8冷凝液量热电偶读数/9冷凝水保温包时间体积流量蒸汽温内壁温度外壁温度保温/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冷凝液量热电偶读数/9冷凝水流量保温包蒸汽蒸汽出II温时间/s体积/'mLmL/s温度度汽-水套管3037.31.24397.895.530361.20097.895.43036.41.21397.895.4空气温度：19.0°C2数据整理三次测量平均值冷凝水流量（mL/s）1.219汽-水套管蒸汽包温度/°C97.8蒸汽温度/°C95.4裸管冷凝水流量（mL/s）蒸汽包温度/°C0.08698.3管壁温度/°C97.4冷凝水流量（mL/s）0.040保温蒸汽包温度/°C97.9外壁温度/°C52.6内壁温度/°C98.3三、实验结果及讨论1.计算传热系数：(1)测定汽-水套管的传热系数KGV/(ni2•°C))汽-水套管的结构尺寸如下：内管："=16X1.5外管：e=34X3管长：L=0.6m查表知IV.(=pg=998x1.219X10'6=1.22XIO-3kgisr=2257.2kJ/kg则=2753.8J/s=2753.8W又知A=ndi厶=0.03m2ATm=(97.8-19)^=78.8°C根据K=Q/CASTm)=2753.8W/(0.3m2X7&8°C)可求得K=1165W/(nr-°C)计算裸管的自然对流给热系数a(W/(m2°C))①=16X1.5;管长L=0.67nio与(1)中同理可求得放热量Q=W=p・q・r=998x0.086x10-€x2257.2x103W=193.7W传热面积为：A=nd内L=7ixl6xlO~3xO.67m2=O.03368m2壁温取三个热电偶数值的平均值记算：tw=97.4°Ctf=19.0，＞C故裸管的自然对流给热系数为：a=Q/[A(tW-tf)]=193.7/[0.03368x(97.4-19.0)]=73.36W(m2-0C)计算保温材料的导热系数＞.(W/(m•°C))保温管的结构尺寸如下内管为宀16X1.5紫铜管；外管为宀60X5有机玻璃管；管长L=0.63nio放热量为：Q=W汽r=p・q・r=0.040x10YX998X2257.2X103W=90.11W保温层厚度为：b=(60-5x2-16)/2xio^m=0.017m温层内、外壁的面枳分别为：Ai=7rdiL=7rx16x10-3x0.63nr=0.031667m2A2=7r-d2L=7rx5OxlO-3xO.63nr=0.09896nr保温层内外壁的平均面积为：Ain=(A1-A2)/111(A1/A2)=0.05906m2保温层内壁温取三个热电偶的平均值算:tw=98.3°C保温层外壁温取三个热电偶的平均值算：tW=52.6°C故保温材料的导热系数为：X=Qb/[Am(Tw-tw)]=90.11x0.017/[0.05906x(983-52.6)]=0.568W(m2-°C)结果综合分析汽-水套管裸管保温管传热系数[W(m：・°C)]自然对流给热系数a[W(nr-°C)]导热系数[W(m"C)]116573.360.568分析三种管的传热系数，可以发现，传热速率越快的传热系数越人。汽水套管使用冷却水对蒸汽进行冷却，速率最快；裸管通过空气对流传热，传热速率较慢；保温管由于存在保温层保温，传热速率最慢。2.思考题。(1)观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因。答:汽水套管由于是利用湍流冷却水通过强制对流，使内壁直接与蒸汽进行热传导，厂存,套管外a內在实验的所有材料中是最人的，所以有最大的传热系数K,其传热速率也最高。裸管的管壁与空气接触，空气的传热能力比较差，而且实验中处于自然对流情况下，裸管的热阻相对于汽水套管较犬，其传热速率相对小。保温管因为导热系数很小的珍珠岩，珍珠岩结构类似于疏松多孔结构，由于使得对流速度极大下降，加上本身传热性能不高，使导热散失人人降低、有很好的保温效果。因此三根管传热速率由人到小:汽水套管、裸管、保温管。实际实验结果与分析基本吻合。在测定传热系数K时，按实验流程，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？答：用管外冷却水测定传热速率的方法更准确。如采用管内通冷凝水，则水蒸汽不仅会与内管冷凝水进行热交换，还将与管外空气进行热传导。由于蒸汽的温度远高于空气的温度，这种情况卞的热交换相较于冷却水在管外时与空气的热交换更为显著，引入的误差较大，所以用管外冷却水测定K更准确。改变流程时分析同上，且使用内管冷却水时将会引入更人的误差。汽包上装有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。答：不凝气排放II在气包远离进气II一端的上侧：冷凝液排放II在偏向进气II一端的下侧，并连有一根长管使部分冷凝液回流至水槽。设置不凝气排放II的主要目的是为了防止蒸汽从排放II直接排放到人气中，造成损失，同时可以保证气包内的气压为一个大气压。冷凝液排放II则主要使气包中的液体尽量排净，防止冷凝液进入三根待测管中，造成实验误差，同时可以使蒸汽可以顺利进入三根传热管，另外起着回流循环的作用。⑷若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后Atm值是否相同？答：调换前后△乃几相同。因为在汽-水套管中，高温流体水蒸气在传热过程中发生了相变而保持温度不变，严格意义上没有并流或逆流之分，因此只要进出II温度相同，其平均温度ATm必然相等。在间壁两侧流体的对流给热系数a相差较大时，壁温接近哪测温度?欲提高K值，应从哪侧入手？答：壁温接近a人的那