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1、一. 实验课程名称化工原理二. 实验项目名称空气-蒸汽对流给热系数测定三. 实验目的和要求1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。3、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。四. 实验内容和原理实验内容：测定不同空气流量下进出口端的相关温度，计算，关联出相关系数。实验原理：在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面(传热元件)进行热量交换，称为间壁式换热。如图(4 1)所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。图4
2、1间壁式传热过程示意图达到传热稳定时，有QmiCpiTiT2m2Cp2 t2 ti1 AiTTwm 2 A tw t m KAtm(4 1)热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(42 )计算，(4 2)式中：Twi 热流体进口处热流体侧的壁面温度，C；Tw2 热流体出口处热流体侧的壁面温度，C。tW1 t1tW2t2IntwitW2tlt2(4 3)固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（43）计算,式中：tw1 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，c；tw2 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，C。热、冷流体间的对数平均温差可由式（4 4 ）计算，T1 t2T2 t1tm, T1 t2（4-4）InT
3、 2 b当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（41 ）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，m2Cp2 t2tiA2t M(4 5)实验中测定紫铜管的壁温twi、tw2 ；冷空气或水的进出口温度ti、t2；实验用紫铜管的长度I、内径d2,Ad2l；和冷流体的质量流量，即可计算2。然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较 大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为 人们广泛采用的一种实验研究手段。由式（4 1）得，(4 6
4、)mhCp2 t2tiA tm1实验测定m2、如如T1、T2、并查取t平均- b乜下冷流体对应的Cp2、换热面积A，即可由上式计算得总给热系数K。1 .近似法求算对流给热系数2以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为,R S2bd 2d2dmRS1 d1(4 7)用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百W m2.K ;而管外为蒸汽冷凝，冷d凝给热系数 1可达104Wm2.K左右，因此冷凝传热热阻 一J可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外d侧的污垢热阻rS1N也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8 W/m K，壁厚为2.5mm
5、,S1 d!因此换热管壁的导热热阻 归 可忽略。若换热管内侧的污垢热阻Rs2也忽略不计，贝怕式(4 7 )得， 2 Kd m(4 8)由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。2 .冷流体质量流量的测定用孔板流量计测冷流体的流量，则，m2V(4 9)式中，V为冷流体进口处流量计读数，p为冷流体进口温度下对应的密度。3 .冷流体物性与温度的关系式在0100 C之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。(1 )空气的密度与温度的关系式：10 5t2 4.5 10 3t 1.2916(2 )空气的比热与温度的关系式：60 C以下Cp = 1005 J /(
6、kg ? C ),70 C 以上 Cp = 1009 J / (kg ? C)。(3)空气的导热系数与温度的关系式：2 10 8t2 8 10 5 t 0.0244(4 )空气的黏度与温度的关系式：(2 10 6t 2 5 10 3t 1.7169 ) 10 5五. 主要仪器设备(含流程简图及主要仪器)1 实验装置 实验装置如图4-1所示图4-1 空气-水蒸气换热流程图来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管(紫铜管)，热交换后排出装置外。2 .设备与仪表规格(1)紫铜管规
7、格：直径$ 21 X2.5mm，长度L=1000mm ; (2)外套不锈钢管规格：直径$ 100 X5mm，长度L=1000mm ; (4 )铂热电阻及无纸记录仪温度显示；(5)全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表。六、操作方法与实验步骤实验步骤1、打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。2、在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。3、打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一定量的空气。4、打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水
8、，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。5、在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。同时，打开顶
9、端放气阀，将设备内的空气排出，至排气管有蒸汽放出，关闭排气阀。7、上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在0. OIMPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。8、自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。9、记录68组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电
10、源。10、打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。七、实验数据记录与处理1、实验原始数据记录表，根据相关计算式进行相关数据计算。实验原始数据记录表123456水蒸气压强MPa0.020.020.020.020.020.02空气进口温度tC34.030.625.522.320.419.9空气出口温度t2C75.174.273.373.474.677.3空气进口处蒸汽温度T1C104.4104.3104.5104.6104.6104.7空气出口处蒸汽温度T2C103.8104.0104.2104.2104.3104.5空气流量Vm3/h18.315.713.210.67.75.2空气进口处密度p
11、 kg/m 31.15021.16331.18341.19621.20401.2060空气质量流量m s2 kg/s0.00580.00510.00430.00350.00260.0017空气流速um/s25.29521.70118.24514.65110.6437.1877-2-4-8-9-4计算示例（以次序1数据作为计算示例）空气进口处密度:10 5t24.5 10 3t 1.291610 534.04.5 10 334.0 1.2916 =1.1502 kg/m 3空气质量流量：ms2 V18.3 1.150236000.0058kg / s空气流速：u4Vd24 18.33600 3.
12、14 0.016 0.01625.2952m/s2、给热系数K的计算空气定性温度:t平均1t1t22(34.0 75.1)54.55 C60 C项目序号123456空气定性温度t平均 C54.5552.4049.4047.8547.5048.60定性温度下的空气密度kg/m 31.07591.08331.09371.09921.10041.0965冷、热流体间的对数平均温差tm C46.6648.5851.3452.5352.4150.74总给热系数K w/(m 2?C)103.1191.1680.8868.5953.3139.46传热面积：A2则空气比热：Cp 1005J/(kg ?C)定性
13、温度下的空气密度：10 5t24.5 10 3t 1.291610 5 54.5524.5 10 3 54.55 1.29161.0759kg/m3冷、热流体间的对数平均温差：丄T1 t2 T2 t1 (104.4 75.1) (103.8 34.0)一tm46.6565 C,T1 t2, 104.475.1InInT2 t1103.8 34.02对流传热系数：K 灯八2 JA tm0.0058 1005 (75.1 34.0)0.0502 46.6565=103.1096w/(m2?C)d2l 3.14 0.016 10.0502m3、近似法求给热系数2则 2 =K=103.1096w/(m2?C)项目序号123456对流给热系数2 w/(m 2?C)103.1191.1680.8868.5953.3139.465空气黏度卩(10 Pa)1.8851.8681.8431.8271.8181.816空气导热系数入W/(m 1K)0.027100.026830.026430.026170.026020.02598雷诺数Re23110201401732014100103106950普兰特数Pr0.69900.69970.70090.70170.70210.7022努赛尔数Nu60.8854.3648.9741.
