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1、传热实验传热实验讲稿讲稿白净白净一、实验目的一、实验目的二、实验装置二、实验装置三、实验操作三、实验操作四、实验原理四、实验原理五、实验报告要求五、实验报告要求六、有关问题解释六、有关问题解释2021/8/61一、实验目的一、实验目的1、了解实验流程及其热电阻测温原理。、了解实验流程及其热电阻测温原理。2、用实测法和理论计算法分别计算出管内、用实测法和理论计算法分别计算出管内测测、计计、Nu测测、Nu计计及及总传热系数总传热系数K的值，并进行比较。的值，并进行比较。3、在双对数坐标纸上标出管内、在双对数坐标纸上标出管内Nu测测、Nu计计与与Re关系，最好用计算关系，最好用计算机回归出机回归出N
2、u测测与与Re关系，并给出回归的精度。关系，并给出回归的精度。4、比较、比较K更接近更接近i或或0。2021/8/62原理过程计算步骤一、管内空气对流传热计算一、管内空气对流传热计算二、管外蒸气冷凝传热计算二、管外蒸气冷凝传热计算三、总传热系数的计算三、总传热系数的计算四、计算小结四、计算小结2021/8/631、管内传热膜系数、管内传热膜系数的测定的测定。、管内空气质量流量的计算、管内空气质量流量的计算GKg/S空气转子流量计的标定条件：空气转子流量计的标定条件：空气转子流量计的实际条件：空气转子流量计的实际条件：P0=101325PaP1=101325+PPaT0=273+20KT1=27
3、3+t0K0=1.205Kg/m3Kg/m3近似理想气体近似理想气体转子流量计计算式为：转子流量计计算式为：则实际流量校核为：则实际流量校核为：对气体：对气体：f有：有：则实际风量为：则实际风量为：空气的质量流量为：空气的质量流量为：Kg/S2021/8/64、管内雷诺数、管内雷诺数Re的计算的计算因为空气在管内流动时，其温度、密度、风速均发生变化，而质量流量却为定值，因为空气在管内流动时，其温度、密度、风速均发生变化，而质量流量却为定值，因此，其雷诺数计算按下式进行：因此，其雷诺数计算按下式进行：式中的物性数据式中的物性数据可按管内定性温度可按管内定性温度t=（t1+t3）/2求出。求出。、
4、计算计算、努塞尔特准数、努塞尔特准数Nu计算值计算值：计算计算=0.023/dRe0.8Pr0.4Nu计算计算=0.023Re0.8Pr0.4上上式中的物性数据式中的物性数据，Pr均按管内定性温度求出均按管内定性温度求出。2021/8/65、测定测定、努塞尔特准数、努塞尔特准数Nu测定测定值值根据热量衡算式：根据热量衡算式：q=GCpt此为换热器的热负荷此为换热器的热负荷又由传热速度方程：又由传热速度方程：Q=Atm2021/8/662、管外传热系数、管外传热系数(1)管外传热系数管外传热系数测定测定：根据管外传热速率方程：根据管外传热速率方程：Q=Aotmo(2)管外传热系数管外传热系数计计
5、：根据单根水平圆管外蒸气冷凝给热系数计算式：根据单根水平圆管外蒸气冷凝给热系数计算式：式中物性数据均按管外液膜内定性温度查取：式中物性数据均按管外液膜内定性温度查取：2021/8/673、总传热系数、总传热系数K的计算的计算（1）K实际实际：（以管外表面为基准）（以管外表面为基准）又据总传热方程：又据总传热方程：Q=KAtm（2）K测定计算测定计算：（以管外表面为基准）：（以管外表面为基准）（3）K计算计算：（以管外表面为基准）：（以管外表面为基准）2021/8/684、计算过程小结、计算过程小结2个定性温度：个定性温度：管内空气定性温度：管内空气定性温度：t=(t1+t3)/2管外液膜定性温
6、度：管外液膜定性温度：t=(t5+tw)/2tw=(t2+t4)/22个温差个温差t管内热量衡算：管内热量衡算：Q=GCPtt=t3-t1管外传热膜系数管外传热膜系数O计算计算式中的式中的t=t5-tw(3)3个平均温差：个平均温差：管内传热速率方程：管内传热速率方程：Q=Aitm中的中的tm管外传热速率方程：管外传热速率方程：Q=Aotm中的中的tm总传热速率方程：总传热速率方程：Q=KAtm中的中的tm管内管外总2021/8/69五、实验报告要求1、实验结果的表格表示（要求计算出以下表格中的各项）、实验结果的表格表示（要求计算出以下表格中的各项）每人可用一组不同数据作计算示例，其余可采用计
7、算机结果。每人可用一组不同数据作计算示例，其余可采用计算机结果。No管内有关数据计算结果管外o总KRe测W/m2KNu测计W/m2KNu计测计K测K计W/m2KW/m2K2021/8/6102 2、实验结果的坐标图表示、实验结果的坐标图表示 在双对数坐标纸上标出在双对数坐标纸上标出NuNu测定测定、NuNu计算计算与与ReRe的关系。的关系。为何要标为何要标NuRe而不标而不标Re?从从Nu=0.023ReNu=0.023Re0.80.8 Pr Pr0.40.4 中只中只有有PrPr影响，而其变化又很小，所以影响，而其变化又很小，所以可以近似看成可以近似看成Nu=ANu=ARe Re B B关
8、系；关系； 而而=0.023/d=0.023/dReRe0.80.8PrPr0.40.4中中多了多了的影响，若写成的影响，若写成= A= ARe Re B B的关系误差会大。的关系误差会大。又因为又因为 Nu=ANu=AReReB B 关系与管径无关系与管径无关，因此适用范围更大，既不同管关，因此适用范围更大，既不同管径作出的径作出的 Nu=ANu=AReReB B 结果一样。结果一样。2021/8/6113、实验结果的公式表达、实验结果的公式表达 对实验结果对实验结果 NuNu测测=f(Re)=f(Re)的数学表达式，有多种回归方式，但经常用到的有两种的数学表达式，有多种回归方式，但经常用到
9、的有两种：最小二乘法回归最小二乘法回归（具体参见实验讲义（具体参见实验讲义,常用）常用）对符合形如对符合形如 y = Ay = A x xB B 幂函数的关系，可采用：幂函数的关系，可采用： log(y) = log(A) + B log(y) = log(A) + B log(x) log(x) Y = A Y = A + B + B X X 然后对上的线形方程进行最小二乘法回归，可得到系数然后对上的线形方程进行最小二乘法回归，可得到系数A A与与B B。本实验的数据处理程序既采用此方法回归。本实验的数据处理程序既采用此方法回归。本实验最好用最小二乘法编写程序将结果回归出来。若没有时间自本实
10、验最好用最小二乘法编写程序将结果回归出来。若没有时间自己编程可以用提供的程序处理，也可用己编程可以用提供的程序处理，也可用Excel自己处理。自己处理。作图法作图法（具体参见实验讲义，这种方法误差较大，一般不用）（具体参见实验讲义，这种方法误差较大，一般不用）在所标绘的双对数坐标图上，将各实验点用一条直线表示（这也正是对在所标绘的双对数坐标图上，将各实验点用一条直线表示（这也正是对Nu=ANu=AReReB B标绘在双对数坐标纸上的原因），并以此为斜边作一直角三角形，则标绘在双对数坐标纸上的原因），并以此为斜边作一直角三角形，则: : B=a/b B=a/b求出求出B B后，将线上的某点坐标值
11、（后，将线上的某点坐标值（ReRe1 1,Nu,Nu1 1) )代入代入Nu=ANu=AReReB B中可求出中可求出A A。2021/8/6122021/8/6134 4、分析讨论、分析讨论规律分析讨论 NuRe关系：关系：是否符合是否符合Nu=ANu=AReReB B关系？在双对数坐标纸上是否为一直线关系？关系？在双对数坐标纸上是否为一直线关系？管内管内测测Re关系：关系：所以提高所以提高的有效途径是提高的有效途径是提高ReRe，即可提高流速，即可提高流速u u、降低管、降低管径径d d、提高湍动程度等，但能否一味地提高流速、提高湍动程度等，但能否一味地提高流速u u和降低管径和降低管径d
12、 d？管外管外管内管内Re关系：关系：随着管内随着管内ReRe，QQ，管外冷凝量，管外冷凝量，比较管外，比较管外计计与与测相差较大也无明显规律？从而说明管外并非纯粹的滴状冷凝。在实验时要注意观察。测相差较大也无明显规律？从而说明管外并非纯粹的滴状冷凝。在实验时要注意观察。管外管外计计管内管内计计说明：说明：有相变化的传热系数与无相变化的传热系数之间，有相变化的传热系数与无相变化的传热系数之间，液体的对流传热系数与气体的对流传热系数之间的关系。液体的对流传热系数与气体的对流传热系数之间的关系。从总从总K计计管内管内计计知：知：从而说明热阻主要集中在？何为传热控制步骤？总传热系从而说明热阻主要集中
13、在？何为传热控制步骤？总传热系数数K K和对流传热系数之间的关系？和对流传热系数之间的关系？ 结果误差分析 理论上空气被加热时：理论上空气被加热时：Pr=0.7 Nu = 0.02 Re Pr=0.7 Nu = 0.02 Re 0.80.8 实际得到的回归结果：实际得到的回归结果：Nu = A ReNu = A ReB B 试分析造成误差的可能的主要原因：要简明扼要。试分析造成误差的可能的主要原因：要简明扼要。2021/8/614有关问题简单解释：有关问题简单解释：1、热电阻工作原理、热电阻工作原理利用金属电阻值可随温度变化现象，通过测得电阻值从而可利用金属电阻值可随温度变化现象，通过测得电阻
14、值从而可计量出温度值。计量出温度值。 t = f ( R )t = f ( R ) 本实验用的是金属铂电阻。金属电阻可用于精确测量低温是其本实验用的是金属铂电阻。金属电阻可用于精确测量低温是其特点之一。特点之一。2、为什么要设置蒸汽放空口？、为什么要设置蒸汽放空口？原因有：原因有： 排放不凝气。管外蒸汽冷凝若有不凝气，会在蒸汽与管壁之排放不凝气。管外蒸汽冷凝若有不凝气，会在蒸汽与管壁之间形成一气膜，大大降低其传热系数。所以工厂中靠蒸汽冷凝加间形成一气膜，大大降低其传热系数。所以工厂中靠蒸汽冷凝加热的换热器都设置有放空口。热的换热器都设置有放空口。 防止蒸汽蹩压。若无放空口，蒸汽压力升高引起蒸汽
15、温度会防止蒸汽蹩压。若无放空口，蒸汽压力升高引起蒸汽温度会发生变化，还可能导致设备发生危险；发生变化，还可能导致设备发生危险；2021/8/6153、为何用放空阀来调节流量？、为何用放空阀来调节流量？ 因为用的是旋涡气泵，根据旋涡泵特性曲线可知：因为用的是旋涡气泵，根据旋涡泵特性曲线可知：2021/8/6164 4、为何风量调节后各点温度、为何风量调节后各点温度“稳定稳定”需要一定时间？需要一定时间？ “稳定稳定”是指各测量点的所有测量物理参数不随时间而变化，只是空间位置的函数。是指各测量点的所有测量物理参数不随时间而变化，只是空间位置的函数。 原因：风量原因：风量Q壁温壁温管外蒸气冷凝量管外
16、蒸气冷凝量Q壁温壁温逐渐稳定。逐渐稳定。而随着壁温变化，而随着壁温变化，Q也变化，两者互相制约，互相影响，只有当两者不发生变化时，才也变化，两者互相制约，互相影响，只有当两者不发生变化时，才称之为稳定。所以这个过程需要一定的时间称之为稳定。所以这个过程需要一定的时间本实验特别在风量较大变化时稳定时间较长本实验特别在风量较大变化时稳定时间较长。2021/8/6175、为何风量、为何风量，壁温，壁温根据管外根据管外Q=0Atm知，知，因为管外蒸汽温度因为管外蒸汽温度ts不变，若壁温不变，若壁温tw不变，则不变，则tm也不变，也不变，传热面积传热面积A是不变的。是不变的。当风量当风量，Q，只有使，只
17、有使0。根据分析，管外蒸汽冷凝最理想的为滴状冷凝，但实际情根据分析，管外蒸汽冷凝最理想的为滴状冷凝，但实际情况也同时存在膜状冷凝。对膜状冷凝，随着管外冷凝量增加，况也同时存在膜状冷凝。对膜状冷凝，随着管外冷凝量增加，其液膜只会变厚，导致其液膜只会变厚，导致0只会减小，则只会减小，则:tm，tm=ts-tw，tw一定随风量增加而减小。一定随风量增加而减小。2021/8/6186 6、风量、风量GG，管外蒸汽温度不变，问空气通过加热管后的温升，管外蒸汽温度不变，问空气通过加热管后的温升t=tt=t3 3-t-t1 1 如何变化？假如进口气温不变，出口气温如何变化？如何变化？假如进口气温不变，出口气
18、温如何变化？从而可知随风量从而可知随风量G，温升，温升t一定一定当然，进口气温当然，进口气温t1不变，则不变，则t3一定一定。由管内热量衡算方程和传热速率方程知：由管内热量衡算方程和传热速率方程知：GCpt=Atm假定风量假定风量到到2倍时，倍时，G2=2G1Cp由于随温度变化很微小，可认为不变；由于随温度变化很微小，可认为不变； GG，由前知，由前知twtw，管内平均气温，管内平均气温tt。因。因此此tmtm认为近似不变认为近似不变2021/8/6197 7、工业上用于蒸气冷凝加热的一般如何设计？本实验装置有何缺点、工业上用于蒸气冷凝加热的一般如何设计？本实验装置有何缺点？ 本实验为何管外本
19、实验为何管外蒸气冷凝管内空气的蒸气冷凝管内空气的？答：蒸气走管外（壳程）：答：蒸气走管外（壳程）：能及时移走冷凝液，不影响冷凝传热面积；能及时移走冷凝液，不影响冷凝传热面积；蒸气上进下吹：可加速冷凝液向下流动速度，降低液膜厚度，提高蒸气上进下吹：可加速冷凝液向下流动速度，降低液膜厚度，提高。答：本实验装置为回收方便冷凝液则采用的是下进上吹，对单根管影响不大。答：本实验装置为回收方便冷凝液则采用的是下进上吹，对单根管影响不大。主要原因是方便回收冷凝液。主要原因是方便回收冷凝液。答：答：蒸气冷凝蒸气冷凝管内，原因有：管内，原因有：因为对任何对流传热，其传热热阻可以认为集中在传热膜内，根据：因为对任
20、何对流传热，其传热热阻可以认为集中在传热膜内，根据：Q=AtA及及t可认为不变可认为不变由于相变化放出的潜热由于温差而传递的显热，所以有相变化的由于相变化放出的潜热由于温差而传递的显热，所以有相变化的会远远会远远大于无相变化的大于无相变化的，这是主要原因；，这是主要原因；另外，对于本实验的管内走的是气体，由于气体的另外，对于本实验的管内走的是气体，由于气体的液体的液体的，也会造成，也会造成小，这是次要原因。即使管内也是水，管内外小，这是次要原因。即使管内也是水，管内外一样，但因为有上述的主要原因，一样，但因为有上述的主要原因，同样管外的有相变的同样管外的有相变的管内管内。2021/8/6208
21、 8、工业上为何用饱和蒸气冷凝加热而不用过热蒸气？、工业上为何用饱和蒸气冷凝加热而不用过热蒸气？过热蒸气冷凝机理分析：过热蒸气冷凝机理分析：、当冷凝壁温、当冷凝壁温Tw饱和蒸气温度饱和蒸气温度Ts时时壁面无冷凝，此时给热过程与普通的对流给热过程完全相同，即属于壁面无冷凝，此时给热过程与普通的对流给热过程完全相同，即属于无相变给热，反而无相变给热，反而很小。很小。、当冷凝壁温、当冷凝壁温Tw饱和蒸气温度饱和蒸气温度Ts时时壁面上有冷凝现象发生，对于过热蒸气，冷凝过程是由蒸气冷却和冷壁面上有冷凝现象发生，对于过热蒸气，冷凝过程是由蒸气冷却和冷凝两个串联步骤组成。此时，在过热蒸气和冷凝膜间存在着一个
22、中间层，凝两个串联步骤组成。此时，在过热蒸气和冷凝膜间存在着一个中间层，通过这个中间层，蒸气温度降至饱和温度。对液膜而言，传热推动力仍是通过这个中间层，蒸气温度降至饱和温度。对液膜而言，传热推动力仍是Ts-Tw，并不因中间层的存在而改变。因此，其效果和饱和蒸气相同。，并不因中间层的存在而改变。因此，其效果和饱和蒸气相同。根据以上分析，工业上通常采用饱和蒸汽而不采用过热蒸汽，一是从根据以上分析，工业上通常采用饱和蒸汽而不采用过热蒸汽，一是从工艺上讲，饱和蒸气比过热蒸汽温度恒定，不会引起壁面温度工艺上讲，饱和蒸气比过热蒸汽温度恒定，不会引起壁面温度TwTs，操，操作运行更稳定可靠；二是从经济上讲，
23、饱和蒸汽的经济性优于过热蒸气。作运行更稳定可靠；二是从经济上讲，饱和蒸汽的经济性优于过热蒸气。2021/8/6219 9、为何风量调节不均匀增加？、为何风量调节不均匀增加？ 如果风量均匀增加，因为其变化结果如果风量均匀增加，因为其变化结果Nu=AReB不符合线形关系，而在对数在坐标上不符合线形关系，而在对数在坐标上标绘的点就会不均匀，若有意将实验点大致按对数规律分布，可是实验结果点在对数坐标绘的点就会不均匀，若有意将实验点大致按对数规律分布，可是实验结果点在对数坐标上分布更均匀。如图示：标上分布更均匀。如图示：对于内径为对于内径为18mm风量调节：风量调节：10，12，14，17，20，24，
24、28，322021/8/6221010、如何提高换热器效果？、如何提高换热器效果？ 1、提高管内给热系数、提高管内给热系数提高管内湍动程度：提高流速或内螺纹。提高管内流速可采用小型换热器或多程；提高管内湍动程度：提高流速或内螺纹。提高管内流速可采用小型换热器或多程；但这均会增加管内阻力能耗。但这均会增加管内阻力能耗。2、提高管外给热系数、提高管外给热系数提高管外湍动程度：管外折流挡板、多壳程和外管螺纹。但这均会增加管外阻力提高管外湍动程度：管外折流挡板、多壳程和外管螺纹。但这均会增加管外阻力能耗。能耗。3、提高导热系数、提高导热系数采用高导热系数的金属材料，如铜材采用高导热系数的金属材料，如铜
25、材4、合理设置流程和放置、合理设置流程和放置如被冷却的流体可以走壳程；为提高蒸汽冷凝效果，蒸汽应上进下吹；为提高蒸如被冷却的流体可以走壳程；为提高蒸汽冷凝效果，蒸汽应上进下吹；为提高蒸汽冷凝系数减少管外液膜厚度采用水平管错排放置。汽冷凝系数减少管外液膜厚度采用水平管错排放置。5、选择合理的换热器、选择合理的换热器如能用直接加热的最好采用直接加热器，能利用环境温度的尽量采用风冷或自然如能用直接加热的最好采用直接加热器，能利用环境温度的尽量采用风冷或自然冷方式。冷方式。2021/8/6231212、关于直接加热、间壁换热、交替换热、关于直接加热、间壁换热、交替换热 直接加热：冷直接加热：冷+热热=
26、一致，同时进行，效果最好一致，同时进行，效果最好间壁换热：冷升热降，同时进行，效果适中间壁换热：冷升热降，同时进行，效果适中交替换热：热降冷升，交替进行，用于废热回收。交替换热：热降冷升，交替进行，用于废热回收。1313、关于管式换热器和板式换热器、关于管式换热器和板式换热器 换热效果：板式好于管式，同样换热面积占地小换热效果：板式好于管式，同样换热面积占地小应用限制：板式对流体压力、腐蚀性、颗粒等要求高应用限制：板式对流体压力、腐蚀性、颗粒等要求高维护保养：板式一般维护复杂。维护保养：板式一般维护复杂。1414、关于双管程列管换热器、关于双管程列管换热器 普通双管程：受热应力影响大，易维护普
27、通双管程：受热应力影响大，易维护U型管：不受热应力影响，但不易维护型管：不受热应力影响，但不易维护浮头式：不受热应力影响，易维护，但费用高。浮头式：不受热应力影响，易维护，但费用高。2021/8/6241515、关于列管换热器、关于列管换热器 列管直径：越小越有利于传热，但能耗大，易堵塞；列管直径：越小越有利于传热，但能耗大，易堵塞；折流挡板：有利于管外流体湍动，但越多能耗大；折流挡板：有利于管外流体湍动，但越多能耗大；膨胀节（补偿圈）：当冷热流体平均温差超过膨胀节（补偿圈）：当冷热流体平均温差超过50时应设置膨胀节，时应设置膨胀节，以补偿列管和外筒的热应力，避免损坏。但造价较高。以补偿列管和
28、外筒的热应力，避免损坏。但造价较高。采用双管（壳）程主要是提高管内（外）流体的流速以提高其传热采用双管（壳）程主要是提高管内（外）流体的流速以提高其传热系数。但能耗增加。系数。但能耗增加。1616、关于板式换热器、关于板式换热器 薄直板式：换热面积可调，易维护，对压力、腐蚀性要求高；薄直板式：换热面积可调，易维护，对压力、腐蚀性要求高；螺旋板式：换热效果很好，对腐蚀性、颗粒等要求高，不易维护；螺旋板式：换热效果很好，对腐蚀性、颗粒等要求高，不易维护；板翅式：结构紧凑，错流接触。对颗粒等要求高，不易维护。板翅式：结构紧凑，错流接触。对颗粒等要求高，不易维护。2021/8/625本实验时间安排17
29、周的周五之前必须交本次和上次离心泵实验报告日期日期时间时间内容内容专业专业/组组7号号周三周三上午上午10:0-12:00物理物理308下午下午1:40-3:30南南1301集体预习集体预习09制药制药09工艺、过控工艺、过控7号号周三周三下午下午1:0-2:20；2:20-3:403:40-5:00;5:00-6:20现场预习现场预习09制药制药1，09制药制药209过控过控1;09过控过控28号号周四周四下午下午1:00-2:20;2:20-3:40现场预习现场预习09工艺工艺1;09工艺工艺29号号周五周五上午上午8:3-10:0；10:0-11:40下午下午12:3-14:00现场预习现场预习09过控过控3；09工艺工艺3;09工艺工艺413号号周二周二上午上午10:0-12:0;13:0-15:0操作操作09过控过控1;09工艺工艺114号号周三周三上午上午8:10-10:0；10:0-12:0下午下午1:00-3:00;3:00-5:00操作操作09过控过控2；09制药制药109制药制药2;09工艺工艺216号号周五周五上午上午8:20-10:0;10:0-12:0下午下午1:0-3:0操作操作09工艺工艺3;09工艺工艺4；09过控过控32021/8/626Happy New Yearto you !2021/8/627
