化工原理の传热实验

一、实验目的

1、学习传热系数的测定方法；

2、学习传热膜系数及其准数联式的测定方法。 二、实验原理

本实验有套管换热器4套，列管式换热器4套，首先介绍套管换热器。

套管换热器管间进饱和蒸汽，冷凝放热以加热管内的空气，实验设备如图2-2-5-1（1）所示。

传热方式为：冷凝—传导—对流 1、传热系数可用下式计算： K?q[W/m2?k] (1)

A??tm

图2-2-5-1（1） 套管换热器示意图 式中：q——传热速率[W] A——传热面积[m2] △tm—传热平均温差[K] 1传热速率q用下式计算： ○

q?VS?Cp(t2?t1)[W] （2） 式中：VS?Vh/3600——空气流量[m/s]

3

Vh——空气流量[m/h]

3

?——空气密度[kg/m3]，以下式计算：

??0.4645(Pa——大气压[mmHg]

Rp——空气流量计前表压[mmHg] t1——空气进换热器前的温度[℃]

Cp——空气比热[J/kg?K]，查表或用下式计算：

pa?RP)[kg/m3] （3）

273?t1 - 1 -

Cp?1009?0.04tm[J/kg?K] （4） tm=(t1+t2)/2——空气进出换热器温度的平均值（℃） t2——空气出口温度[℃]

②传热平均面积A：

A??dmL[m2] （5）

式中：dm=传热管平均直径[m]

L—传热管有效长度[m ]

③传热平均温度差△tm用逆流对数平均温差计算：

T←——T t1——→t2 ?t1?(T?t1),?t2?(T?t2)

?tm??t1??t2 (6) ?t1ln?t2式中：T——蒸汽温度[℃]

2、传热膜系数（给热系数）及其关联式

空气在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数可用下面准数关联式表示：

mn Nu??0RePr （7）

式中：Nu——努塞尔特准数

Re——雷诺准数 Pr——普兰特准数

αo——系数，经验值为0.023 m——指数，经验值为0.8

n——指数，经验值为：流体被加热时n=0.4，流体被冷却n=0.3 为了测定传热膜系数，现对式（7）作进一步的分析：

Nu??d （8） ?α——空气与管壁间的传热膜系数[W/m2·k] 本实验可近似取α=K[传热系数]，也可用下式计算：

??qAi(tW?tm) （9）

Ai——传热管内表面积[m2] tW——管壁温[℃]

tm——空气进、出口平均温度[℃] d——管内径[m]

λ——空气的导热系数[W/m·k]，查表或用下式计算：

λ=0.0244+7.8×10-5tm （10） Re?du?? （11）

- 2 -

u——空气在加热管内的流速[m/s]

μ——空气定性温度（tm）下的粘度[pa·s]，查表或用下式计算：

μ=1.72×10-5+4.8×10-8tm （12）

d，ρ——意义同上。 Pr?CP?? （13）

Cp, μ, λ——意义同上

在定性温度tm=50~70℃时普兰特准数值Pr=0.698~0.694，取平均值为0.696，那么Prn=0.6960.4=0.865，代入式（7）即可得如下的实验关联式：

m Nu??Re （14）

式中α=0.865αo，测定α、m值后，再算出αo值，即可得到本实验的准数关联式（7）的形式。

三、 实验流程

本实验套管换热器流程如图2-2-5-2（a）所示，它为双套管并装换热器，其中一套的内管为光滑铜管，另一套为螺纹铜管（图中只画出其中一套设备）。冷空气由风机1送入，经表压计2测定表压，流量计3测定流量，阀4调节气量，温度计5测定进口温度，进套管换热器6被加热，热空气出口温度由7测量。进套管间的蒸汽由温度计8测量温度，压力表9测定压强，阀10调节进汽量。冷凝水由疏水器12排除，管间的不凝气由放空管11定期排放。另外，管壁及各测温点还配有热电偶测温装置。

本实验列管换热器流程如图2-2-5-2（b）所示，冷空气由风机1送入，经阀2调节气量，气体流量计3测定流量并由气体加热器12将空气加热到指定温度，经温度计4测定进口温度后送入列管式换热器，冷却后的空气由温度计5测量温度，然后排出换热器；进换热器的水的流量由阀10调节，经液体流量计9测定流量及温度计6测定温度后进入换热器，冷热流体在列管的管壁上进行热量交换，经加热的水由温度计8测定温度后排出换热器。

9115饱和蒸汽6热空气10874122冷凝水冷空气1

1—风机 2—表压计 3—流量计 4—空气调节阀 5—进口温度计 6—换热器主体 7—出口温度计 8—蒸汽温度计 9—蒸汽压力表 10—蒸汽调节阀

3 - 3 -

11—不凝气放空管 12—疏水器

图2-2-5-2（a） 套管式传热实验装置流程图

实验装置结构参数

管径 大气压= 管径 大气压= 管径 大气压= 四、 实验步骤

1、向锅炉加水至指定水位，通电加热至锅炉产生蒸汽压1.5kg/cm2（表）左右，待用。 2、关闭调节阀4，起动风机1，慢慢开启阀4至最大，观察流量压差计3的最大读数量程，确定5—6组读数及每组读数的压差值。

3、开启蒸汽阀10进汽，压力表9控制在0.5[kg/cm2]（表）左右，同时打开放空阀11至有蒸汽排出时关闭。

4、按拟好的压差量程，空气的流量由大至小测取读数（但不能测流量为零的读数）每组读数包括空气流量、表压、进出口温度和蒸汽进口温度。若用液体温度计测温度，要求读到0.1℃，若用热电偶测温，可由电位差计的读数查表而得温度。

5、数据测量完毕，先关蒸汽后停风机。

6、由测得的流量压差读数，根据流量曲线图查出相应的流量。

五、实验报告要求 1、计算传热系数K值。

2、计算Nu准数及Re准数，并用下列方法之一关联出传热膜系数的通用关联式。 (a)在双对数坐标纸上关联； (b)用最小二乘法关联。

六、原始数据及数据处理：

Φ18.8×1mm 103KPa Φ18.8×1mm 103 KPa Φ18.8×1mm 103 KPa 组号 Vh/(m3/h) Rp/(mmHg) t1/(℃) 2 34.2 28 39.6 3 31.8 29 39 4 26.0 34 39.4 5 22.8 37 39.4

- 4 -

t2/(℃) 88 90 91 91 T/(℃) 113 113.5 114 114