2009年5月55日 化工原理实验报告 朱庆书
总传热系数与对流传热系数的测定
一、实验目的
1．了解间壁式换热器的结构与操作原理； 2．学习测定套管换热器总传热系数的方法； 3．学习测定空气侧的对流传热系数；
4．了解空气流速的变化对总传热系数的影响。
二、实验原理
本实验采用套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。
实验流程如图1所示。
图1. 传热实验装置流程图
7-旋塞 8-空气进口温度计 9-空气出口温度计 10-不凝气排放口
1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-冷凝水排放筒
套管换热器5由不锈钢管（或紫铜管）内管和无缝钢外管组成。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气的进出口温度。内管的进、出口端及中间截面外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。
不锈钢管规格?21.25?2.75，长1.10米 S=?doL=0.0734m2 紫铜管?16?2，长1.20米 S=?doL=0.0603m2 转子流量计（空气，0~20m3/h，20℃） 数字显示表SWP-C40
此设备的总传热系数可由下式计算：
K??T?t进???T?t出?Q 其中 ?tm?
T?t进S??tmlnT?t出式中：Q——传热速率，W；
S——传热面积，m2；S=?doL
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?tm——对数平均温度差，℃
T——饱和蒸汽温度，℃，根据饱和蒸汽压力查表求得；
t进、t出——分别为空气进、出口温度，℃。
通过套管换热器间壁的传热速率，即空气通过换热器被加热的速率，用下式求得：
Q?ms?cp??t出?t进?， W
其中，Cp应取进、出口平均温度下空气的比热容。W=Vs??，其中?为进口温度下空气的密度。 对流传热系数的计算公式为
Q???S??tm
式中
S─内管的内表面积，m2；
?─空气侧的对流传热系数，W/(m2??C)； ?tm─空气与管壁的对数平均温度差，?C。 ?tm??tw1?t1???tw2?t2?t?tlnw11tw2?t2
所得到的?值可以仿照Dittus-Boelter equation进行关联：
Nu?式中
?idi?0.023Re0.8Pr0.4 ?diu?Re─Reynolds number雷诺准数，Re??Cp??
Pr─Prandtl number普朗特准数，Pr??
空气的物性参数应取进、出口平均温度下的值。
实验过程中，蒸汽阀门和冷凝水排放阀都应保持开通，避免冷凝水在器内积存。
空气的流量Vs由转子流量计测得，单位为体积流量m3/h。当通过转子流量计的空气温度不是20℃是，需根据密度变化进行流量校正。若转化为质量流量，需根据通过转子流量计的空气的温度查表得到水的密度，此温度即空气入口处温度。
实验过程中，锅炉内的水蒸气压力由控温仪自动控制在0.05（0.04）MPa，此压力为表压力，水蒸气的温度应由其绝对压力查表得到。在此，水蒸气温度为110.4（109.4）℃。
三、实验步骤
1．实验开始时，先开通锅炉加热器开关，等待蒸汽压力达到设定的0.05MPa，打开放气阀及冷凝水排出阀使套管中空气及积聚的冷凝水排净。放气阀在整个实验过程中，稍稍开启，以便不凝性气体能连续排出，不致积累。然后，打开气泵，通空气，并保持旁路始终开通，避免气泵因憋气过热而烧坏。
2．调节空气的流量，从低流速开始，做8个点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强
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维持稳定，空气出口温度不变后，才可记录数据。需记录的数据包括：空气的流量和进、出口温度。
3．实验完毕后，关闭气泵，关闭加热电源。
四、数据处理与讨论
1．总传热系数K的测定
本实验所用的装置为不锈钢管，相应的数据处理如下：
不锈钢管外表面积So=0.0734m2 内管横截面积1.9473?10-4 m2 蒸汽温度T=110.4℃
表1. 总传热系数的测定数据与处理结果
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 空气 流量 m3/h 4 5 6 7 8 9 10 11 空气 流速 m/s 5.71 7.13 8.56 9.99 11.41 12.83 14.26 15.69 空气 进口温度℃ 32.8 32.5 32.5 32.5 32.6 32.9 33.3 33.7 空气 出口温度℃ 96.9 96.8 96.4 96.0 95.7 95.3 94.8 94.4 传热速率Q 总传热系数K 82.84 103.9 123.9 143.6 147.98 181.4 198.7 215.7 30.8 38.4 45.4 47.2 52.0 64.8 70.3 75.9 以第三组数据为例：
?tm??T?t进???T?t出?lnT?t进T?t出? (110.4?32.5)?(110.4?96.4)77.9?14??37.2?C110.4?32.577.9lnln110.4?96.414平均温度tm=(32.5+96.4)/2=64.45?C
查表，在此温度下空气的比热容为1.007kJ/(kg??C) 在32.5?C的进口温度下，密度为1.155kg/m3
若不对流量计读数进行校正，可采用如下计算方法
Q?6?1.155?1.007?103?(96.4?32.5)?123.9J/s 3600K?Q123.9??45.4W/(m2?K)
S??tm0.0734?37.2若对流量计进行温度校正，则需采用以下步骤
Vs??Vs?2061.20566.126????1.021??1.702?10?3m3/s ?32.536001.15536003600Q?1.702?10?3?1.155?1.007?103?(96.4?32.5)?126.5W
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