化工原理实验报告——横管对流传热系数的测定

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本科实验报告

过程工程原理（乙）实验 李林泽 控制系

自动化 3110103950

杨国成

2013年10月29日

一、实验目的

1. 掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素

和强化传热的途径。

n

2. 把测得的数据整理成Nu=BRe形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。 3. 了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。

二、实验装置与流程

本实验装置流程如图所示，实验装置由正气发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。装置参数如表所示：

1—风机 2—蒸汽发生器 3—孔板流量计 4—压差传感器 5—普通套管换热器 6—强化套管换热器 t1,t2,t2’,T1,T,T’,Tw1,Tw2,Tw1’,Tw2’—温度传感器

空气—水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。空气经孔板流量计进入套管换热器的内管（紫铜管），流量通过变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。

注意：本实验中，普通和强化实验通过管路上的切换阀门进行切换。

三、实验原理

在工业生产过程中，大量情况下，采用间壁式换热方

式进行换热。所谓间壁式换热，就是冷、热两种流体之间 T

有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流

体不直接接触，通过固体壁面（传热元件）进行热量交换。

本装置主要研究汽—气综合换热，包括普通管和加强 管。其中，水蒸汽和空气通过紫铜管间接换热，空气走紫

铜管内，水蒸汽走紫铜管外，采用逆流换热。所谓加强管，

t

是在紫铜管内加了弹簧，增大了绝对粗糙度，进而增大了

空气流动的湍流程度，使换热效果更明显。

1. 空气在传热管内对流传热系数的测定

如图所示，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。

间壁式传热元件，在传热过程达到稳态后，有

Q m1cp1 T1 T2 m2cp2 t2 t1

1A1 T TW M 2A2 tW t m （1） KA tm

式中： Q － 传热量，W；

m1 － 热流体的质量流率，kg / s； cp1 － 热流体的比热，J / (kg ℃)； T1 －

热流体的进口温度，℃； T2 － 热流体的出口温度，℃； m2 － 冷流体的质量流率，kg / s；

cp2 － 冷流体的比热，J / (kg ℃)； t1 － 冷流体的进口温度，℃； t2 － 冷流体的出口温度，℃；

1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ℃)；

A1 － 热流体侧的对流传热面积，m2；

T TW m－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；

2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ℃)；

A2 － 冷流体侧的对流传热面积，m2；

tW t m － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；

K — 以传热面积A为基准的总传热系数，W/( m2 ℃) A — 传热面积，m2；

tm — 冷、热流体的对数平均温差，℃

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（2）计算，

T TT1 TW1 T2 TW2

W m

lnT1

TW1T2 TW2

式中：TW1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；

TW2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（3）计算，

t1 t1 tW2 t2

W t tWm

lntW1 t1

tW2 t2

式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；

tW2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。 热、冷流体间的对数平均温差可由式（4）计算：

t T1 t2 T2 t1

m

lnT1 t2T2 t1

冷流体（空气）质量流量m2可由式（5）计算：

m2 V' 0

2）

3）

（4）

（5） （ （

式中： V’——空气实际体积流量，m3/s; ρ0——空气在孔板处的密度，kg/m3。本实验中ρ0即为空气在进口温度下对应的密度。 注意：空气在无纸记录仪上显示的体积流量，与空气流过孔板时的密度有关，考虑到实际过程中，空气的进口温度不是定值，为了处理上的方便，无纸记录仪上显示的体积流量是将孔板处的空气密度ρ0当作1kg/m3时的读数，因此，如空气实际密度不等于该值，则空气的实际体积流量应按下式进行校正

V'

V

（6）

式中： V——无纸记录仪上显示的空气体积流量，m3/s。

在本装置的套管换热器中，换热桶内通水蒸汽，紫铜管内通空气，水蒸气在紫铜管表面冷凝放热而加热空气。当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温，在传热过程达到稳定后，由式（1）可得：

m2CP2(t2 t1) 2A2(tW t)m （7）

即

m2CP2(t2 t1) （8）

2

A2(tw t)m

1

实验中测定出紫铜管的壁温tw1，tw2；冷流体的进出口温度t1、t2，并查取t平均=2(t1 t2)

下冷流体对应的Cp2、试验用紫铜管的长度l、内径d2，A2=πd2l和冷流体的质量流量m2，即可计算出α2。

一般情况下，直接测量固体壁面温度，尤其是管内壁温度，实验技术难度较大，因此，工程上也采用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传热系数，下面介绍其他两种测定对流传热系数α2的实验方法。

（1）近似法求算空气侧对流传热系数α2

以管内壁面积为基准的总传热系数与对流传热系数间的关系为：

11bddd（9） Rs2 2 Rs12 2K 2 dmd1 1d1

式中： d1 ——换热管外径，m；

d2 ——换热管内径，m； dm ——换热管的对数平均直径，m； b ——换热管的壁厚，m； λ ——换热管材料的导热系数， W/(m·℃); Rs1——换热管外侧的污垢热阻， m2·K/W； Rs2——换热管外侧的污垢热阻， m2·K/W。 总传热系数K可由式（1）求得：

K

m2cp2(t2 t1)Q

A tmA tm

（10）

实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均=面积A，即可由上式计算得到总传热系数K。

1

(t1 t2)下冷流体对应的cp2、传热2

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流传热系数约为几十到几百W/m2·K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数α1可达~104W/m2·K左右，因此冷凝传热热阻略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻Rs1

2 1

2 1 1

也可以忽略。实验中的传热

元件材料采用紫铜，导热系数为383.8W/m·K，壁厚为1.5mm，因此换热管壁的导热热阻 2可

忽略。若换热管内侧的污垢热阻Rs2也忽略不计，则由式（9）得：

α2≈K （11）

（2）简易Wilson图解法求算对流传热系数α2

简易Wilson图解法求算对流传热系数α2的原理和方法见《过程工程原理实验（乙）》附录二。

2. 准数方程式

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，传热准数经验式为：

Nu 0.023Re0.8Prn （12） 式中：Nu－努塞尔数，Nu

d

，无因次；

，无因次；

Re－雷诺数，Re

du

Pr－普兰特数，Pr

cp

，无因次；

上式适用范围为：Re＝1.0×104～1.2×105，Pr＝0.7～120，管长与管内径之比L/d≥60。当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3。

－ 流体的导热系数，W / (m ℃)； u － 流体在管内流动的平均速度，m / s； － 流体的密度，kg / m3；

－ 流体的粘度，Pa s。

故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，在双对数坐标纸上，即可作出Nu~Re直线，确定Nu=BRen的拟合方程，并与经验公式的曲线对比，以验证实验效果。

四、实验步骤

1.手动操作

（1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常； （2）蒸汽发生器灌水至液位2/3处； （3）打开总电源开关、仪表电源开关，选择管路，并与仪表显示一致后，开启蒸汽发生器，加热。（在仪表中通过PID的调节，可调节加热功率。）同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100℃左右；

（4）等有大量不凝气体冒出时，蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开相应的换热器冷凝水排放阀（冷凝水排放阀度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排出；接着，应降低加热功率（有足够的蒸气满足实验要求即可，一般控制在40%左右）；

（5）启动风机。 （6）调节风量至实验值进行实验。根据测试要求，由大到小逐渐调节空气流量（在仪表中，通过PID的调节，控制变频器，进而控制风机的功率），合理确定4个实验点(即可手动调节流量，也可以设定流量）。待流量和热交换稳定后，分别读取冷流体流量、冷流体进出口温度、热流体进出口壁温以及蒸汽温度；

（7）实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95℃以下后，再关闭风机电源。关闭总电源，将实验装置恢复成原状。

2.自动操作

（1）前5步准备工作同上操作；

（2）打开“综合传热系数测定实验.MCGS组态文件，进入“综合传热系数测定实验软件”界面，点“综合传热系数测定实验”按钮，进入实验界面； （3）输入正确的“实验批号”、“姓名”、“学号”、“装置号”后，点击“确定”按钮，进入实验。

（4）点击“竖管传热系数测定实验”按钮，进入实验。

（5）将鼠标移至“竖管传热系数测定实验”上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现竖管传热系数测定实验主窗口。

（6）点击“普通管实验”或“强化管实验”按钮，选择实验。

（7）将鼠标移至“加热器气相温度”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现加热温度设定窗口。

（8）加热温度设定窗口默认初始为手动状态，如上图，按实验要求输入加热温度输出值，点击“改变输出值”按钮，调节加热功率，此时，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度。注意：A.此处的加热温度输出值并不是真正的加热温度大小，而是希望输出加热功率占最大功率的百分比，数值在0-100之间，低于或高于此范围会按最小值0或最大值100处理。B.输入要求的输出值后，若按回车键，下方的百分比填充构件中的输出值也会随之上升相应的高度，但是数据并没有真正传到实验装置的仪表中。因此，必须用鼠标点击“改变输出值”按钮来实现加热温度的调节。

此时，可通过手动先调加热功率为100%，同时，稍微开启两个不凝气体排出阀，控制温度在100℃左右。等有大量蒸气产生时，打开相应的换热器冷凝水排放阀，再调小功率，满足试验要求的蒸气量即可。

（9）点击设定窗口中的“手动”按钮，将加热温度调节切换为自动状态，同样可以达到调节加热温度的效果。此时，“输出”比例填充构件失去作用。与手动状态不同的是，此处输入的设定值为实际加热温度的大小，范围为实际的量程，不足或超过量程会按两个最值处理。在确认修改时，仍与手动方式一样，需要点击“改变设定值”按钮。步骤8与步骤9效果相同，但在此实验中，只能用手动；

（10）将鼠标移至“冷流体流量”的数值上，指针转变为手型。单击鼠标左键，出现流量设定窗口。

（11） 流量控制和加热控制一样。待有大量蒸气冒出时，可以打开风机，手动或自动调节流量；

（12）等实验数据稳定，点击实验主界面中的“数据采集”按钮，记录数据，也可点击“数据浏览”按钮，浏览历史数据；

（13）多次改变流量，采集适量数据后，可点击“强化管实验”按钮，进行强化管实验，操作方法同普通管，也可以退出实验，步骤同（14）、(15)；

（14） 待实验完成后，点击“退出”按钮，返回“退出实验”窗口，回到“综合传热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统；

（15） 回到“综合传热系数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统；

（16） 实验结束时，先关闭蒸汽发生器电源，待蒸汽发生器内温度下降至95℃以下后，再关闭风机电源。关闭总电源，将实验装置恢复原状。

3.注意事项

（1）开始加热功率可以很大，但当温度达到100℃左右，有大量不凝气体排出时，加热电压一般控制在250V左右。

（2）实际试验管路要和仪表柜上选择开关及计算机上的显示一致，否则实验失败。 （3）实验中不凝气体阀门和冷凝水阀门要一直开启，防止积水，影响实验效果。 （4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下。一般传热稳定时间都至少要保证8分钟以上，以保证数据的可靠性（第一组数据的测定至少稳定15分钟）。

（5）实验过程中，要确保蒸汽发生器内水位不能低于警戒水位。

五、实验数据记录及处理

普通管

2.数据处理

已知参数：由管长为980mm，外径为19mm，壁厚为1.5mm

可知冷流体对流传热面积A2=0.0493m2）

选取普通管第一组数据，计算过程如下：

由给定的实验条件可以得知，实验采用的紫铜管内径为d2=16mm=0.016m， 有效长度为l=980mm=0.98m，计算得到传热面积A2=πd2l=4.926×10-2 m2 冷流体空气密度为： 2=1.1 / 3 空气导热系数： λ=0.028 /( ) 壁面与冷流体对数平均温度：( ) =

( 1 1) ( 2 2)

ln(1 2 2

≈

( 1 1) ( 2 2)

ln(1) 2 2

=

(102.6 21.7) (102.466 62.7)

ln(

102.466 62.7

=58.331℃

冷流体与壁面传热系数： 2=

=

2 2( 2 1)

=

√0 2( 2 1)

3600 2

√×19.9022×1005×(62.7 21.7)

=87.388 /( 2 ℃)

2 2

努赛尔系数： =雷诺数： =

2 0

=

87.388×0.016

0.028

=49.936

=25336.583

=4

√0 2 ×3600

=

√900 ×0.016×0.0000196

普兰德数： =

2

=

1005×0.0000196

0.0283

=0.686

曲线拟合

对Nu-Re数据进行y=ax形式的非线性拟合，并将拟合后的曲线表示在双对数坐标图中，如下所示：

强化管

对Nu-Re数据进行y=ax形式的非线性拟合，并将拟合后的曲线表示在双对数坐标图中，

如下所示：

六、实验结果相关分析

（1）Nu-Re曲线及与实际经验公式的比较

根据上面处理的数据，得到普通管的Nu-Re曲线如“图一”所示：

普通管通过拟合得到曲线方程为 =0.0394 0.7051，因为相关系数有0.9959，非常接近1，所以拟合曲线的效果可以认为非常好。公认的经验公式为 =0.023 0.8 04=0.023×0.68560.4×R 0.8=0.0198R 0.8

将两个曲线绘制到一张图上，可以发现实际实验得到的曲线与公认经验曲线在实验测得的雷诺数范围内比较接近：

实验效果良好。

根据实验数据得到的强化管Nu-Re曲线如“图二”所示：

强化管通过拟合得到曲线方程为 =0.0589 0.6926，因为相关系数有0.9505，也比较接近1，所以拟合曲线的效果也可以认为不错。公认的经验公式为 =0.023 0.8 04=

0.023×0.69120.4×R 0.8=0.0198R 0.8 。

将两个曲线绘制到一张图上，可以发现实际实验得到的曲线与公认经验曲线在实验测得的雷诺数范围内趋势和变化速度是相当接近的：

但相同的雷诺数下，实际实验曲线得到的Nu值更大。

分析原因：因为强化管里加了弹簧，传热能力增强，所以与一般圆管的传热能力相比，强化管要更强一些，相同的流速（即反映了相近的雷诺数）下，传热系数更大（反映了更大的努赛尔数），所以普通管实验得到的曲线和经验公式较为一致，强化管实验得到的曲线比经验公式更大一些。

（2）普通管和强化管的对比

从表格中可以看出，在相同的蒸汽流量下，相同流量和温度的进口空气下，强化管的传热系数和空气的出口温度明显大于普通管。所以强化管传热能力更强。

影响传热系数的因素有很多，首先是流体的流动类型和引起流动的方式，相同条件下，湍流要比层流传热更好。然后是流体的热物理性质，包括比热容、导热系数、密度黏度等都对传热系数有影响，然后是传热面的几何因素，传热表面的形状、大小、流体和传热面做相对运动的位置和方向和传热面的表面状况都有关系。

如果在传热流体已经确定的情况下，像本实验，增强传热的途径可以是增强湍流程度，像采用加弹簧的方式，使流体流过时湍流程度增加，增强传热。另外可以增大传热面积，或者更改传热面的形状使其更好的传热。同时减少管壁的污垢热阻，减少与环境的换热，也是增强换热的一个途径。

（3）整体分析与误差分析

普通管和加强管的Re和Nu的关系都比较符合迪图斯-贝尔特关系，加强管的曲线更加接近理论情况，但同时二者均有一定误差。

由实验结果，我们还验证了强化管的传热效果明显好于普通管，其原因在于强化管中加入了弹簧，使管内流体湍流更剧烈。

误差分析：

1、迪图斯-贝尔特公式适用于流体与管壁间温差不大的场合，一般要求气体的温差不超过50℃，而在此次实验中，流体间温差均略高于50℃。存在一定误差。

2、实验中，查表得到的数据有微小误差。

3、系统本身存在的系统误差，如温度引起的各敏感元件测量误差，仪表误差、显示误差等等。

七、思考题

1. 实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响？

答：无影响，因为蒸汽进口的温度和出口冷凝水的温度基本一致，是通过蒸汽凝结成相同温度的水放出的热使冷空气加热，所以无论逆流还是并流都对传热效果没有影响。 2. 在计算冷流体质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别

表示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算？

答：不一致，计算冷流体质量流量时，m

V 式中的密度值是空气

在进口温度下对应的密度。雷诺数Re

du

，式中的密度值是定性温度下空气的密度。

3. 实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

答：冷凝水要及时排走，否则如果紫铜管外壁上液态水过多，形成水膜，会改变传热系数，大大影响传热

效果，除此之外，如果冷凝水积攒过多，还会影响蒸汽的流动，影响传热效果和引发不安全问题。在实验过程中要一直打开冷凝水排放阀，阀开启的大小保持在有微量蒸汽放出即可。采用不同压强的蒸汽进行实验，对 关联式基本无影响，因为纯蒸汽在竖壁上湍流膜状冷凝时的对流传热系数：

2

(32)

g

*

13

2 rg 1.13[](32)

L(ts tw) g

3

2

1413

当压强增加时，气化潜热r 和同时变大，比例几乎相等，其他参数基本不变，所以对关联式基本无影响。

4. 为什么冷流体用的是风机进口的空气，而不是风机出口的空气？

答：因为风机在工作时会对空气进行加热， 导致出口空气的温度是升高的，而进口的空气温度基本不变，为了保证冷流体进口温度基本不变，所以用风机进口的空气，但是流量就不能提的太大。

5. 竖管外包的材料是什么，有什么作用？

答：包的是保温材料，防止蒸汽与环境外空气过多热交换，减少热损失。