化工原理实验-传热实验.docx

化工基础实验报告
传热实验
——传热系数的测定
2011011743 分1 黄浩
实验日期：2013-11-15
同组实验者：周昱、曹庆辰、陈辰
地点：化工实验教学中心108室
实验内容：传热系数的测定
一、实验目的
（1）掌握传热系数K、给热系数α和导热系数λ的测定方法。
（2）比较保温管、裸管、汽水套管的传热速率，并进行讨论。
（3）掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。
二、实验原理
根据传热基本方程、牛顿冷却定律及圆筒壁的热传导方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速率Q以及各相关温度，即可算出K、α和λ。
（1）测定汽-水套管的传热系数K [W/(m2·℃)]
𝐾=𝑄/𝐴Δ𝑡𝑚
式中：A——传热面积，m2；
Δ𝑡𝑚——冷、热流体的平均温差，℃；
Q——传热速率，W；
𝑄=𝑊汽×𝑟
式中：𝑊汽——为冷凝液流量（kg/s），
r——为汽化潜热（J/kg）。
（2）测定裸管的自然对流给热系数α [W/(m2·℃)]
𝛼=𝑄/𝐴(𝑡𝑤−𝑡𝑓)
式中：tW，tf——壁温和空气温度，℃。
（3）测定保温材料的导热系数λ [W/(m·℃)]
𝜆=𝑄𝑏/𝐴𝑚(𝑇𝑤−𝑡𝑤)
式中：q——热通量，W/(m2)
TW，tW——保温层两侧的温度，℃；
b——保温层的厚度，m；
Am——保温层内外壁的平均面积，m2。
三、实验流程与装置
该装置主体设备为“三根管”：汽水套管、裸管和保温管。这“三根管”与锅炉、汽包、高位槽、智能数字显示控制仪等组成整个测试系统。如图1：

图1 传热系数测定的实验装置示意图
工艺流程为：锅炉内加热的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷凝，冷凝液由计量管或量筒收集。三根管外情况不同：一根管外用珍珠岩保温；一根为裸管；还有一根为套管式换热器，管外有来自高位槽的冷却水。可定性观察到三个设备冷凝速率的差异，并测定K、α和λ。
1）各种设备的尺寸：
（1）汽-水套管：
内管均为𝜙16×1.5紫铜管；
套管为𝜙34×3不锈钢管；
管长L=0.6 m；
（2）裸管：
传热管为ϕ16×1.5紫铜管；
管长L=0.67 m；
（3）保温管：
外管为𝜙60×5有机玻璃管；
内管为𝜙16×1.5紫铜管；
管长L=0.63 m；
2）锅炉加热功率：0~6 kW。
3）冷却水流量：0~160 L/h。
4）温度测量采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用DS系列智能数字显示控制仪。
四、实验步骤与注意事项
（1）熟悉设备流程，检查各阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。
（2）打开锅炉进水阀，加水至液面计高度的2/3。
（3）将电热棒接上电源，并将调压器从0调至220 V，满功率加热，待出口有蒸汽溢出时，一定要关闭其中的两个加热阀，将加热功率调至适宜值。
（4）然后，打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值，并记录。
（5）待过程稳定（即热电偶15和16的温度相近）后，记录汽水套管、裸管、保温管单位时间内的冷凝液量及各相关热电偶1~16数值。汽-水套管一般记录60 s时间内的冷凝液量，裸管及保温管一般3 记录90s以上的冷凝液量。备注：热电偶温度与电压的关系：𝑇=0.0185+25.8123𝑢−0.7416𝑢2+0.0375𝑢3.
（6）重复步骤（5），直至数据重复性较好。注意：实验前后需各记录一个室温值。
（7）实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。
（8）实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其1/2高度。
（9）注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。
（10）锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。
五、原始数据记录表格
1. 环境条件
实验前气温
24.0°C
实验后气温
25.0°C
2. 数据表格
表1　保温管的给热系数α的原始数据
保温管
实验序号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
外壁温度/℃
热电偶编号
①
34.0
35.1
36.3
36.7
37.0
37.4
37.8
37.9
38.0
②
34.9
36.0
37.2
37.6
38.0
38.4
38.7
38.9
39.0
③
35.2
36.6
37.9
38.2
38.5
38.9
39.1
39.1
39.1
内壁温度/℃
④
100.7
100.7
100.6
100.7
100.5
100.6
100.5
100.5
100.4
⑤
100.7
100.7
100.7
100.7
100.5
100.6
100.5
100.5
100.5
⑥
100.7
100.7
100.6
100.7
100.5
100.6
100.5
100.5
100.5
冷凝水体积/ml
2.0
2.2
1.6
3.0
3.4
2.8
3.8
4.4
3.8
测量时间/s
90
90
90
90
90
90
120
120
120
表2　裸管的自然对流给热系数α的原始数据
裸管
实验序号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
外壁温度/℃
热电偶编号
⑦
100.6
100.5
100.5
100.5
100.4
100.4
100.4
100.4
100.4
⑧
100.5
100.5
100.4
100.4
100.3
100.4
100.4
100.4
100.4
⑨
100.5
100.5
100.4
100.4
100.4
100.4
100.4
100.4
100.3
冷凝水体积/ml
3.5
4.4
3.8
3.4
3.4
3.6
5.2
5.0
5.0
测量时间/s
90
90
90
90
90
90
120
120
120
表3　汽-水套管的总传热系数K的原始数据
实验序号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
冷却水入口温度/℃
15.4
16.6
14.2
14.7
15.1
14.8
14.2
14.1
14.1
冷却水出口温度/℃
37.9
37.9
37.8
37.3
37.5
37.8
37.4
37.4
37.3
汽包温度/℃
100.4
100.4
100.2
100.3
100.2
100.3
100.2
100.2
100.2
套管出口温度/℃
100.9
100.8
100.8
100.9
100.8
100.8
100.7
100.7
100.7
原始读数/ml
未测
未测
未测
62.6
56.6
57.0
55.8
57.5
56.0
测量时间/s
/
/
/
68
60
60
60
60
60
六、实验结果与讨论
1. 保温材料的导热系数λ的测定：
在手册中查得，当温度为100℃时，饱和水蒸汽的冷凝潜热为2258.4kJ/kg=2258.4J/g
由给定的管路数据：保温壁壁厚b=17mm，保温层外半径r2=25mm、内半径r1=8mm，得rm=14.92mm，Am=2πLrm=0.0591m2
因水的密度随温度的相对变化不大，而且冷凝水的温度也不可知，因此认为1ml水~1g水。
因𝑄=𝑊汽×𝑟，𝜆=𝑄𝑏/𝐴𝑚(𝑇𝑤−𝑡𝑤)，可将原始表格处理为：
表4　保温管的给热系数α的处理数据
实验序号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
外壁温度均值/℃
34.700
35.900
37.133
37.500
37.833
38.233
38.533
38.633
38.700
内壁温度均值/℃
100.700
100.700
100.633
100.700
100.500
100.600
100.500
100.500
100.467
冷凝水体积/ml
2.000
2.200
1.600
3.000
3.400
2.800
3.800
4.400
3.800
测量时间/s
90
90
90
90
90
90
120
120
120
冷凝水流量/(g/s)
0.022
0.024
0.018
0.033
0.038
0.031
0.032
0.037
0.032
传热速率/(J/s)
50.187
55.205
40.149
75.280
85.317
70.261
71.516
82.808
71.516
导热系数/(W/(m·K))
0.219
0.245
0.182
0.343
0.392
0.324
0.332
0.385
0.333
考虑到前面几组可能存在测量方法和和传热未达到平衡等因素的影响，因此选取后六组进行平均，最后得：保温材料的导热系数𝜆=0.351 W/(m·K)
2. 裸管的自然对流给热系数α的测定
饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g，冷凝水的密度仍取1000kg/m3
而实验室气温，即裸管管外空气温度，取实验前后温度的平均值：24.5℃
由给定的管路数据：裸管外半径r=8mm，则A=2πLr=0.0337m2
因𝑄=𝑊汽×𝑟，𝛼=𝑄/𝐴(𝑡𝑤−𝑡𝑓)，可将原始表格处理为：

表5　裸管的自然对流给热系数α的处理数据
实验序号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
外壁平均温度/℃
100.53
100.50
100.43
100.43
100.37
100.40
100.40
100.40
100.37
冷凝水体积/ml
3.5
4.4
3.8
3.4
3.4
3.6
5.2
5
5
测量时间/s
90
90
90
90
90
90
120
120
120
冷凝水流量/(g/s)
0.039
0.049
0.042
0.038
0.038
0.040
0.043
0.042
0.042
传热速率/(J/s)
87.827
110.411
95.355
85.317
85.317
90.336
97.864
94.100
94.100
自然对流给热系数/(W/(m2·K))
34.276
43.109
37.263
33.341
33.370
35.317
38.261
36.789
36.805
因第二组实验结果明显偏大，因此去掉该组数据，可得到裸管的自然对流给热系数为：α=35.678W/(m2·s)
3. 汽-水套管的总传热系数K的测量
饱和水蒸汽的冷凝潜热仍取2258.4J/g，冷凝水的密度仍取1000kg/m3
一般情况下，工程中提到的总传热系数都是以外表面为基准的，由给定的管路数据：内管层的外半径为ro=8mm，则Ao=2πLro=0.0302m2
因汽-水形成逆流，而∆tm=∆t2-∆t1ln⁡∆t2∆t1
又因𝑄=𝑊汽×𝑟，𝐾=𝑄/𝐴Δ𝑡𝑚，可将原始数据处理为：
表6　汽-水套管的总传热系数K的处理数据（以水蒸气做热量衡算）
实验序号
一
二
三
四
五
六
△t1/℃
63
62.7
62.5
62.8
62.8
62.9
△t2/℃
86.2
85.7
86
86.5
86.6
86.6
△tm/℃
73.995
73.602
73.626
74.019
74.064
74.120
冷凝液体积/ml
62.6
56.6
57
55.8
57.5
56
测量时间/s
68
60
60
60
60
60
冷凝液流量/(g/s)
0.921
0.943
0.950
0.930
0.958
0.933
传热速率/(J/s)
2079.056
2130.424
2145.480
2100.312
2164.300
2107.840
总传热系数K/(W/(m2·s))
930.375
958.450
964.909
939.584
967.620
941.668
对上述六组数据取平均值，得汽-水套管的总传热系数K=950.434W/(m2·K)
因为还使用转子流量计记录了冷却水的流量，因而也可以以冷却水为研究对象进行热量衡算：Q=cpqm△t，其中△t为冷凝水的进出口温度差。又可将原始数据处理为：
表7　汽-水套管的总传热系数K的处理数据（以冷却水做热量衡算）
实验序号
一
二
三
四
五
六
△t1/℃
63
62.7
62.5
62.8
62.8
62.9
△t2/℃
86.2
85.7
86
86.5
86.6
86.6
△tm/℃
73.99
73.60
73.63
74.02
74.06
74.12
定性温度T/℃
26
26.3
26.3
25.8
25.75
25.7
转子流量计/(L/h)
80
80
80
80
80
80
冷却水流量/(kg/s)
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
传热速率/(J/s)
2100.29
2081.71
2137.47
2156.05
2165.35
2156.05
总传热系数K/(W/(m2·K))
939.88
936.53
961.31
964.52
968.09
963.21
对上述六组数据取平均值，得汽-水套管的总传热系数K=955.58 W/(m2·K)，与之前使用内层水蒸气做热量衡算的结果相似，但比它稍大，这是因为冷却水还与外层空气做热量交换，总传热量=与水蒸气的传热量+与空气的传热量，测得的传热系数就偏大，不如使用内层水蒸气做热量衡算准确。
七、实验结果讨论
经过三个管路的实验，我们最终得到了如下结果：
保温材料的导热系数λ
裸管的自然对流给热系数α
汽-水套管的总传热系数K
0.351 W/(m·K)
35.678W/(m2·K)
950.434W/(m2·K)
我们通过实验得到了三根传热管的𝜆、α和K，但𝜆的单位与另外两者不同，因此可使用热阻R来比较传热能力（保温能力）：
对于保温材料，R=(r2-r1)/ 𝜆Am=0.8195K/W，对于裸管，R=1/αA=0.8317 K/W，对于汽水套管，R=1/KA=0.0348 K/W。这似乎与我们的认知有偏差，保温材料应比裸管的热阻大才符合常理，实际上这二者可比性不大，因为一个是固体传热，另一个是对流换热，而且保温材料的换热面积大，这会使得它的热阻下降。但在实际中，保温材料两侧的温差更小，传热推动力小，因而传热速率更低。
八、思考题
1.观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因
答：保温管的传热速率为76.116W，裸管的传热速率为91.277W，汽-水套管的传热速率为2121.2W，因此传热速率：保温管<裸管<汽水套管。保温管的传热速率慢，是因为其壁较厚，而且材料的导热系数小；裸管其次，是因为自然对流的条件下给热系数很小；而汽水套管的传热最快，是因其为强制对流，给热系数较大。
2.测定传热系数K时，按现实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷却水测定传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，冷却水走管内，用哪种方法更准确？为什么？
答：该问在之前的数据处理中已经讨论过了——使用管内冷凝液进行热量衡算更准确，因为它只与套管进行热量交换，而管外冷却水还与管外空气进行对流换热，得到的总传热系数偏大。如果改变流程，冷却水走管内，则使用管内冷却水进行热量衡算更准确。
3. 汽包上装有不凝气排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其作用。
答：不凝气排放口安装在汽包上方，而冷凝液排放口在汽包下方。不凝气排放口是为了排出水蒸气中的不凝气，防止其积累或者进入换热管中，影响热量衡算的准确性。冷凝液排放口也有相似作用，但位置不同。
4.若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后Δ𝑡𝑚值是否相同？
答：不同。原实验装置是逆流，平均温差大，而调换后是并流，平均温差较小。
5.在间壁两侧流体的对流给热系数α相差较大时，壁温接近哪侧温度？欲提高K值，应从哪侧入手？
答：壁温较接近α大的一侧流体的温度。而当α相差较大时，K更接近α较小的一侧，因此，欲提高K值，应从α较小的一侧入手，增加该侧的对流给热系数。