化工基礎實驗報告實驗名稱 傳熱系數的測定 班級—姓名—學號—成績 實驗時間 同組成員 一.實驗預習實驗目的掌握傳熱系數K、給熱系數a和導熱系數入的測定方法；比較保溫管、裸管、汽水套管的傳熱速率，并進行討論；掌握熱電偶測溫原理及相關二次儀表的使用方法。實驗原理根據傳熱基本方程、牛頓冷卻定律及圓筒壁的熱傳導方程，已知傳熱設備的結構尺寸，只要測得傳熱速率Q以及各相關溫度，即可算出K、a和入了。測定汽-水套管的傳熱系數K_QK-礙式中：A 傳熱面積，m2；ATm——冷、熱流體的平均溫差，弋；Q——傳熱速率，W：Q=W汽曠式中：W汽一一為冷凝液流量，kg/s,r——為汽化潛熱J/kgo(2)測定裸管的自然對流給熱系數a[W/(nP.°C)]Qa=— TA(tw-tf)式中：tw,tf一一壁溫和空氣溫度，°C。(3)測定保溫材料的導熱系數入[W/(m-°C]]Qb

Am(Tw—tw)式中：保溫層兩側的溫度，°C；b——保溫層的厚度，m；Am——保溫層內外壁的平均面積，m2流程裝置該裝置主體設備為“三根管”：汽水套管、裸管和保溫管。這“三根管”與鍋爐、汽包、高位槽、智能數字顯示控制儀等組成整個測試系統。如下圖：實驗操作工藝流程為：鍋爐內加熱的水蒸氣送入汽包，然后在三根并聯的紫銅管內同時冷凝,冷凝液由計量管或量筒收集。三根管外情況不同：一根管外用珍珠巖保溫；一根為裸管；還有一根為套管式換熱器，管外有來自高位槽的冷卻水。可定性觀察到三個設備冷凝速率的差異，并測定K、a和入。具體實驗步驟如下：熟悉設備流程，檢查各閥門的開關情況，排放汽包中的冷凝水。打開鍋爐進水閥，加水至液面計高度的2/3。將電熱棒接上電源，并將調壓器從0調至220V,滿功率加熱，待出口有蒸汽溢出時，一定要關閉其中的兩個加熱閥，將加熱功率調至適宜值。然后，打開套管換熱器冷卻水進口閥，調節冷卻水流量為某一值，并記錄。待過程穩定（即熱電偶15和16的溫度相近）后，記錄汽水套管、裸管、保溫管單位時間內的冷凝液量及各相關熱電偶1?16數值。汽?水套管一般記錄60s時間內的冷凝液量，裸管及保溫管一般記錄90s以上的冷凝液量。（注：熱電偶溫度與電壓的關系：7,=0.0185+25.8123u-0.7416u2+0.0375u3）重復步驟（5）,直至數據重復性較好。注意：實驗前后需各記錄一個室溫值。實驗結束，切斷加熱電源，關閉冷卻水閥。實驗中注意觀察鍋爐水位，使液面不低于其1/2高度。注意系統不凝氣及冷凝水的排放情況。鍋爐水位靠冷凝回水維持，應保證冷凝回水暢通。

數據處理與討論實驗中原始數據記錄見表1。表1原始數據記錄熱電偶數據熱電偶編號三組電壓示數/u平均電壓/u11.461.481.501.481.561.581.601.5831.601.621.611.6144.264.264.264.2654.274.274.274.2764.274.274.274.2774.264.264.264.2684.254.254.254.2594.254.254.254.25130.720.720.710.72141.401.391.401.40154.254.224.224.23164.264.264.264.26其他數據室溫/°c25.2(起始)25.7(結束)25.5(平均)流量數據管道三組流量平均流量（ml/s）裸管(ml/90s)4.03.84.40.045保溫管(ml/90s)3.43.23.80.039水汽管(ml/min)5254550.894其他數據室溫/弋25.2（起始）；25.7（結束）；25.5（平均）冷卻水流量90L/niin根據熱電偶電壓和溫度的數學關系，求算相關溫度。表2相應溫度數據管道位置平均電壓/V溫度/°c保溫管外壁1.5638.6內壁4.2799.6裸管管壁4.2599.2汽-水管冷卻水進口0.7218.2△Ti二80.6°C蒸汽出口4.2398.8冷卻水出口1.4034.7aT2=64.7°C蒸汽進口4.2699.4ATm=72.4°C

(1)測定汽-水套管的傳熱系數K[W/(m2?°C)]汽?水套管的結構尺寸如下：內管：①=16x1.5

外管：①=34x3

管長：L=0.6m查表知“汽=pq=998X0.894xlO^6=0.892x10~3kg/sr=2257.2kJ/kg則Q=W..r=2013.4J/s=2013.4W又知A=TidjL=0.03m2,△臨=72.4°C根據K=A^可求得20134K=03x72.4""W/koc)計算裸管的自然對流給熱系數Q裸管的結構尺寸：①=16X1.5;L=0.67m同理，可計算放熱量為：Q=W..r=p?g?廠=998X0.045x10~6X2257.2x103W=101.4W傳熱面積為：A=it?d內L=itX16x10~3x0.67m2=0.03368m2壁溫取熱電偶⑦、⑧.⑨的平均值算，空氣溫度取實驗前后室溫的半均值算:tw=99.2°C

tf=25.5°C故裸管的自然對流給熱系數為:QA(tw-tf)QA(tw-tf)101.40.03368X(99.2-25.5)=40.85W/(m2-°C)計算保溫材料的導熱系數久保溫管的結構尺寸如下：

內管：內管：①=16x1.5外管：①=60x5管長：L=0.67m放熱量為:Q=W汽r=p-q-r=0.039x10-6x998x2257.2x103W=87.85W保溫層厚度為：b=(60-5x2)-16xi()_3m=()()i7m2保溫層內、外壁的面積分別為:Al=7T?diL=TTx16x10一3x0.63m2=0.031667m2A2=it?d2L=itx50x10一3x0.63m2=0.09896m2保溫層內外壁的平均面積為：Am=A1~A2=0.05906m2保溫層內壁溫取熱電偶④、⑤、⑥的平均值算：tw=99.6°C保溫層外壁溫取熱電偶①、②、③的平均值算：tw=38.6°c故保溫材料的導熱系數為:QbAm(Tw一QbAm(Tw一tw)=0.415W/(m2-°C)0.05906X(99.6-38.6)綜上所算，結果如表3所示:表3數據處理結果系數名稱傳熱系數KW/(m2?°C)自然對流給熱系數aW/(m2-°C)導熱系數入W/(m?°C)計算值927.040.850.415結果綜合分析分析三種管的傳熱系數，可以發現，傳熱速率越快的傳熱系數越大。汽水套管使用冷卻水對蒸汽進行冷卻，速率最快；裸管通過空氣對流傳熱，傳熱速率較慢；保溫管由于存在保溫層保溫，傳熱速率最慢。思考題:(1)觀察并比較三根傳熱管的傳熱速率，說明原因。答：汽水套管利用冷卻水湍流，通過強制對流，使內壁直接與蒸汽進行熱傳導,Vat+d,/dca,套管外匕在實驗涉及的材料中最大，故對于實驗組測出的K值最大。裸管管壁與空氣直接接觸，空氣的傳熱能力比較差，且實驗處于自然對流，裸管的熱阻相對于汽水套管較大，其傳熱速率相對小。保溫管因為外包保溫材料，對流速度極大下降，且自身傳熱性能不高，使導熱散失大大降低、有很好的保溫效果。因此三根管傳熱速率由大到小：汽水套管、裸管、保溫管。實際實驗結果與此分析一致。2） 在測定傳熱系數K時，按現實驗流程，用管內冷凝液測定傳熱速率與用管外冷卻水測定傳熱速率那種方法更準確？為什么？如果改變流程，使蒸汽走環隙，冷卻水走管內，那種方法更準確？答：用管外冷卻水測定傳熱速率的方法更準確。如采用管內通冷凝水，則水蒸汽不僅會與內管冷凝水進行熱交換，還將與管外空氣進行熱傳導。由于蒸汽的溫度遠高于空氣的溫度，這種情況下的熱交換相較于冷卻水在管外時與空氣的熱交換更為顯著，引入的誤差較大，所以用管外冷卻水測定K更準確。改變流程時分析同上，且使用內管冷卻水時將會引入更大的誤差。3） 汽包上裝有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意兩口的安裝位置特點并分析其作用。答：不凝氣排放口在氣包遠離進氣口一端的上側；冷凝液排放口在偏向進氣口一端的下側，并連有一根長管使部分冷凝液回流至水槽。設置不凝氣排放口的主要目的是為了防止蒸汽從排放口直接排放到大氣中，造成損失，同時可以保證氣包內的氣壓為一個大氣壓。冷凝液排放口則主要使氣包中的液體盡量排凈，防止冷凝液進入三根待測管中，造成實驗誤差，同時可以使蒸汽可以順利進入三根傳熱管，另外起著回流循環的作用。4） 若將汽-水套管的冷卻水給水出口，入口調換，則調換前后值是否相同？答：調換前后△陰相同。因為在汽-水套管中，高溫流體水蒸氣在傳熱過程中發生了相變而保持溫度不變，嚴格意義上沒有并流或逆流之分，因此只要進出口溫度相同，其平均溫度4臨必然相等。5） 在間壁兩側流體的對流給熱系數相差較大時，壁溫接近哪側溫度？欲提高K值，應從哪側入手？答：壁溫接近a大的那側溫度，因為a大對應的熱阻較小，熱交換充分，因此溫度也接近。忽略套管厚和其他熱阻，K_11/久+1/久由此式可分析得，K的大小受到較小“值的影響較大，因此，可通過提高較小的a值以增大K值。小結與自評通過本次實驗，我和同學們一起達成了實驗目的：學習了傳熱系數K、給熱系數a和導熱系數入的測定方法；并參考計算結果，比較了保溫管、裸管、汽水套管的傳熱速率，也展開了相應的討論；此外，我們也通過本次實驗熟悉了熱電偶測溫原理及相關二次儀表的使用方法。在實驗中，我們組成員之間不斷進行討論，共同認識、分析著所面