水蒸汽给热系数测定实验指导书.docx
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水蒸汽给热系数测定实验指导书
水－蒸汽给热系数测定
实验指导书
对流给热系数测定实验
一、实验目的
1．了解间壁式传热元件,掌握给热系数测定的实验方法；
2．观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象，测定水在圆形直管内的强制对流给热系数；
3．了解影响给热系数的因素和强化传热的途径；
4．了解热电阻测温方法、涡轮流量计测流量方法，学会使用变频器。
二、基本原理
在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，称为间壁式换热。
如图（4－1）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
（4－1）
式中：
Q－传热量，J/s；
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；
－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；
－固体壁面与冷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（4—2）计算，
（4－2）
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（4—3）计算，
（4－3）
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，℃。
在本装置的套管换热器中，换热桶内通水蒸汽，内铜管管内通水，水蒸气在铜管表面冷凝放热而加热水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
（4—4）
式中：
V冷流体体积流量，m3/s；
ρ 冷流体密度，kg/m3；
CP 冷流体比热，J/（kg·℃）；
t1、t2冷流体进、出口温度，℃；
α2冷流体对内管内壁的对流给热系数，W/（m2·℃）；
A2 内管的内壁传热面积，m2；
（tw－t）m内壁与流体间的对数平均温度差，参照式（4－3）可得，℃；
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，则由式（4－1）可得：
（4—5）
若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积A2，壁温tw1、tw2，则可通过式（4—5）算得实测的冷流体在管内的对流给热系数α2。
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，
（4－6）
式中：
Nu－努塞尔数，
，无因次；
Re－雷诺数，
，无因次；
Pr－普兰特数，
，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。
－流体与固体壁面的对流传热系数，W/（m2∙℃）；
d－换热管内径，m；
－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；
cp－流体的比热，J/（kg∙℃）。
故可由实验获取的数据点拟合出相关准数后，即可作出曲线，并与经验公式的曲线对比以验证实验效果。
三．装置与流程
本实验装置由蒸汽发生器、涡轮流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。
装置参数中：
紫铜管规格12×2mm，即内径为8mm，长度为1m；冷流体最大流量为0.45m3/h，涡轮流量计的测量下限为0.2m3/h。
1—水泵；2—冷流体管路；3冷流体进口调节阀；4—涡轮流量计；5—冷流体进口温度；6—惰性气体排空阀；7—蒸汽温度；8—视镜；9—冷流体进口温度；10—压力表；11—冷凝水排空阀；12—蒸汽进口阀；13—冷凝水排空阀；14—蒸汽进口管路；15—冷流体出口管路；16—冷流体进口管壁温度；17—冷流体出口管壁温度；18—水箱；
图4-1水-水蒸气换热流程图
水—汽体系：
来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与来自水箱的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。
冷水经增压泵和涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），水流量可用阀门调节或变频器自动调节，热交换后进入下水道。
注意本实验中，冷流体并非循环使用，实验过程中需要给水箱连续通水源。
四．实验步骤
1.手动操作
（1）检查仪表、水泵、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查进系统的蒸气调节阀是否关闭。
（2）打开总电源开关、仪表电源开关（由教师启动蒸汽发生器和打开蒸气总阀）；
（3）启动水泵；
（4）调节手动调节阀的开度，阀门全开使水流量达到最大；
（5）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：
关闭进系统的蒸气调节阀，打开蒸汽管冷凝水排放阀）；
（6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀，打开进系统的蒸气调节阀，使蒸汽缓缓进入换热器环隙以加热套管换热器，再打开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至地沟；
（7）仔细调节进系统蒸气调节阀的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.1MPa左右（可通过微调惰性气体排空阀使压力达到需要的值），以保证在恒压条件下操作，再根据测试要求，由大到小逐渐调节水流量手动调节阀的开度，合理确定6个实验点。
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、冷流体进出口壁温以及蒸汽温度；
（8）实验终了，首先关闭蒸气调节阀，切断设备的蒸汽来路，关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。
2.自动操作
（1）前7步准备工作同手动操作；
（2）打开“对流给热系数测定实验.MCGS组态文件，进入“对流给热系数测定实验软件”界面，点击“对流给热系数测定实验”按钮，进入实验界面。
（3）当一切准备就绪后单击“开始按钮”开始实验，根据测试要求，由大到小逐渐调节变频器，控制水流量，合理确定6个实验点，待稳定后点击数据自动采集或分别从数显表上读取冷流体流量、冷流体进出口温度、冷流体进出口壁温以及蒸汽温度；
（4）当测好所需的实验次数后单击“停止”按钮停止实验。
若实验完毕单击“退出实验”。
回到“对流给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。
（5）实验终了，首先关闭蒸气进口调节阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，再关闭变频器，然后关闭蒸汽发生器、仪表电源开关及切断总电源。
整理实验场所。
3．注意事项
（1）一定要在套管换热器内管输以一定量的空气或水，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
（2）开始通入蒸汽时，要缓慢打开蒸汽阀门，使蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”不得少于10min。
（3）操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.2MPa（表压）以下，因为在此条件下压力比较安全。
（4）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下，并且随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。
一般热稳定时间都至少需保证5分钟以上，以保证数据的可靠性。
1、.实验原始数据记录
实验次数
冷流体流量m3/h
冷流体进口温度t1/°C
冷流体出口温度t2/°C
蒸汽温度
°C
冷流体进口壁温tw1°C
冷流体出口壁温tw2°C
1
0.13
24.2
68.4
103.2
71.7
87.4
2
0.12
24
69
103.4
72.2
88
3
0.11
23.8
70.5
103.4
73.8
89.5
4
0.10
23.6
71.3
103.2
75.1
90.4
5
0.09
23.3
73.0
103.4
78.7
91.8
6
0.08
23.1
74.4
103.2
79.8
92.2
7
0.07
23
75.4
103.3
79.1
94.4
8
0.06
22.9
78.1
103.4
81.8
96.4
9
0.05
22.9
79.7
103.4
90.8
97.2
10
0.04
22.9
80.7
103.4
92.4
97.8
2、根据记录所得数据，分别计算冷流体的平均温度ｔ，并查数据表得各个温度下得Cp，计算的（t2-t1）、（tw１-t１）,（tw2-t2）、（tw-t）m=
并代入公式α2=
，即可求得α2，如下表:
实验次数
平均温度t°Ｃ
冷流体温差（t2-t1）/°Ｃ
冷流体进口壁温差（tw１-t１）/°Ｃ
冷流体出口壁温差（tw2-t2）/°Ｃ
壁面与冷流体的对数平均温差（tw-t）m°Ｃ
各温度下Cp/（KJ`Kg-1`K-1）
传热面积A2/m2
对流传热系数α２/（W`m-2`℃-1）
1
46.3
44.2
47.5
19
31.10
4.174
0.0251
8525.45
2
46.5
45
48.2
19
31.37
7944.86
3
47.15
46.7
50
19
32.04
7399.45
4
47.45
47.7
51.5
19.1
32.67
6739.09
5
48.15
49.7
80.1
18.8
33.87
6095.30
6
48.75
51.3
56
17.8
35332
5682.63
7
49.2
52.4
58.8
19
35.23
4804.78
8
50.5
55.2
65
18.3
36.85
4148.39
9
51.3
56.8
67.9
17.5
37.17
3525.80
10
51.8
57.8
69.5
17.1
37.37
2855.2
3、由说的数据根据经验公式
=
计算出经验值
平均温度t/°Ｃ
对流传热系数（W•m-2•℃-1）
经验值
/（W•m-2•℃-1）
/㎏·m-3
Cp/
λ
w·m-1·K-1
µ×10-6/（Pa·S）
d/m-3
Re
Pr
46.3
8525.45
77277.80
989.82
4174
64.28
588.3
0.008
9674.72
0.03820
46.5
7944.86
72484.49
989.82
4174
64.28
588.3
0.008
8930.51
0.03820
47.15
7399.45
68111.81
988.89
4174
64.41
578.2
0.008
8321.48
0.03747
47.45
6739.09
63111.46
988.89
4174
64.41
578.2
0.008
7564.98
0.03747
48.15
6095.30
58486.07
988.96
4174
64.54
568.3
0.008
6927.58
0.03675
48.75
5682.63
53226.80
988.96
4174
64.54
568.3
0.008
6157.85
0.03675
49.2
4804.78
48215.83
988.96
4174
64.67
558.8
0.008
5479.72
0.03606
二、数据分析
实验测得对流传给热系数
经验值
/
相对误差ｄ
8525.45
77277.80
0.89
7944.86
72484.49
0.89
7399.45
68111.81
0.89
6739.09
63111.46
0.89
6095.30
58486.07
0.89
5682.63
53226.80
0.89
4804.78
48215.83
0.90
4148.39
42932.86
0.90
3525.80
37404.28
0.91
2855.20
31301.02
0.91
1）结果分析：
在对实验值与理论值进行比较得，在温度的较小时误差较大，随着温度的升高，误差减小。
但在t1=34.7℃时误差最小，即在空气流速最大时，产生的误差最小。
所以迪图斯-贝尔特公式在本实验中适合于空气进口温度为31~39℃，此时误差较小。
2）产生误差的原因可能有：
随着温度的升高，气体的粘度增大；空气流量减小使空气流速减小使传热过程更复杂。
2、实验数据图表：
由图表得拟合曲线方程：
y=0.8x-3.7723；
则m=0.8；
ln（A）=-3.7723；
A=e-3.7723=0.0230；
所以实验数据可证明教材中的经验式Nu/Pr0.4=0.023Re0.8的准确性。
五、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Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。
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。
计算冷流体质量所用的密度值是用冷流体进口温度下得密度值即24°C时的密度值。
而求雷诺数的密度值是用蒸汽的密度值即103°C的密度值。
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：
如果冷凝水不及时排走，冷凝水进去后的温度较高，达不到冷凝的效果。
打开冷凝口排空阀，将冷凝水排进到地沟里去。
不同压强的蒸汽进行实验，测得的温度不同，温度上升α上升温度下降α下降，成正比关系。
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