热工过程及设备祥解.docx
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热工过程及设备祥解
目录
实验一流体力学综合实验2
实验二燃料热值的测定（氧弹法）7
实验三球体法导热系数的测定.12
实验四套管换热器液-液换热实验..................16
附录1铜－康铜热电偶分度表20
附录2精密数字温度温差仪使用方法21
实验一流体力学综合实验
流体力学综合实验台为多用途实验装置，其结构示意图如图1所示。
图1流体力学综合试验台结构示意图
1.储水箱2.上、回水管3.电源插座4.恒压水箱5.墨盒
6.实验管段组7.支架8.计量水箱9.回水管10.实验桌
利用这种实验台可进行下列实验：
一、雷诺实验；
二、能量方程实验；
一、雷诺实验
1．实验目的
（1）观察流体在管道中的流动状态；
（2）测定几种状态下的雷诺数；
（3）了解流态与雷诺数的关系。
2．实验装置
在流体力学综合实验台中，雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水（蓝墨水）盒及其控制阀门、上水阀、出水阀，水泵和计量水箱等，秒表及温度计自备。
3．实验前准备
（1）、将实验台的各个阀门置于关闭状态。
开启水泵，全开上水阀门，把水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱的水有少量溢流，并保持水位不变。
（2）、用温度计测量水温。
4．实验方法
（1）、观察状态
打开颜料水控制阀，使颜料水从注入针流出，颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水，此时雷诺实验管中的流动状态为紊流；随着出水阀门的不断的关小，颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减弱，直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流，此时雷诺实验管中的流动为层流。
（2）测定几种状态下的雷诺系数
全开出水阀门，然后在逐渐关闭出水阀门，直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。
按照从小流量到大流量的顺序进行实验，在每一个状态下测量体积流量和水温，并求出相应的雷诺数。
实验数据处理举例：
设某一工况下具体积流量Q=3.467×10-5m3/s，雷诺实验管内径d=0.014m，实验水温T=5℃，查水的运动粘度与水温曲线，可知微v=1.519×10-6m2/s。
流速
雷诺数
m3
图2雷诺数与流量的关系曲线
2雷诺数与流量的关曲线根据实验数据和计算结果，可绘制出雷诺数与流量的关系曲线（图2）。
不同温度下，对应的曲线斜率不同。
3）测定下临界雷诺数
调整出水阀门，使雷诺实验管中的流动处于紊流状态，然后缓慢地逐渐关小出水阀门，观察管内颜色水流的变动情况。
当关小某一程度时，管内的颜料水开始成为一条线流，即为紊流转变为层流的下临界状态。
记录下此时的相应的数据，求出下临界雷诺数。
4）观察层流状态下的速度分布
关闭出水阀门，用手挤压颜料水开关的胶管二到三下，使颜料水在一小段管内扩散到整的断面。
然后，在微微打开出水阀门，使管内呈层流流动状态，这是即可观察到水在层流流动时呈抛物状，演示出管内水流流速分布。
注：
每调节阀门一次，均需等待稳定几分钟。
关小阀门过程中，只许渐小，不许开打。
随着出水流量减小，应当调小上水阀门，以减少溢流流量引发的振动。
二、能量方程实验
1、实验目的
（1）、观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况，并对实验中出现的现象进行分析，从而加深对能量方程的理解。
（2）、掌握一种测量流体流速的原理。
2、实验装置
流体力学综合实验台中，能量方程实验部分涉及的有上水箱、能量方程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板（图中未给出）和计量水箱等。
3、实验前准备工作
开启水泵，全开水阀门使水箱注满水，再调节上水阀门，使水箱水位始终保持不变，并有少量溢出。
4、实验方法
（1）、能量方程实验
调节出水阀门至一定开度，测定能量方程实验管的四个断面四组测压管的液柱高度，并利用计量水箱和秒表测定流量。
改变阀门的开度，重复上面方法进行测试。
根据测试数据的计算结果，绘出某一流量下各种水头线（如图3），并运用能量方程进行分析，解释各测点各种能头的变化规律。
可以看出，能量损失沿着流体流动方向增大的；Ⅰ与Ⅲ比较，两点管径相同，所以动能头基本相同，但Ⅲ点的压力能头比Ⅰ增大了，这是由于位置能转化而得来的；Ⅰ与Ⅱ比较，其位置能头相同，但Ⅱ点比Ⅰ点的压力能头大，这是图3各种水头线
由于管径变粗；速度减慢，动能头转化为压力能头；Ⅲ与Ⅳ比较，位置能头相同，但压力能头小了，可明显看出，是压力能头转化为速度能头了。
实验结果还清楚的说明了连续方程，对于不可压缩的流体稳定流动，当流量一定时，管径粗的地方流速小，细的地方流速大。
2）测速
能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管，可测得管内的流体速度。
由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线，所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。
皮托管求点速度的公式为：
式中u---毕托管测点处的点速度；
c---毕托管的教正系数；
h---毕托管全压水头与静水压水头差。
联立上两式可得
式中u---测点处流速，有毕托管测定；
---测点流速系数；
---管嘴的作用水头；
在进行能量方程实验的同时，就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。
测试结果记入表二中，如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度，可根据该截面中心处的最大流速。
雷诺数与平均流速的关系，参考有关流体力学求出。
表2-1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
流量
左
右
左
右
左
右
左
右
m3/s
⒈
总水头
压力水头
速度水头
能量水头
⒉
总水头
压力水头
速度水头
能量水头
能量方程管断面的中心线距几厂基准线高（mm）
能量方程管内径d（mm）
静水头（mmH2O）
表2-2
Ⅰ
d1（mm）
Ⅱ
d2（mm）
Ⅲ
d3（mm）
Ⅳ
d4（mm）
轴心速度
平均速度
实验二燃料热值的测定（氧弹法）
一.实验目的
单位燃料完全燃烧后所放出的热量称为热值，它是衡量燃料质量优劣的重要指标之一。
燃料热值可用氧弹量热计直接测定。
1．了解氧弹量热计的构造和使用，掌握固体燃料热值测定原理和方法。
2．测定量热计的热容量K值。
3．测定燃料的热值。
二.实验原理
将已知量的燃料置于密封容器（氧弹）中，通入氧气，点火使之完全燃烧，燃料所放出的热量传给周围的水，根据水温升高度数计算出燃料热值。
测定时，除燃料外，点火丝燃烧，H2SO4和HNO3的生成和溶解也放出热量；量热计本身（包括氧弹.温度计.搅拌器和外壳等）也吸收热量；此外量热计还向周围散失部分热量，这些计算时都应考虑加以修正。
量热计系统在实验在条件下，温度升高1℃所需要的热量称为量热计的热容量。
测定之前，先使已知发热量的苯甲酸（量热计标准物质、热值为6329卡/克）在氧弹内燃烧，标定量热计的热容量K。
设标定时总热效应为Q，测得温度升高为Δt，测得热容量为K=Q/Δt
量热计的热容量如果已由实验室测定，同学可不必再测。
测定时，再将已知量的被测燃料置于氧弹中燃烧，如测得温度高为Δtx，则燃烧总效应为：
Qx=K×Δtx
再经进一步修正计算出燃料的热值（具体计算方法见后面）。
三.实验装置
量热计的构造（见图1）,氧弹的构造（见图2）。
1．搅动棒；2．外筒；3．内筒；4．垫脚；5．氧弹；6．传感器；
7．点火按键；8．电源开关；9．搅拌开关；10．点火输出负极；
11．点火输出正极；12．搅拌指示灯；13．电源指示灯；14．点火指示灯。
四.实验方法和步骤
1．煤样准备
为保证完全燃烧测定热值的煤样,应粉碎至粒度小于0.2毫米,每次测定称煤样1.0～1.2克精确至0.0002克。
2.点火丝
点火丝有镍丝和铁丝,量出点火丝长度,计算点火丝重量（单位长度点火丝重量实验室已测好）。
3.量热计用水
量热计外筒中需注满与室温相差不超过0.5℃的水（一般已注好）。
量热计内筒用蒸馏水,为减少散热误差,内筒水温应比外筒水温低0.7℃.内筒注入的水量,以保证水面没至氧弹进气阀的2/3高度为宜,约3000克,需精确至0.5克.
4.装样料
把氧弹的弹头放在弹头架上,将样品放入坩埚内,把坩埚放在燃烧架上.测量燃烧丝长度,然后将燃烧丝两端分别固定在弹头中的两根电极上,中部贴紧样品.（燃烧丝与坩埚壁不能相碰）在弹筒中注入10毫升的水,把弹头放入杯中（样品为苯甲酸，则不用注水）,用手拧紧。
5.充氧气
使用高压氧气瓶充氧必须严格遵守操作规程.开始先充入少量氧气（约0.5MPa）,然后开启出口,借以赶出弹中空气.再充入约1～2MPa的氧气.
6.装置安装
将氧弹小心放入量热计内筒，接好点火电线，盖上量热计盖,插入测温传感器探头，调好精密数字温度温差仪，打开搅拌开关和电源开关，实验开始读数,
7.实验读数
实验读数分为三期:
初期,主期和末期,三个期互相衔接.
初期:
由读数开始至点火为初期,用以记录和观察周围环境与量热计在实验开始温度下热交换的关系,以求得散热校正值.初期内半分钟记录温度一次,直至得到11个读数为止.第11个读数作为燃烧前水的温度th.
主期:
从第11个读数开始,在此阶段燃烧试样所放出的热量传给水和量热计,并使量热计设备的各部分温度达到平衡.
读取初期的第11个读数之后,立即接通点火开关,点火指示灯亮,随之在1～2秒内熄灭表示点火完毕,继续观察温度计读数,在主期内仍半分钟读取一次读数,并逐一记录下来.
点火后最初几次温度读数,因上升很快不易读准,可只读到0.01℃,但不少漏读,待温度上升减缓以后,而恢复读到0.001℃,一般在第一个半分钟内温度变化不大,然后就开始迅速上升,达到最高值后,就开始降温,开始下降的第一个温度读数为止为主期,第一个下降的温度读数作为水的最终温度tK。
温度在迅速升高后,也可能不再降低而继续上升,但上升愈来愈慢,这发生在室温较量热计温度为高的情况下.
这种情况下,仍需每半分钟读一次温度读数,当这一温度变化每分钟不超过0.003℃时,即认为主期结束,主持最后一个温度读数为水的最终温度tK.
末期:
这一阶段的目的与初期相同,是为了观察实验终了温度下热交换的关系.主期的最后一个温度读数tK作为末期的第一个读数,此后仍每半分钟读取一次温度读数,至第11次读数,末期结束,读数也结束.
8．装置拆卸
实验完毕,关闭搅拌开关和电源开关，拔出测温传感器探头，打开量热计盖,取出氧弹并擦干。
小心打开氧弹排气阀（切不可先拧开氧弹盖）,放出废气,响声停止后再拧开盖,检查弹内与弹盖,如有薄层烟渣或未燃尽的细粒,则实验失败,必须重做.
将内筒的水倒掉，擦干量热计所有设备，将弹头置于弹头架上。
五．实验数据记录
1）试样重量G
2）点火丝燃烧的净重量b
3）温度读数：
初期、主期、末期；
六．实验结果和分析
1、计算量热计的热容量K值：
K=（Qb×G+ɡ×b）/（tK-th+Δt）
式中：
Qb——苯甲酸（量热计标准物质）的热值为6329KJ/Kg
2、计算燃料燃烧的氧弹热值：
Qx=[K（tK-th+Δt）-ɡ×b]/GKJ/Kg
式中：
Qx——分析基试样的氧弹热值，KJ/Kg
Δt——热交换校正值，Δt=（V+V1）×（m+1）/2+V1×r
V——初期每半分钟间隔内温度变化的平均值，即初期第1个读数减去第11个读数被10除。
V1——末期每半分钟间隔内温度变化的平均值，即末期第一个读数被减去第11个读数10除。
m——主期快速升温后，每隔半分钟大于0.3℃的半分钟温度间隔数。
r——主期温度变化小于0.3℃的半分钟温度间隔数。
k——量热计的热容量KJ/℃。
ɡ——点火丝燃烧热KJ/Kg（3.3J/cm）
b——点火丝实际燃烧掉的净重量Kg
G——试样重量Kg
煤的高位发热值按下式计算：
Qg=Qx-（94.1×S+a×Qx）
式中：
Qg——分析基样品高位热值，KJ/Kg
Qx——分析基样品氧弹热值，KJ/Kg
S——由洗弹液测得的燃料含硫量，%；
a——硝酸生成热校正系数，贫煤、无烟煤取0.00410,
其他煤取0.00627。
3、实验结果分析。
七、思考题
1、实验完毕装置拆卸，氧弹必须排先放出废气后拧开氧弹盖,为什么？
2、温度读数应精确到多少？
点火后最初几次温度读数可只读到多少，为什么？
3、实验读数分几期，主期结束的标志是什么？
实验三球体法导热系数的测定
一、实验目的
1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法；
2.实验测定被测材料的导热系数λ；
3.绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。
二、实验原理
加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球
（1）组成。
小球内装有电加热器
（2）用来产生热量。
大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。
当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外球，再由外球传给空气。
1.大小同心球；
2.电加热器；
3.颗粒状试材；
4.铜康铜热电偶；
5.专用稳压电源；
6.专用测试仪；
7.底盘；
8.UJ36a电位差计图1加热圆球示意图
测取小球的温度t1，t2，t3,取其平均温度：
T1=（t1+t2+t3）/3；
测取大球的温度t4，t5,t6，取其平均温度：
T2=（t4+t5+t6）/3；
根据圆球导热公式：
λ=[UI（1/D1-1/D2）]/[2π（T1-T2）]-----------
（1）;
式中：
U——加热电压；I——加热电流；
D1——小球直径；D2——大球直径；
三、实验装置及主要技术指标
实验装置YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图2
专用电源的面板图见图3
图2YQF-1型导热系数测定仪的面板图图3专用电源的面板图
1．电源开关；2．电源指示灯；3．3.5位数显毫伏表；4．毫伏表调零电位器；5．补偿电压调节电位器；6．补偿按键；7．热电偶测量电压输出端；8．热电偶输入选择开关。
1．电源开关；2．电源指示灯；3．电压表；4．电流表；5．过载指示灯；6．电源输出端；7．电源输出粗调；8．电源输出细调。
1．加热圆球
1.1测量材料：
颗粒状材料，例如黄沙，珍珠岩等
1.2测量温度范围：
50℃～200℃
1.3加热电压：
0～60V加热电流：
0～1A（因不同的材料而不同）
1.4圆球尺寸：
小球直径D1=80mm大球直径D2=160mm
1.5稳定时间：
约4～5小时
2.导热系数测定仪
2.1数显毫伏表：
3.5位显示，量程0～20mV，测量精度：
0.1%±2个字
2.2温度补偿范围：
-10℃～40℃，补偿精度±0.5℃
3.专用电源
3.1输出电压：
0～80V
3.2输出电流：
0～1A
3.3连续工作时间：
>8小时
四、实验方法和步骤
使用前，先在加热圆球的顶部用漏斗装入测试材料，如果已加好试材，则可进行实验。
1.按图3所示进行仪器的连接。
稳压电源的输出通过电流表专用插头接到加热圆球底盘上的插座。
电源输出“+”端串接电流表。
电流表“-”与电源输出“-”端并接电压表。
2.将15芯信号线的一端插入加热圆球底座（7）专用插座，另一端插到导热系数测定仪后面板上的15芯插座上。
3.将稳压电源的输出调到最小位置，即粗调和细调均逆时针打到底。
开启电源开关，指示灯亮。
调节粗调和细调开关，改变输出电压，根据电压表和电流表的指示，调节加热功率至所需的电流和电压值。
4.打开导热系数测定仪的电源开关。
先进行数显毫伏表的调零。
将面板右下方的输出端短接，用小一字螺丝刀调节右上角的调零电位器，使毫伏表显示为零。
若已为零则无须调节。
去掉短接线就可进行测量。
5.若想检测仪器内部的温度补偿是否正常，只须按下“补偿”键，则数显毫负表显示的值即位补偿电压。
对照环境温度，通过查看附录1即可知道补偿电压是否准确。
若不准确，可用小一字螺丝刀微调“补偿”按键上方的补偿电位器至准确的补偿值即可。
再按“补偿”按键使它弹起即回到测量状态。
6.观察加热圆球的温度变化情况。
当数显毫伏表或电位差计（UJ36a型）的读数不再变化，则表示温度已达到稳定。
这时用精密电压表和电流表测得U和I的值，即可计算得到加热功率。
转动导热系数测定仪上的输入选择旋钮（8）。
这样就能选择6个热电偶进行分别测量。
7．输入选择旋钮测得的mA值加上补偿mA值即为热电偶测量值，对照附录1“铜——康铜热电偶分度表”即可查得对应的测量温度。
五、实验数据记录和处理
1、实验完后记录实验数据记录，并整理填写下表：
序号
加热电流A
加热电压V
小球温度
大球温度
导热系数W/m℃
t1
mV
t2
mV
t3
mV
T1
℃
t4
mV
t5
mV
t6
mV
T2
℃
导热系数λ根据式
（1）计算
2、绘制材料导热系数λ与温度t的关系曲线
六、思考题
1、为什么大、小球壁要设三对热电偶？
2、实验室内的空气流通对实验有无影响？
为什么？
实验四套管换热器液-液换热实验
一、实验目的
1．通过实验，测定在套管换热器中进行的液液热交换的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热系数。
2．对在强制对流下进行液液热交换过程，验证求算传热膜系数的关联式。
通过实验取得新物系的传热系数的数据及其计算式。
3．通过本实验，了解传热过程的实验方法，在实验技能上受到一定的训练，并加深对传热过程基本原理的理解。
二、实验设备
本实验装置主要由套管热交换器（Ф12×1.5mm的黄铜管为内管，Ф20×2.0mm的有机玻璃管为套管所构成）、恒温循环水槽（控制恒温）、高位稳压水槽（保持水压恒定）以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图所示。
三、实验的方法与步骤
1、向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。
2、开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并溢流管有水流出。
3、将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之浊状。
将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子
4、循环水槽的温度自控装置的温度定为55℃。
启动恒温水槽的电热器。
等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。
5、开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。
6、启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。
热水流量在60～250L/h范围内选取若干流量值（一般要求不少于4～5组测试数据），进行实验测定。
7、每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定个点温度。
四、实验结果整理
1、记录实验设备基本参数。
实验设备型式和装置方式：
水平装置套管式热交换器
内管基本参数：
材料：
黄铜
外径：
d=mm
壁厚：
δ=mm
测试段长度：
L=mm
套管基本参数：
材料：
有机玻璃
外径：
d`=mm
壁厚：
δ`=mm
流体流通的横截面积：
内管横截面积：
S=mm2
环隙横截面积：
S`=mm2
热交换面积：
内管内壁表面积：
Aw=mm2
内管外壁表面积：
Aw`=mm2
平均热交换面积；A=mm2
2．实验数据记录：
实验序号
冷水流量
热水流量
温度
测试截面I
测试截面Ⅱ
V,
V
T1
TW1
T`1
T2
TW2
T`2
Kg/s
Kg/s
0C
0C
0C
0C
0C
0C
3.实验数据整理：
（1）求取总传热系数；
实验序号
管内流速
流体间温度差
传热速率
总传热系数
u
△T1
△T2
△Tm
Q
K
m.s-1
K
K
K
W
W.m-2K-1
1
2
3
4
（2）由实验数据求取流体在圆形内做强制湍流时的传热膜系数а。
实验数据可参考下表整理
实验序号
管内流速
流体与壁面温差
传热速率
管内传热膜系数
U
T1-T2
T2-TW2
△T'm
Q
а
M·S-1
K
K
K
W·m-2k-1
W·m-2k-1
1
2
3
4
（3）由实验原始数据和测得的а值，对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。
整理数据：
实验序号
管内流体平均温度
流体密度
流体黏度
流体导热系数
管内流速
传热膜系数
雷诺数
努塞尔准数
普兰特准数
（T1+T2）/2
ρ
μ
λ
U
α
Re
Nu
Pr
K
Kg.m-3
Pa.s
w.m-1.K-1
m.s-1
w.m-1.k-1
1
2
3
4
列出表中各项计算式，水平管内传热膜系数的准数关联式：
Nu=a·Rem·Prn
Prn视为定值与a项合并，上等式为Nu=A·Rem
上等式两边去对数，使之线性化，即lgNu=mlgRe+lgA
用最小二乘法进行线性回归，估计参数A和m。
取Pr均值为定值，且取n=0。
3，由A计算到a值。
最后，列出参数估计值：
A=；m=；a=；
温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
热电动势（mV）
-40
-1.475
-1.510
-1.544
-1.579
-1.614
-1.648
-1.682
-1.717
-1.751
-1.785
-1.819
-40
-30
-1.121
-1.157
-1.192
-1.228
-1.263
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