对流给热系数测定实验
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对流给热系数测定实验
一：实验目的：
1)．观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；
2）．测定空气或水在圆形直管内强制对流给热系数；
3）．测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数；
4）．掌握热电阻（偶）测温方法；
5）．掌握计算机自动控制调节流量的方法；
6）．掌握涡轮流量传感器和智能流量积算仪的工作原理和使用方法；
7）．了解电动调节阀、压力传感器和变频器的工作原理和使用方法；
8）．掌握化工原理实验软件库（组态软件MCGS和VB实验数据处理软件系统）的使用。
二：基本原理：
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
（1—21）
式中：V被加热流体体积流量，m3/s；
ρ被加热流体密度，kg/m3；
CP 被加热流体平均比热，J/(kg·℃)；
α0、αi水蒸气对内管外壁的冷凝给热系数和流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)；
t1、t2 被加热流体进、出口温度，℃；
A0、Ai 内管的外壁、内壁的传热面积，m2；
(T－TW)m 水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃；
（1—22）
(tw－t)m 内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
（1—23）
式中：T1、T2 蒸汽进、出口温度，℃；
Tw1、Tw2、tw1、tw2 外壁和内壁上进、出口温度，℃。
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。
由式（1—23）可得：
（1—24） （1—25）
若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积A0或Ai，以及水蒸气温度T，壁温Tw1、Tw2，则可通过式（1 —24）算得实测的水蒸气（平均）冷凝给热系数α0；通过 式（1 —25）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi。
在水平管外，蒸汽冷凝给热系数（膜状冷凝），可由下列半经验公式求得：
（1—26）
式中： α0 蒸汽在水平管外的冷凝给热系数，W/(m2·℃)；
λ 水的导热系数，W/(m2·℃)；
g 重力加速度，9.81m/s2；
ρ 水的密度，kg/m3；
r 饱和蒸汽的冷凝潜热，J/kg；
μ 水的粘度，N·s/m2；
d0 内管外径，m；
∆t 蒸汽的饱和温度ts和壁温tw之差，℃。
上式中，定性温度除冷凝潜热为蒸汽饱和温度外，其余均取液膜温度，即tm = (ts + tw) / 2，其中：tw = (Tw1 + Tw2) / 2。
流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得：
湍流时：
（1—27）
式中： αi流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m2·℃)；
λ 流体的导热系数，W/(m2·℃)；
di 内管内径，m；
Re 流体在管内的雷诺数，无因次；
Pr 流体的普朗特数，无因次。
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即tf = (t1 + t2) / 2。
过渡流时：
αi’＝φαi （1—28）
式中： 修正系数，
三：实验装置与流程:
1）实验装置
本实验装置由蒸汽发生器、LWQ—25型涡轮流量变送器、变频器或PS电动调节阀、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。其实验装置流程和实验控制柜面板如图
水蒸气～水（或空气）对流给热系数测定实验流程图
1、水泵或旋涡气泵 2、蒸气发生器 3、4、旁路阀 5、电动调节阀 6、蒸汽总阀
7、蒸气调节阀 8、9、冷凝水排放阀 10、水或空气流量调节阀11、惰性气体排放阀
水蒸气～空气体系对流给热系数测定实验控制柜面板图
水蒸气—空气体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自旋涡气泵的空气进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷空气经LWQ—25型涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后放空。空气流量可用阀门调节或变频器自动调节。
水蒸气—水体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自高位槽的水进行热交换，冷凝水经管道排入地沟。冷水经电动调节阀和LWQ—15型涡轮流量计进入套管换热器内管
（紫铜管），热交换后进入下水道。水流量可用阀门调节或电动调节阀自动调节。
2）设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ16×1.5mm，长度L=1010mm；
（2）外套玻璃管规格：直径φ112×6mm，长度L=1010mm；
（3）旋涡气泵：XGB—12型，风量0～90m3/h，风压12kPa；
（4）压力表规格：0～0.1Mpa。
（5）电动调节阀：PS
（6）涡轮流量计：
水蒸气～水体系对流给热系数测定实验控制柜面板图
四：实验步骤与注意事项：
1）实验步骤
（一）水蒸气～空气体系
Ⅰ）手动操作
（1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查进系统的蒸气调节阀（7）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（6））；
（3）开启变频器，启动旋涡气泵（1）；
（4）调节手动调节阀（10）的开度，阀门全开使风量达到最大；
（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（7），打开蒸汽管冷凝水排放阀（8））；
（6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀（8），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃爆裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷6）排净后，关闭蒸汽管冷凝水排放阀（8），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃爆裂伤人）以加热套管换热器，再打开
换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷
Ⅱ）自动操作
（1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常；
（2）打开总电源开关、仪表电源开关、（由教师启动蒸汽发生器）；
（3）开启空气风量手动调节阀（10），使之开度呈最大状态；
（4）开启变频器，启动旋涡气泵（1），并使风量最大；
（5）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸汽总阀（6），打开蒸
汽管凝结水排放阀（7））；
（6）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀（7），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，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（7）的开度，使蒸汽压力稳定地保持在0.05MPa以下（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。
（8）打开“对流给热系数测定实验.MCGS组态文件，出现提示输入工程密码对话框，输入密码1121后，进入组态环境，按“F5”键进入软件运行环境。按提示输入班级、姓名、学号、装置号后按“确定”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。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，控制空气的流量，合理确定3～6个实验点，待稳定后点击数据自动采集或分别从温度、压力巡检仪及智能流量计算仪（控制面板上）上读取各有关参数；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。
（9）实验终了，首先关闭蒸气调节阀（7）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（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。
（二）水蒸气～水体系
Ⅰ）手动操作
（1）检查仪表、蒸汽发生器及测温点是否正常；
（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（6））并使电动调节阀的电源呈“关”状态；
（3）关闭电动调节阀两端的阀门，开启旁路阀，使管内通以一定量的水，排除管内空气；
（4）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水（方法是：关闭进系统的蒸汽总阀（6），打开蒸
汽管凝结水排放阀（7））；
（5）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀（7），打开进系统的蒸气调节阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（9）（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；；
（6）仔细调节进系统蒸气调节阀（7）的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.05MPa以下（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，由大到小逐渐调节空气流量手动调节阀（10）的开度，合理确定3～6个实验点，待稳定后，分别从温度、压力巡检仪及智能流量计算仪（控制面板上）上读取各有关参数；
（7）实验结束，首先关闭蒸汽源总阀，切断设备的蒸汽来路，经一段时间后，在关闭水手动旁路调节阀，然后关闭蒸汽发生器（由教师完成）、仪表电源开关及切断总电源。
Ⅱ）自动操作
（1）检查仪表、蒸汽发生器及测温点是否正常；
（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（6））并使电动调节阀的电源呈“开”状态；
（3）关闭旁路阀，开启电动调节阀，使管内通以一定量的水，排除管内空气；
（4）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（7），打开蒸汽管凝结水排放阀（9））；
（5）排净后，关闭蒸汽管凝结水排放阀，打开进系统的蒸汽总阀，使蒸汽缓缓进入换
热器环隙（切忌猛开，防止玻璃炸裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（冷凝水排放阀的开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；
