空气-蒸汽对流给热系数测定

实验三 对流给热系数的测定一、实验目的1、观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；2、测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数i α；3、应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。

4、掌握热电阻测温的方法。

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：V ρC P (t 2－t 1)＝αi A i (t w －t)m （1-1）式中： V ——被加热流体体积流量，m3/s ； Ρ——被加热流体密度，kg/m3； C P ——被加热流体平均比热，J/(kg ·℃)；αi ——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)； t 1、t 2——被加热流体进、出口温度，℃；A i ——内管的外壁、内壁的传热面积，m2；(T －T W )m ——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃； 22112211ln )()()(w w w w m T T T T T T T T Tw T -----=- （1-2）(t w －t)m ——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；22112211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----=- （1-3）式中：T 1、T 2——蒸汽进、出口温度，℃；T w1、T w2、t w1、t w2——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T w1＝t w1，T w2＝t w2，即为所测得的该点的壁温。

由式（1-3）可得：m w P i t t A t t C V )()(012--=ρα （1-4）若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，则可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi 。

化工原理实验（四）空气－蒸汽对流给热系数测定一、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、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

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。

达到传热稳定时，有()()()()mm W M W p p t KA t t A T T A t t c m T T c m Q ∆=-=-=-=-=221112222111αα （4－1）Tt图4－1间壁式传热过程示意图式中：Q － 传热量，J / s ；m 1 － 热流体的质量流率，kg / s ； c p 1 － 热流体的比热，J / (kg ∙℃)； T 1 － 热流体的进口温度，℃； T 2 － 热流体的出口温度，℃； m 2 － 冷流体的质量流率，kg / s ； c p 2 － 冷流体的比热，J / (kg ∙℃)； t 1 － 冷流体的进口温度，℃； t 2 － 冷流体的出口温度，℃；α1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ∙℃)；A 1 － 热流体侧的对流传热面积，m 2；()m W T T -－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；α2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m 2 ∙℃)；A 2 － 冷流体侧的对流传热面积，m 2；()m W t t - － 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；K － 以传热面积A 为基准的总给热系数，W / (m 2 ∙℃)； m t ∆－ 冷热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，()()()22112211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=- （4－2）式中：T W 1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；T W 2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。

5 对流给热系数测定5.1 实验目的（1） 测定水蒸汽在圆直水平管外冷凝给热系数α0及冷流体(空气或水)在圆直水平管内的强制对流给热系数αi 。

（2） 观察水蒸汽在圆直水平管外壁上的冷凝状况（膜状冷凝和滴状冷凝）。

5.2实验原理5.2.1.串联传热过程冷流体（空气和水）与热流体水蒸汽通过套管换热器的内管管壁发生热量交换的过程可分为三步:○1套管环隙内的水蒸汽通过冷凝给热将热量传给圆直水平管的外壁面(A 0)； ○2热量从圆直水平管的外壁面以热传导的方式传至内壁面(A i )； ○3内壁面通过对流给热的方式将热量传给冷流体(V c )。

在实验中, 水蒸汽走套管换热器的环隙通道, 冷流体走套管换热器的内管管内, 当冷、热流体间的传热达到稳定状态后, 根据传热的三个过程、牛顿冷却定律及冷流体得到的热量, 可以计算出冷热流体的给热系数（以上是实验原理）。

（以下是计算方法）传热计算公式如下:Q=α0A 0( T –T w )m = αi A i ( t w –t)m =V c ρc C pc (t 2-t 1) (1)由（1）式可得:m w pc c c T T A t t C V )()(0120--=ρα (2)m w i pc c c i t t A t t C V )()(12--=ρα (3)式（2）中, ( T –Tw)为水蒸汽温度与内管外壁面温度之差, 式（3）中, ( tw –t)为内管内壁面温度与冷流体温度之差。

由于热流体温度T 、内管外壁温Tw 、冷流体温度t 及内管内壁温tw 均沿内管管长不断发生变化, 因此, 温差( T –Tw) 和( tw –t)也随管长发生变化, 在用牛顿冷却定律算传热速率Q 时, 温差应分别取进口（1）与出口（2）处两端温差的对数平均值( T –Tw)m 和( tw –t)m, 方法如下:22112211ln )()()(w W W w w T T T T T T T T T T -----=- （4） 22112211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w m w -----=- （5）当套管换热器的内管壁较薄且管壁导热性能优良（即λ值较大）时, 管壁热阻可以忽略不计, 可近似认为管壁内、外表面温度相等, 即Tw1=tw1, Tw2=tw2。

五、实验数据记录与处理1、实验原始数据记录表，根据相关计算式进行相关数据计算。

实验原始数据记录表计算示例（以次序1数据作为计算示例）： 空气进口处密度：52310 4.510 1.2916t t ρ--=-⨯+=10-5× 38.62-4.5×10-3 ×38.6+1.2916=1.1328kg/m 3；空气质量流量：m s2 =ρV=4×1.1328÷3600=0.0012kg/s ；空气流速：u=4V/(πd 2)=4×4/(3.14×0.016×0.016×3600)= 5.5290m/s ；2.给热系数K 的计算空气定性温度：t 平均=(t 1+t 2)/2=（38.6+79.6）/2=59.1℃<60℃ 则空气比热：Cp=1005 J/(kg·°C) 定性温度下的空气密度ρ：52310 4.510 1.2916t t ρ--=-⨯+ =10-5× 59.12-4.5×10-3 ×59.1+1.2916=1.0606kg/m 3；冷、热流体间的对数平均温差：()()12211221ln t T t T tT t T t m-----=∆==40.32℃ 传热面积：22A d l π==3.14×0.016×1=0.0502m 2 对流传热系数：()mp t A t t c m K ∆-=1222= = 26.46W/(m 2·℃)；3.近似法求给热系数α2 则α2=K=24.43W/(m 2·℃)；（103.0-79.6）-（102.5-38.6）ln [(103.0-79.6)/(102.5-38.6)]0.0502×40.32空气粘度：6235(210510 1.716910t t μ---=-⨯+⨯+⨯）=(-2×10-6×38.62+5×10-3×38.6+1.7169)×10-5=1.906×10-5P a.s 空气导热系数：8252108100.0244t t λ--=-⨯+⨯+ =-2×10-8×38.62+8×10-5×38.6+0.0244=0.0275 W/(m·K ） 雷诺数：μρdu =Re = ；普兰特数：λμ2Pr p c == =0.6966 ；努赛尔数：λαdNu ==26.46×0.016/0.0275=15.39 ； 对于流体在圆形只管内做湍流时的对流传热系数，如符合以下条件：Re=1×104—1.2×105，Pr=0.7-120,管长与管内径之比l/d≥60,则Nu=0.023Re 0.8Pr n 。

实验三 对流给热系数测定实验（空气-水蒸气体系）3.1 实验目的1) 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；2）测定空气在圆形直管内强制对流给热系数和换热器总传热系数并随着流量的变化规律；3）掌握热电阻测温方法；4）掌握化工原理实验软件库（VB 实验数据处理软件系统）的使用。

3.2 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，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：V ρC P (t 2－t 1)＝α0A 0(T －T W )m ＝αi A i (t w －t)m （1—15） 式中：V 被加热流体体积流量，m 3/s ； ρ 被加热流体密度，kg/m 3； C P 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/(m 2·℃)；t 1、t 2 被加热流体进、出口温度，℃； A 0、A i 内管的外壁、内壁的传热面积，m 2； (T －T W )m 水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃； 22112211ln )()()(w w w w m T T T T T T T T Tw T -----=- （1—16）(t w －t)m 内壁与流体间的对数平均温度差，℃；22112211ln )()()(t t t t t t t t t t w w w w mw -----=- （1—17） 式中：T 1、T 2 蒸汽进、出口温度，℃； T w1、T w2、t w1、t w2 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T w1＝t w1，T w2＝t w2，即为所测得的该点的壁温。

由式（1—17）可得：m P Tw T A t t C V )()(0120--=ρα （1—18）mw P it t A t t C V )()(012--=ρα （1—19） 若能测得被加热流体的V 、t 1、t 2，内管的换热面积A 0或A i ，以及水蒸气温度T ，壁温T w1、T w2，则可通过式（1 —18）算得实测的水蒸气（平均）冷凝给热系数α0；通过 式（1 —19）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi 。

实验7. 空气－蒸汽对流给热系数的测定一、实验目的1.熟悉传热过程及间壁式换热器的结构，掌握热电阻的测温方法；2.观察蒸汽在水平冷凝管外壁上的冷凝现象，测定对流给热系数h ；3.测定努塞尔数Nu 与雷诺数e R 之间的关系，并确定它们的关联式；4.了解强化传热的途径，分析热交换过程的影响因素。

二、基本原理工业生产中冷流体和热流体常通过固体壁面进行热量交换，此种换热方式称为间壁式传热。

间壁式传热过程是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过程组成，间壁式传热过程如图2—10所示。

当传热过程达到稳定时，它们有如下关系： 图2—10 间壁式传热过程示意图()()()()112122121122m p m p W W m M mq c t t q c T T h A t t h A T T KA t Φ=-=-=-=-=∆ （2—45） 式中：Φ—传热速率，W ；q m1、q m2 —冷、热流体的质量流量，1kg s -⋅； c p1、c p2 —冷、热流体的比热容，11kJ kg K --⋅⋅；T 1 、T 2—热流体的进出口温度，K ； t 1、t 2 —冷流体的进出口的度，K ；A 1、A 2—冷、热流体侧的对流传热面积，m 2；12,h h —冷、热流体与固体壁面的对流给热系数，21W m K --⋅⋅； ()W m t t -、()W m T T -—冷、热流体与固体壁面的对数平均温度差，K ；K —总传热系数，21W m K --⋅⋅； A —传热面积，m 2；m t ∆—对数平均温度差，K ；热流体与固体壁面的对数平均温差可由下式计算()()()22112211ln W W W W m W T T T T T T T T T T -----=- （2－46）式中：12,W W T T —热流体进出口处热流体侧壁面的温度，K 。

固体壁面与冷流体的对数平均温差可由下式求得()()()22112211ln t t t t t t t t t t W W W W m W -----=- （2－47）式中：12,W W t t —冷流体进出口处冷流体侧壁面的温度，K ； 冷热流体间的对数平均温度差可由下式计算()()12211221ln m T t T t t T t T t ---∆=-- （2—48）在套管式换热器中，由于水蒸气通过套管的环隙，冷空气或水通过内管间，测定对流给热系数时，由式（2—45）可得内管内壁面与冷空气或水的对流给热系数()()112111p W mm c t t h A t t -=- （2—49）实验中，要测定内管的壁温t w1和t w2，冷空气或水的进出口温度t 1和t 2；实验用套管的长度l ，内径d 1，换热面积11A d l π=，冷流体的质量流量及比热容，即可求得对流给热系数h 1。

实验三 蒸汽─空气对流传热传热系数的测定一、实验目的1． 测定套管式换热器的总传热系数K ；2． 测定圆形直管内传热膜系数α，并学会用实验方法将流体在管内对流及强制对流 时的实验数据整理成包括传热膜系数α的准数方程式；3． 了解并掌握热电偶和电位差计的使用及其温度测量。

二、基本原理1．测定传热系数K根据传热速率方程式：m T KA ∆=φ （1）mT A K ∆=φ（2）式中： φ传热速率，W ； K 总传热系数，W/(m 2·℃)；A 传热面积； m T ∆两流体的平均温度差。

实验时，若能测定或确定φ、A 和，则可测定K 。

m T ∆⑴ 实验是测定蒸汽加热空气时的对流传热总传热系数，其中蒸汽通加套管环隙加热内管的空气，具体的流程如下：在不考虑热损失的条件下，有)(122211T T c q r q p −==m m φ （3）式中： q m1— 蒸汽冷凝液的质量，kg/s ； r 1 — 蒸汽冷凝潜热，J/kg ；q m2— 空气的质量流量，kg/s ； c p2 — 空气的定压比热，J/(kg ·K)；T 1、T 2— 空气的进出口温度，℃； T W1、T W2— 内管外壁温度与内壁温度，℃。

实验中传热速率φ按空气的吸热速率计算。

其中空气的质量流量由孔板流量计测量其 体积流量后转化为质量流量。

即：q m =t ρq V （4）式中：t ρ—为空气进出口平均温度下的密度，kg/m 3。

q V — 为空气的体积流量，m 3/s 。

本实验中，空气的体积流量由孔板流量计测量并通过压力传感器将其差压数字在显示仪表上显示出。

20℃ 下空气流量由公式（5）计算。

6203.000)(p C q t ∆×=V （5）其中， — 20℃ 下的体积流量，m 0t q V 3/h ；C 0— 孔板流量系数，本实验装置中其值为22.696。

p ∆—孔板两端压差，kPa 。

则实验条件下的空气流量q V (m 3/h)则需按下式计算：2732730t Tq q t t ++×=V V式中：t q V —实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h 。

空气－蒸汽对流给热系数测定一、问答题1. 传热实验中，套管换热器上方的排气阀有何作用？排放不凝性气体，提高传热效率。

2. 实验结束后，为什么要先关蒸汽，再关鼓风机？让风机输送的冷空气尽快将热量带走，使系统恢复常温。

3. 为什么在双对数坐标系中准数关联式近似为一条直线？只有在双对数坐标系中才能将非线性的准数关联式转化为线性关系。

4. 气—汽换热的结果是什么？冷空气变为热空气，水蒸汽变为冷凝水。

5.实验中使用的孔板流量计设计原理是什么？依据柏努利方程，动能与静压能之间的转换。

6. 在用饱和水蒸汽加热空气的传热实验中，测得管壁面温度接近蒸汽温度，原因是什么？蒸汽冷凝对流传热系数远大于空气对流传热系数，因此壁温接近蒸汽温度。

7. 在传热实验中，要提高数据的准确度，在实验操作中要注意哪些问题？（1）实验过程中应使蒸汽压力维持恒定。

（2）流量的调节应从大到小，而且每次调节流量后应稳定15分钟后才开始读取数据。

8. 传热实验时为何要维持加热蒸汽压恒定？加热蒸汽压恒定，保障蒸汽进口的温度恒定，热量衡算时减小误差。

二、实验操作学生能正确指出设备上的有关管件、阀门、流量计、热电阻等。

简述操作过程，模拟操作。

干燥特性曲线测定实验一、问答题1. 干燥实验进行到试样重量不再变化时，此时试样中所含的水分是什么水分？实验过程中除去的又是什么水分？二者与哪些因素有关。

答：当干燥实验进行到试样重量不再变化时，此时试样中所含的水分为该干燥条件下的平衡水分，实验过程中除去的是自由水分。

二者与干燥介质的温度，湿度及物料的种类有关。

2. 对流干燥的特点？答：当温度较高的气体与湿物料接触时，气固两相间发生的是热质同时传递的过程。

3.湿球温度是指什么温度？跟什么有关？答：大量空气与少量水长期接触后水面的温度。

是空气湿度和干球温度的函数。

4. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？答：干燥介质的温度、湿度、流速及与物料的接触方式，在整个干燥过程中均保持恒定。