气-气列管换热器传热系数测定

贵州理工学院化工原理实验报告

学院：化学工程学院 专业：化学工程与工艺（能源变换材料及工程方向） 班级：能源162 姓名 实班验日期 实验名称 一、 实验目的 1．测定列管式换热器的总传热系数。 2．考察流体流速对总传热系数的影响。 3．比较并流流动传热和逆流流动传热的特点。 二、 实验原理 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(5－1)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 Qm1cp1T1T2m2cp2t2t1KAtm  T TW tW t 图5－1间壁式传热过程示意图 2018年6月22日 学号 指导教师 张文娟 实验组号 成绩 2 气-气列管换热器传热系数测定 （5－1） 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 ∙℃)； .

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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，℃； K － 以传热面积A为基准的总给热系数，W / (m2 ∙℃)； tm － 冷热流体的对数平均温差，℃； 热、冷流体间的对数平均温差可由式（5—2）计算， 并流： tmTT1t1T2t2 Tt1ln1T2t2逆流: tm1t2T2t1 （5－2） T1t2lnT2t1 列管换热器的换热面积可由式（6—3）算得， AndL （5—3） 其中，d为列管直径（因本实验为冷热气体强制对流换热，故各列管本身的导热忽略，所以d取列管内径），L为列管长度，n为列管根数，以上参数取决于列管的设计，详见下文附表。 由此可得换热器的总给热系数， KQAtm （5—4） 在本实验装置中，为了尽可能提高换热效率，采用热流体走管内、冷流体走管间形式，但是热流体热量仍会有部分损失，所以Q应以冷流体实际获得的热能测算，即 Q2V2Cp2(t2t1) （5—5） 则冷流体质量流量m2已经转换为密度和体积等可测算的量，其中V2为冷流体的进口体积流量，所以2也应取冷流体的进口密度，即需更具冷流体的进口温度（而非定性温度）查表确定。 .

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除查表外，对于在0～100℃之间，空气的各物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：10-5t2-4.510-3t1.2916 （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下Cp1005 J / (kg ∙℃), 70℃以上Cp1009J / (kg ∙℃)。 三、 实验装置 热流体走管内，冷流体走管间。列管规格Ф12×2 mm ，即内径8mm，共13根列管，长1m，则换热面积共0.490m2。 1-风机2（冷流体管路，该风机为抽风机）；2-孔板流量计连接差压变送器；3-冷流体进口温度t1；4-并流传热形式进口闸阀f1；5-热流体进口温度T1；6-逆流出口温度t2；7-逆流传热形式出口闸阀f4；8-并流形式出口闸阀f2；9-并流出口温度t2’；10-热流体出口温度T2 ；11-逆流传热形式进口闸阀f3；12-玻璃转子流量计；13-风机1（热流体管路）；14-风机旁路阀 四、 实验步骤 1、打开总电源开关、仪表开关，待各仪表温度自检显示正常后进行下步操作。 2、打开热流体风机的出口旁路，启动热流体风机，再调节旁路阀门到适合的实验流量。（一般取热流体流量60~80 m3/h，整个实验过程中保持恒定。） 3、开启加热开关，通过C1000仪表调节，使加热电压到一恒定值。（例如在室温20℃左右，热.

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流体风量70 m3/h ，一般调加热电压150V，经约30min后，热流体进口温度可恒定在70℃左右。） a) 待热流体在恒定流量下的进口温度相对不变后，启动风机2，通过C1000仪表调节风量； b) 打开相应的闸阀，如7、11打开为逆流换热的形式，4，8打开为并流换热的形式。 c) 然后以冷流体流量作为实验的主变量，调节风机旁路，从10~60 m3/h流量范围内，选取5到6个点作为工作点进行实验数据的测定。 d) 待某一流量下的热流体和逆流的冷流体换热的四个温度相对恒定后，可认为换热过程基本平衡了，抄录冷热流体的流量和温度，即完成逆流换热下一组数据的测定。之后，改变一个冷流体的风量，待换热平衡后抄录一组实验数据。 e) 同理，可进行冷热流体的并流换热实验。注意：热流体流量在整个实验过程中最好保持不变，但在一次换热过程中，必须待热流体进出口温度相对恒定后方可认为换热过程平衡。 f) 实验结束，应先关闭加热器，待各温度显示至室温左右，再关闭风机和其他电源。 五、 原始数据记录 表1. 气-气列管换热器传热系数测定实验原始数据记录表 换热方式：并流 序号 热流体 流量m3/h 进口温度出口温度流量m3/h （℃） 1 2 3 4 5 80 80 80 80 80 74.3 75.1 75.2 75.1 75.0 （℃） 64.6 63.6 62.4 60.7 59.4 25.4 35.1 45.2 55.0 65.2 冷流体 进口温度出口温度（℃） 23.624 28.8743 24.3107 26.6845 24.6963 （℃） 47.7 46.4 44.9 43.2 42.1 换热方式：逆流 序号 热流体 流量m3/h 进口温度出口温度流量m3/h （℃） 1 .

冷流体 进口温度出口温度（℃） 25.0 24.6845 （℃） 51.7 （℃） 64.1 80 74.9 .

2 3 4 5 80 80 80 80 75.0 75.0 75.0 75.0 63.2 61.7 60.0 58.8 35.1 45.2 55.0 65.1 24.8737 24.9989 25.1865 25.8732 50.1 48.1 45.7 44.4 六、数据处理 计算示例（以第一组数据为例）：根据已知条件有： 60℃以下Cp1005 J / (kg ∙℃) n=13 d=0.008m l=1m 空气的密度与温度的关系式：10-5t2-4.510-3t1.2916 A=nπdl=13*3.14*0.008*1=0.32656m2ρ=0.00001*23.624*23.624-0.001*4.5*23.624+1.2916=1.190873kg/m3 △t1=T1-t1=50.676℃ △t2=T2-t2=16.9℃ ms=ρ*Vs=1.198073*25.4/3600=0.008402kg/s Q= ms*Cp*(t2-t1)=203.31 J / s △tm=(T1-t1)-(T2-t2)/ln(T1-t1)/(T2-t2)=30.76℃ K=Q/A*△tm=203.31/0.32656*30.76=20.24W / (m2 ∙℃) 附逆流计算公式：tmT1t2T2t1Tt2ln1T2t1△t1=T1-t2 △t2=T2-t1 表2.气-气列管换热器传热系数测定数据处理表 换热方式：并流 序号 Q（ J / s） △t1（℃） △t2℃（℃） △tm（℃） K W / (m2 ∙℃) 1 2 3 4 5 203.31 200.92 308.67 298.88 375.88 50.676 46.226 50.89 48.42 50.30 16.9 17.2 17.5 17.5 17.3 30.76 29.36 31.28 30.38 30.92 20.24 20.96 30.22 30.13 37.23 表2.气-气列管换热器传热系数测定数据处理表 .

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换热方式：逆流 序号 1 2 3 4 5 七、实验结果及讨论 从此次的实验结果传热推动力△tm来看，逆流较并流更具有较好的冷却效果，传热推动力△tm来看，逆流总是优于并流，因此可以得到逆流可以节省冷却剂或加热剂的用量。通过此次试验清楚的明白了气-气列管换热的原理，，以及气气列管换热的操作，但是本次试验也存在误差，造成误差的原因初步分析是阀门的开合不是很到位，以及仪器读数反应缓慢。 八、思考题 1.实验中那些因素会影响到实验的稳定性? 答:冷空气和热空气的走向，冷热流体流量和温度的稳定性，实验器材保温和传热效果对实验的影响。 2.影响传热系数K的因素有那些？如何强化传热过程？ 答：流体的流动形态、流体的物性、流体有无相变和加热面的几何形状、尺寸、相对位置等因素有关。强化传热：采用传热系数高的材料，采用特型管，采用小径管，增加相同体积内容纳管数，提高换热器内气体流速主要有结构形式、换热面积、污垢、流动及强化换热措施、表面传热系数。可以通过强化换热方式（风速、结构形式等）减小它将有效提高散热器的换热性能。 3.实验过程中若发现转子流量计的读数比设定值小，对实验结果有何影响？若想消除此影响，应该如何调节？ 答：若读数比设定值小，则实际值Q减小，对应的实际值k就有所下降，就会造成相应的误差。此时可能管道阀门还有泵都还未保持稳定，所以应等相关达到参数稳定后再读取示数；若相关参数都稳定，读数还小于设定值，那就对转子流量计进行校正。 Q 223.73 293.13 345.53 373.11 379.05 △t1 23.2 24.9 26.9 29.3 30.6 △t2 39.42 38.33 36.70 34.81 32.93 △tm 30.59 31.13 31.55 31.98 31.75 K 22.39 28.83 33.54 35.73 38.38 .

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指导教师签名： 年 月 日

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