2015食品工程原理实验指导书..(2)

实验三 空气-蒸汽传热系数测定

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。达到传热稳定时，有

Q?m1cp1?T1?T2??m2cp2?t2?t1???1A1?T?TW?M??2A2?tW?t?m ?KA?tm?T?TW?m－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃； ?tW?t?m － 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 / (m2 ?℃)； ?tm－ 冷热流体的对数平均温差，℃；

当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气进行对流传热系数测定实验时，则可得内管内壁面与冷空气的对流传热系数，

?2?m2cp2?t2?t1?A2?tW?t?M

理论上，只要在实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，A2??d2l；和冷流体的质量流量，即可计算?2。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

K?m2cp2?t2?t1?A?tm

实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均?式计算得总给热系数K。

1?t1?t2?下冷流体对应的cp2、换热面积A，即可由上2然后，再通过近似法求算对流给热系数?2

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

bddd11（3－1） ??RS2?2?RS12?2K?2?dmd1?1d1

式中：d1 － 换热管外径，m；

d2 － 换热管内径，m；

dm － 换热管的对数平均直径，m；

b － 换热管的壁厚，m；

? － 换热管材料的导热系数，W / (m ? ℃)；

RS1－ 换热管外侧的污垢热阻，m2?KW； RS2－ 换热管内侧的污垢热阻，m2?KW。

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百Wm2.K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数?1可达~104Wm2.K左右，因此冷凝传热热阻较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻RS1d2可忽略，同时蒸汽冷凝?1d1d2也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数d1bd2为383.8Wm?K，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻可忽略。若换热管内侧的污垢热阻

?dmRS2也忽略不计，则由式（3－1）得，

?2?K （3－2）

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

三、实验装置与流程

1．实验装置

1—风机； 2—冷流体管路； 3－冷流体进口调节阀； 4—转子流量计； 5—冷流体进口温度； 6—不凝性气体排空阀； 7—蒸汽温度； 8—视镜； 9—冷流体出口温度； 10—压力表； 11—水汽排空阀；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；

图4-1 空气-水蒸气换热流程图

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm （2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm （4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示 （5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤

（1） 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。 （2） 在蒸汽发生器中灌装清水，开启发生器电源，水泵会自动将水送入锅炉，灌满后会转入加热状态。

到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

（3） 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一

定量的空气。

（4） 打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度

适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

（5） 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽

会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。

（6） 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系

统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。 （7） 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在0. 01MPa，

可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。

（8） 通过调节冷空气进口阀来改变冷空气流量，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记

录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持5分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

（9） 记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待

系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。 （10） 待蒸汽发生器为常压后，将锅炉中的水排尽。

2．注意事项

（1） 先打开水汽排空阀，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会

使换热不锈钢管里的蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。

（2） 一定要在套管换热器内管输以一定量的空气后，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。

（3） 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀的开度，让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10分钟，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。 （4） 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成不锈钢管爆裂。 （5） 确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。

五、实验报告

1、计算冷流体（空气）给热系数的实验值

六、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?

2、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？

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