传热系数K的测定(教案)

传热系数K的测定(教案)（共2篇）

传热系数K的测定(教案) 篇1

化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

实验四

换热系数K的测定

一、实验目的

1、了解间壁式传热元件的研究和传热系数测定的实验组织方法。

2、掌握借助于热电偶测量进出口温度的方法

3、学会传热系数测定的试验数据处理方法

4、了解影响传热系数的因素和强化传热的途径

二、实验任务

1、在空气－水列管换热器中，测定两个不同水流量时一系列空气流量条件下冷、热流体进出口温度。

2、通过热量衡算方程式和传热速率方程式计算总传热系数的实验值。

三、实验原理

间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，它是由热流体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所组成。在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即：

QTTwTwtwtwtq11 Ahc则： q1h1Tt推动力1c阻力

1式中 h、、分别为各传热环节对单位传热而言的热阻，工程上通常将c其写为Q=KA(T-t)，那么换热系数为：

K1h11c

由于冷流体的温度沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线形关系，故将推动力（T－t）用换热器两端温差的对数平均温差表示，即：Q=KA△tm（1）。对于一定态双管程列管换热器，热流体走壳程，体积流量为Wh，进口温度为T1，出口温度为T2；冷流体走管内，体积流量为Wc，进口温度为t1，出口温度为t2，热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即：

化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

Q=WcρCpc(t2-t1)= WhρCph(T1-T2)则，Q=KA△tm＝ WcρCpc(t2-t1)即：

KWcCpc(t2t1)Atm

式中：A由换热器的结构参数而定，冷流体的体积流量Wc通过流量计测定，热流体进口温度T1和出口温度T2，冷流体的进口温度t1和出口温度t2，均由温度计测定，Cpc由冷流体的进出口平均温度决定。

四、实验装置和流程

五、实验步骤

1、打开装置总控制开关；

2、缓慢打开冷却水转子流量计阀门，调节冷水流量为40L/h；

3、先打开空气流量调节阀门（旁通阀），再启动风机（为什么？－）；

4、调节旁通阀的开度，使空气流量为10 L/h；

5、打开气体加热器的加热电源，调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度，待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时采集实验数据；保持冷水流量为40L/h，在空气流量分别为15、20、25L/h条件下采集相应实验数据，化工原理实验教案

实验四

换热系数K的测定

6、调节冷水流量为20L/h，在空气流量分别为10、15、20、25L/h条件下采集实验数据。

7、实验结束时，先关调压变压器开关，停止加热，将冷却水和空气流量调至最大，将装置冷至室温后，再将其流量调至最小，关闭总水阀和气泵；

8、上机处理实验数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

六、思考题

1、启动风机前为什么要打开旁通阀？

2、为何要先打开热空气流量计阀门，再打开电源加热？

3、在整个实验过程中，如何控制热空气进口温度恒定？

七、注意事项

1、启动风机前先打开旁通阀。

2、先打开空气流量计阀门，再打开电源加热。

3、在整个实验过程中，通过调节加热电压控制热空气进口温度恒定在120～130之间任何某一刻度。

4、待冷、热流体出口温度显示值保持10min以上不变时方可同时采集实验数据。

八、作业

1、上机处理数据，并打印处理结果，每小组打印一份。

2、完成实验报告，应包含：实验目的、实验原理、实验流程、实验步骤、原始数据、计算示例，讨论等，其中对计算示例，同一小组同学不得采用同一组数据处理。

传热系数K的测定(教案) 篇2

关键词：平均对流传热系数,传热量,比渥数,薄壁圆柱铜罐,集总参数法

煤自燃特性是矿井防灭火的重要依据。为研究它, 世界各国提出了各种不同的研究方法, 如交叉点、DTA、绝热法、陈晓东方法, 等等。然而, 绝大多数方法都不是在外界传热已知的情况下研究煤自燃特性, 仅绝热法外界传热已知, 却将传热量降低到为零的地步, 这与在有外界传热的情况下对煤自燃特性研究结果显然不能等同。再者, 在研究煤自燃动力学性质时, 各种方法几乎都使用了应用在非均相体系中存在争议的Arrhenius方程。本文旨在从理论设想及实现方案两方面介绍一种能够测定对流传热系数的方法, 为在已知外界传热的情况下研究煤的自燃特性, 避开Arrhenius方程转而用能量守恒研究煤自燃的动力特性提供技术手段。

(一) 实现思路

1. 圆柱形薄壁铜罐的提出

定义在某种升温环境中内部瞬态温度场误差不超过5%, 可以应用集总参数法的圆柱铜罐为薄壁圆柱铜罐, 即应满足:

式中:h为铜罐表面的对流传热系数, W/ (m2.℃) ;L铜罐特征尺寸, 对于等壁厚圆柱罐, 对导热起主导作用尺寸是壁厚, 故取壁厚为特征尺寸, 单位为m;λ罐质的导热系数, W/ (m.℃) 。

实验的温度范围为室温到130℃, 罐质为纯铜, 其导热系数λ≥390W/ (m.℃) 。则可得:

强迫对流环境中, 气体与固体表面的对流传热系数一般在25~250 W/ (m2.℃) , 因此

实验选用等壁厚圆柱铜罐, 其厚度L=0.004m<<0.156m<0.1λ/h, 故可得Bi=hL/λ<0.1。因此可以视其为薄壁圆柱铜罐。在允许5%温度场误差的情况下, 薄壁铜罐温度可以认为是均一的。

2. 外表面对流传热系数的确定

该薄壁铜罐放在控温炉中以程序升温的方式加热。在这个过程中, 通过外壁传入的热转为薄壁铜罐和内部空气的内能, 又微分形式的能量守恒方程:

式中:S为罐外表面面积, m2;△T为炉温与外表面温度之差, ℃;Ccu、mcu、Tcu分别为铜质比热容 (J/ (kg.℃) ) 、铜罐质量 (kg) 及温度 (℃) ;Cair、mair、Tair分别为罐内空气的比热 (J/ (kg.℃) ) 、质量 (kg) 、温度 (℃) 。

方程两边从0至测试时间t进行积分, 得:

故得:

式中:Tcuend、Tcubegin分别为实验过程中铜罐的始末温度, ℃;Tairend、Tairbegin分别为实验过程中罐内空气的始末温度, ℃。

由于铜罐内部空气的质量 (之比小于0.001) , 而比热与温差的乘积在同一数量级上, 故简化可得:

3. 传入热的确定思路

假定封闭薄壁铜罐内装有被加热体 (如煤) , 并以相同的方式予以升温加热t’时间, 煤与罐内壁的接触热阻大于外表面对流热阻。由于相应加热温度区间内的平均对流传热系数已可求得, 故传入到被加热体的热量为:

式中Qinlet为传入热, J。

(二) 实验设备及过程

实验系统由程序控温炉、薄壁铜罐、三个热电偶、数据采集器、计算机等组成。程序控温箱能能使箱内空气温度以设定速率上升, 风扇促使箱内空气温度场均匀。三个热电偶分别测薄壁铜罐内外侧温度及炉温, 温度数据有计算机自动采集并保存。其中测外壁的的温度计为套管温度计, 目的是减小炉内空气流动对其造成的误差, 确保测的是外壁温度。薄壁铜罐为等厚圆柱形, 内径4.5cm, 壁厚0.4cm, 高度为10cm。

首先称出铜罐的质量, 用洗耳球通过安放热电偶的壁孔鼓气, 检验气密性良好后, 至于控温炉, 连接好热电偶, 设定为控温炉在35℃恒温运行15分钟以充分预热铜罐。之后设定为程序升温, 让计算机每隔20秒种自动采集一次数据, 记录下各个时刻的三个温度值。

(三) 实验数据及分析

实验测定了三个常用温升速率下铜罐内外壁温度及炉温。如图2对数据的统计分析结果见表1。

可以看出, 三列温度与时间成直线关系, 这与升温方式设定为恒速率升温是吻合的;而且, 由表外内壁平均温差均较小, 三种程序升温速率下最大值不过2.53℃, 外内壁温度对时间的图线几乎重合, 这说明实验铜罐在实验升温速率条件下属于薄壁铜罐, 致使整个罐体温度有着较好的均一性。

(四) 传热系数的计算及结果分析

1. 计算软件的实现。

采用VB6.0与Matlab混合编程的方法处理实验数据以求得目标参数。实现步骤为: (1) 读取实验原始数据, 获得铜罐始末态温度、炉温与外壁温差对时间的曲线, 并对曲线做三次样条插值; (2) 曲线等分为300小份, 现计算出每小份的面积, 进而得出曲线对时间的面积; (3) 由公式计算出传热系数。

2. 测试结果及分析。

三种升温速率下35~140℃下的外表面平均对流传热系数计算结果如表2所示。由上可以看出, 所得三个对流传热系数均是几十个W/ (m2.℃) , 均满足对流传热系数在25~250 W/ (m2.℃) 这个预先假定的前提条件, 证明了这种做法的正确性;其次, 0.7℃/min与1℃/min时的相对误差2%, 说明此范围内升温速率对对流传热系数的影响不大, 也说明实验有着较好的重复性。再者, 可以看出, 随着温度的升高, 对流传热系数会有不同程度的增大, 2℃/min时的测定结果与前二者相差较大, 由于三种升温速率下都是强迫对流, 流动环境与换热表面都相同, 因此, 认定这种变化的产生是因为升温速率能改变铜罐周围流体薄层的热物性。在实验体系及其他操作条件相同的条件下, 外表面平均对流传热系数应是升温速率的单值函数。

(五) 结论

1. 计算出的传热系数与理论前提假定完全吻合, 实践与理论的一致, 证明此方法有合理性及可行性。

2. 所用铜罐在三个程序升温速率下罐体温度均一性较好, 温升速率越低均一性越好。当被加热体与内壁接触热阻较小时, 宜采用较小的升温速率。

参考文献

[1]Fubao Zhou, Deming Wang.Directory of recent testing methods for coals to spontaneous combustion[J].Journal of Fire Sciences.2004, 22 (2) :91-96.

[2]J.C.Jones, Non-Arrhenius behaviour in the oxidation of two carbonaceous substrates[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries, (2003) .

[3]江琳才, 黄炳灯, 李星华.物理化学[M].高等教育出版社.