热工过程及设备祥解.docx
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热工过程及设备祥解
目录
实验一流体力学综合实验2
实验二燃料热值的测定(氧弹法)7
实验三球体法导热系数的测定.12
实验四套管换热器液-液换热实验..................16
附录1铜-康铜热电偶分度表20
附录2精密数字温度温差仪使用方法21
实验一流体力学综合实验
流体力学综合实验台为多用途实验装置,其结构示意图如图1所示。
图1流体力学综合试验台结构示意图
1.储水箱2.上、回水管3.电源插座4.恒压水箱5.墨盒
6.实验管段组7.支架8.计量水箱9.回水管10.实验桌
利用这种实验台可进行下列实验:
一、雷诺实验;
二、能量方程实验;
一、雷诺实验
1.实验目的
(1)观察流体在管道中的流动状态;
(2)测定几种状态下的雷诺数;
(3)了解流态与雷诺数的关系。
2.实验装置
在流体力学综合实验台中,雷诺实验涉及的部分有高位水箱、雷诺数实验管、阀门、伯努力方程实验管道、颜料水(蓝墨水)盒及其控制阀门、上水阀、出水阀,水泵和计量水箱等,秒表及温度计自备。
3.实验前准备
(1)、将实验台的各个阀门置于关闭状态。
开启水泵,全开上水阀门,把水箱注满水,再调节上水阀门,使水箱的水有少量溢流,并保持水位不变。
(2)、用温度计测量水温。
4.实验方法
(1)、观察状态
打开颜料水控制阀,使颜料水从注入针流出,颜料水和雷诺实验管中的水迅速混合成均匀的淡颜色水,此时雷诺实验管中的流动状态为紊流;随着出水阀门的不断的关小,颜料水与雷诺实验管中的水渗混程度逐渐减弱,直至颜料水与雷诺实验管中形成一条清晰的线流,此时雷诺实验管中的流动为层流。
(2)测定几种状态下的雷诺系数
全开出水阀门,然后在逐渐关闭出水阀门,直至能开始保持雷诺实验管内的颜料水流动状态为层流状态。
按照从小流量到大流量的顺序进行实验,在每一个状态下测量体积流量和水温,并求出相应的雷诺数。
实验数据处理举例:
设某一工况下具体积流量Q=3.467×10-5m3/s,雷诺实验管内径d=0.014m,实验水温T=5℃,查水的运动粘度与水温曲线,可知微v=1.519×10-6m2/s。
流速
雷诺数
m3
图2雷诺数与流量的关系曲线
2雷诺数与流量的关曲线根据实验数据和计算结果,可绘制出雷诺数与流量的关系曲线(图2)。
不同温度下,对应的曲线斜率不同。
3)测定下临界雷诺数
调整出水阀门,使雷诺实验管中的流动处于紊流状态,然后缓慢地逐渐关小出水阀门,观察管内颜色水流的变动情况。
当关小某一程度时,管内的颜料水开始成为一条线流,即为紊流转变为层流的下临界状态。
记录下此时的相应的数据,求出下临界雷诺数。
4)观察层流状态下的速度分布
关闭出水阀门,用手挤压颜料水开关的胶管二到三下,使颜料水在一小段管内扩散到整的断面。
然后,在微微打开出水阀门,使管内呈层流流动状态,这是即可观察到水在层流流动时呈抛物状,演示出管内水流流速分布。
注:
每调节阀门一次,均需等待稳定几分钟。
关小阀门过程中,只许渐小,不许开打。
随着出水流量减小,应当调小上水阀门,以减少溢流流量引发的振动。
二、能量方程实验
1、实验目的
(1)、观察流体流经能量方程实验管时的能量转化情况,并对实验中出现的现象进行分析,从而加深对能量方程的理解。
(2)、掌握一种测量流体流速的原理。
2、实验装置
流体力学综合实验台中,能量方程实验部分涉及的有上水箱、能量方程实验管、上水阀门、出水阀门、水泵、测压管板(图中未给出)和计量水箱等。
3、实验前准备工作
开启水泵,全开水阀门使水箱注满水,再调节上水阀门,使水箱水位始终保持不变,并有少量溢出。
4、实验方法
(1)、能量方程实验
调节出水阀门至一定开度,测定能量方程实验管的四个断面四组测压管的液柱高度,并利用计量水箱和秒表测定流量。
改变阀门的开度,重复上面方法进行测试。
根据测试数据的计算结果,绘出某一流量下各种水头线(如图3),并运用能量方程进行分析,解释各测点各种能头的变化规律。
可以看出,能量损失沿着流体流动方向增大的;Ⅰ与Ⅲ比较,两点管径相同,所以动能头基本相同,但Ⅲ点的压力能头比Ⅰ增大了,这是由于位置能转化而得来的;Ⅰ与Ⅱ比较,其位置能头相同,但Ⅱ点比Ⅰ点的压力能头大,这是图3各种水头线
由于管径变粗;速度减慢,动能头转化为压力能头;Ⅲ与Ⅳ比较,位置能头相同,但压力能头小了,可明显看出,是压力能头转化为速度能头了。
实验结果还清楚的说明了连续方程,对于不可压缩的流体稳定流动,当流量一定时,管径粗的地方流速小,细的地方流速大。
2)测速
能量方程实验管上的四组测压管的任一组都相当与一个皮托管,可测得管内的流体速度。
由于本实验台将总测压管置与能量方程实验管的轴线,所以测得的动压水头代表了轴心处的最大速度。
皮托管求点速度的公式为:
式中u---毕托管测点处的点速度;
c---毕托管的教正系数;
h---毕托管全压水头与静水压水头差。
联立上两式可得
式中u---测点处流速,有毕托管测定;
---测点流速系数;
---管嘴的作用水头;
在进行能量方程实验的同时,就可以测定出各点的轴心速度和平均速度。
测试结果记入表二中,如果用皮托管求出所在截面的理论平均速度,可根据该截面中心处的最大流速。
雷诺数与平均流速的关系,参考有关流体力学求出。
表2-1
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
流量
左
右
左
右
左
右
左
右
m3/s
⒈
总水头
压力水头
速度水头
能量水头
⒉
总水头
压力水头
速度水头
能量水头
能量方程管断面的中心线距几厂基准线高(mm)
能量方程管内径d(mm)
静水头(mmH2O)
表2-2
Ⅰ
d1(mm)
Ⅱ
d2(mm)
Ⅲ
d3(mm)
Ⅳ
d4(mm)
轴心速度
平均速度
实验二燃料热值的测定(氧弹法)
一.实验目的
单位燃料完全燃烧后所放出的热量称为热值,它是衡量燃料质量优劣的重要指标之一。
燃料热值可用氧弹量热计直接测定。
1.了解氧弹量热计的构造和使用,掌握固体燃料热值测定原理和方法。
2.测定量热计的热容量K值。
3.测定燃料的热值。
二.实验原理
将已知量的燃料置于密封容器(氧弹)中,通入氧气,点火使之完全燃烧,燃料所放出的热量传给周围的水,根据水温升高度数计算出燃料热值。
测定时,除燃料外,点火丝燃烧,H2SO4和HNO3的生成和溶解也放出热量;量热计本身(包括氧弹.温度计.搅拌器和外壳等)也吸收热量;此外量热计还向周围散失部分热量,这些计算时都应考虑加以修正。
量热计系统在实验在条件下,温度升高1℃所需要的热量称为量热计的热容量。
测定之前,先使已知发热量的苯甲酸(量热计标准物质、热值为6329卡/克)在氧弹内燃烧,标定量热计的热容量K。
设标定时总热效应为Q,测得温度升高为Δt,测得热容量为K=Q/Δt
量热计的热容量如果已由实验室测定,同学可不必再测。
测定时,再将已知量的被测燃料置于氧弹中燃烧,如测得温度高为Δtx,则燃烧总效应为:
Qx=K×Δtx
再经进一步修正计算出燃料的热值(具体计算方法见后面)。
三.实验装置
量热计的构造(见图1),氧弹的构造(见图2)。
1.搅动棒;2.外筒;3.内筒;4.垫脚;5.氧弹;6.传感器;
7.点火按键;8.电源开关;9.搅拌开关;10.点火输出负极;
11.点火输出正极;12.搅拌指示灯;13.电源指示灯;14.点火指示灯。
四.实验方法和步骤
1.煤样准备
为保证完全燃烧测定热值的煤样,应粉碎至粒度小于0.2毫米,每次测定称煤样1.0~1.2克精确至0.0002克。
2.点火丝
点火丝有镍丝和铁丝,量出点火丝长度,计算点火丝重量(单位长度点火丝重量实验室已测好)。
3.量热计用水
量热计外筒中需注满与室温相差不超过0.5℃的水(一般已注好)。
量热计内筒用蒸馏水,为减少散热误差,内筒水温应比外筒水温低0.7℃.内筒注入的水量,以保证水面没至氧弹进气阀的2/3高度为宜,约3000克,需精确至0.5克.
4.装样料
把氧弹的弹头放在弹头架上,将样品放入坩埚内,把坩埚放在燃烧架上.测量燃烧丝长度,然后将燃烧丝两端分别固定在弹头中的两根电极上,中部贴紧样品.(燃烧丝与坩埚壁不能相碰)在弹筒中注入10毫升的水,把弹头放入杯中(样品为苯甲酸,则不用注水),用手拧紧。
5.充氧气
使用高压氧气瓶充氧必须严格遵守操作规程.开始先充入少量氧气(约0.5MPa),然后开启出口,借以赶出弹中空气.再充入约1~2MPa的氧气.
6.装置安装
将氧弹小心放入量热计内筒,接好点火电线,盖上量热计盖,插入测温传感器探头,调好精密数字温度温差仪,打开搅拌开关和电源开关,实验开始读数,
7.实验读数
实验读数分为三期:
初期,主期和末期,三个期互相衔接.
初期:
由读数开始至点火为初期,用以记录和观察周围环境与量热计在实验开始温度下热交换的关系,以求得散热校正值.初期内半分钟记录温度一次,直至得到11个读数为止.第11个读数作为燃烧前水的温度th.
主期:
从第11个读数开始,在此阶段燃烧试样所放出的热量传给水和量热计,并使量热计设备的各部分温度达到平衡.
读取初期的第11个读数之后,立即接通点火开关,点火指示灯亮,随之在1~2秒内熄灭表示点火完毕,继续观察温度计读数,在主期内仍半分钟读取一次读数,并逐一记录下来.
点火后最初几次温度读数,因上升很快不易读准,可只读到0.01℃,但不少漏读,待温度上升减缓以后,而恢复读到0.001℃,一般在第一个半分钟内温度变化不大,然后就开始迅速上升,达到最高值后,就开始降温,开始下降的第一个温度读数为止为主期,第一个下降的温度读数作为水的最终温度tK。
温度在迅速升高后,也可能不再降低而继续上升,但上升愈来愈慢,这发生在室温较量热计温度为高的情况下.
这种情况下,仍需每半分钟读一次温度读数,当这一温度变化每分钟不超过0.003℃时,即认为主期结束,主持最后一个温度读数为水的最终温度tK.
末期:
这一阶段的目的与初期相同,是为了观察实验终了温度下热交换的关系.主期的最后一个温度读数tK作为末期的第一个读数,此后仍每半分钟读取一次温度读数,至第11次读数,末期结束,读数也结束.
8.装置拆卸
实验完毕,关闭搅拌开关和电源开关,拔出测温传感器探头,打开量热计盖,取出氧弹并擦干。
小心打开氧弹排气阀(切不可先拧开氧弹盖),放出废气,响声停止后再拧开盖,检查弹内与弹盖,如有薄层烟渣或未燃尽的细粒,则实验失败,必须重做.
将内筒的水倒掉,擦干量热计所有设备,将弹头置于弹头架上。
五.实验数据记录
1)试样重量G
2)点火丝燃烧的净重量b
3)温度读数:
初期、主期、末期;
六.实验结果和分析
1、计算量热计的热容量K值:
K=(Qb×G+ɡ×b)/(tK-th+Δt)
式中:
Qb——苯甲酸(量热计标准物质)的热值为6329KJ/Kg
2、计算燃料燃烧的氧弹热值:
Qx=[K(tK-th+Δt)-ɡ×b]/GKJ/Kg
式中:
Qx——分析基试样的氧弹热值,KJ/Kg
Δt——热交换校正值,Δt=(V+V1)×(m+1)/2+V1×r
V——初期每半分钟间隔内温度变化的平均值,即初期第1个读数减去第11个读数被10除。
V1——末期每半分钟间隔内温度变化的平均值,即末期第一个读数被减去第11个读数10除。
m——主期快速升温后,每隔半分钟大于0.3℃的半分钟温度间隔数。
r——主期温度变化小于0.3℃的半分钟温度间隔数。
k——量热计的热容量KJ/℃。
ɡ——点火丝燃烧热KJ/Kg(3.3J/cm)
b——点火丝实际燃烧掉的净重量Kg
G——试样重量Kg
煤的高位发热值按下式计算:
Qg=Qx-(94.1×S+a×Qx)
式中:
Qg——分析基样品高位热值,KJ/Kg
Qx——分析基样品氧弹热值,KJ/Kg
S——由洗弹液测得的燃料含硫量,%;
a——硝酸生成热校正系数,贫煤、无烟煤取0.00410,
其他煤取0.00627。
3、实验结果分析。
七、思考题
1、实验完毕装置拆卸,氧弹必须排先放出废气后拧开氧弹盖,为什么?
2、温度读数应精确到多少?
点火后最初几次温度读数可只读到多少,为什么?
3、实验读数分几期,主期结束的标志是什么?
实验三球体法导热系数的测定
一、实验目的
1.巩固稳定导热的基本理论,学习球体法测定物质的导热系数的实验方法;
2.实验测定被测材料的导热系数λ;
3.绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。
二、实验原理
加热圆球(见图1)由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球
(1)组成。
小球内装有电加热器
(2)用来产生热量。
大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶(4)。
当温度达到稳定状态后,电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料(3)传到外球,再由外球传给空气。
1.大小同心球;
2.电加热器;
3.颗粒状试材;
4.铜康铜热电偶;
5.专用稳压电源;
6.专用测试仪;
7.底盘;
8.UJ36a电位差计图1加热圆球示意图
测取小球的温度t1,t2,t3,取其平均温度:
T1=(t1+t2+t3)/3;
测取大球的温度t4,t5,t6,取其平均温度:
T2=(t4+t5+t6)/3;
根据圆球导热公式:
λ=[UI(1/D1-1/D2)]/[2π(T1-T2)]-----------
(1);
式中:
U——加热电压;I——加热电流;
D1——小球直径;D2——大球直径;
三、实验装置及主要技术指标
实验装置YQF-1型导热系数测定仪的面板图见图2
专用电源的面板图见图3
图2YQF-1型导热系数测定仪的面板图图3专用电源的面板图
1.电源开关;2.电源指示灯;3.3.5位数显毫伏表;4.毫伏表调零电位器;5.补偿电压调节电位器;6.补偿按键;7.热电偶测量电压输出端;8.热电偶输入选择开关。
1.电源开关;2.电源指示灯;3.电压表;4.电流表;5.过载指示灯;6.电源输出端;7.电源输出粗调;8.电源输出细调。
1.加热圆球
1.1测量材料:
颗粒状材料,例如黄沙,珍珠岩等
1.2测量温度范围:
50℃~200℃
1.3加热电压:
0~60V加热电流:
0~1A(因不同的材料而不同)
1.4圆球尺寸:
小球直径D1=80mm大球直径D2=160mm
1.5稳定时间:
约4~5小时
2.导热系数测定仪
2.1数显毫伏表:
3.5位显示,量程0~20mV,测量精度:
0.1%±2个字
2.2温度补偿范围:
-10℃~40℃,补偿精度±0.5℃
3.专用电源
3.1输出电压:
0~80V
3.2输出电流:
0~1A
3.3连续工作时间:
>8小时
四、实验方法和步骤
使用前,先在加热圆球的顶部用漏斗装入测试材料,如果已加好试材,则可进行实验。
1.按图3所示进行仪器的连接。
稳压电源的输出通过电流表专用插头接到加热圆球底盘上的插座。
电源输出“+”端串接电流表。
电流表“-”与电源输出“-”端并接电压表。
2.将15芯信号线的一端插入加热圆球底座(7)专用插座,另一端插到导热系数测定仪后面板上的15芯插座上。
3.将稳压电源的输出调到最小位置,即粗调和细调均逆时针打到底。
开启电源开关,指示灯亮。
调节粗调和细调开关,改变输出电压,根据电压表和电流表的指示,调节加热功率至所需的电流和电压值。
4.打开导热系数测定仪的电源开关。
先进行数显毫伏表的调零。
将面板右下方的输出端短接,用小一字螺丝刀调节右上角的调零电位器,使毫伏表显示为零。
若已为零则无须调节。
去掉短接线就可进行测量。
5.若想检测仪器内部的温度补偿是否正常,只须按下“补偿”键,则数显毫负表显示的值即位补偿电压。
对照环境温度,通过查看附录1即可知道补偿电压是否准确。
若不准确,可用小一字螺丝刀微调“补偿”按键上方的补偿电位器至准确的补偿值即可。
再按“补偿”按键使它弹起即回到测量状态。
6.观察加热圆球的温度变化情况。
当数显毫伏表或电位差计(UJ36a型)的读数不再变化,则表示温度已达到稳定。
这时用精密电压表和电流表测得U和I的值,即可计算得到加热功率。
转动导热系数测定仪上的输入选择旋钮(8)。
这样就能选择6个热电偶进行分别测量。
7.输入选择旋钮测得的mA值加上补偿mA值即为热电偶测量值,对照附录1“铜——康铜热电偶分度表”即可查得对应的测量温度。
五、实验数据记录和处理
1、实验完后记录实验数据记录,并整理填写下表:
序号
加热电流A
加热电压V
小球温度
大球温度
导热系数W/m℃
t1
mV
t2
mV
t3
mV
T1
℃
t4
mV
t5
mV
t6
mV
T2
℃
导热系数λ根据式
(1)计算
2、绘制材料导热系数λ与温度t的关系曲线
六、思考题
1、为什么大、小球壁要设三对热电偶?
2、实验室内的空气流通对实验有无影响?
为什么?
实验四套管换热器液-液换热实验
一、实验目的
1.通过实验,测定在套管换热器中进行的液液热交换的传热总系数,流体在圆管内作强制湍流时的传热系数。
2.对在强制对流下进行液液热交换过程,验证求算传热膜系数的关联式。
通过实验取得新物系的传热系数的数据及其计算式。
3.通过本实验,了解传热过程的实验方法,在实验技能上受到一定的训练,并加深对传热过程基本原理的理解。
二、实验设备
本实验装置主要由套管热交换器(Ф12×1.5mm的黄铜管为内管,Ф20×2.0mm的有机玻璃管为套管所构成)、恒温循环水槽(控制恒温)、高位稳压水槽(保持水压恒定)以及一系列测量和控制仪表所组成,装置流程如图所示。
三、实验的方法与步骤
1、向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水,直至溢流管有水溢出为止。
2、开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门,使槽内充满水,并溢流管有水流出。
3、将冰碎成细粒,放入冷阱中并掺入少许蒸馏水,使之浊状。
将热电偶冷接点插入冰水中,盖严盖子
4、循环水槽的温度自控装置的温度定为55℃。
启动恒温水槽的电热器。
等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。
5、开启冷水截止球阀,测定冷水流量,实验过程中保持恒定。
6、启动循环水泵,开启并调节热水调节阀。
热水流量在60~250L/h范围内选取若干流量值(一般要求不少于4~5组测试数据),进行实验测定。
7、每调节一次热水流量,待流量和温度都恒定后,再通过琴键开关,依次测定个点温度。
四、实验结果整理
1、记录实验设备基本参数。
实验设备型式和装置方式:
水平装置套管式热交换器
内管基本参数:
材料:
黄铜
外径:
d=mm
壁厚:
δ=mm
测试段长度:
L=mm
套管基本参数:
材料:
有机玻璃
外径:
d`=mm
壁厚:
δ`=mm
流体流通的横截面积:
内管横截面积:
S=mm2
环隙横截面积:
S`=mm2
热交换面积:
内管内壁表面积:
Aw=mm2
内管外壁表面积:
Aw`=mm2
平均热交换面积;A=mm2
2.实验数据记录:
实验序号
冷水流量
热水流量
温度
测试截面I
测试截面Ⅱ
V,
V
T1
TW1
T`1
T2
TW2
T`2
Kg/s
Kg/s
0C
0C
0C
0C
0C
0C
3.实验数据整理:
(1)求取总传热系数;
实验序号
管内流速
流体间温度差
传热速率
总传热系数
u
△T1
△T2
△Tm
Q
K
m.s-1
K
K
K
W
W.m-2K-1
1
2
3
4
(2)由实验数据求取流体在圆形内做强制湍流时的传热膜系数а。
实验数据可参考下表整理
实验序号
管内流速
流体与壁面温差
传热速率
管内传热膜系数
U
T1-T2
T2-TW2
△T'm
Q
а
M·S-1
K
K
K
W·m-2k-1
W·m-2k-1
1
2
3
4
(3)由实验原始数据和测得的а值,对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。
整理数据:
实验序号
管内流体平均温度
流体密度
流体黏度
流体导热系数
管内流速
传热膜系数
雷诺数
努塞尔准数
普兰特准数
(T1+T2)/2
ρ
μ
λ
U
α
Re
Nu
Pr
K
Kg.m-3
Pa.s
w.m-1.K-1
m.s-1
w.m-1.k-1
1
2
3
4
列出表中各项计算式,水平管内传热膜系数的准数关联式:
Nu=a·Rem·Prn
Prn视为定值与a项合并,上等式为Nu=A·Rem
上等式两边去对数,使之线性化,即lgNu=mlgRe+lgA
用最小二乘法进行线性回归,估计参数A和m。
取Pr均值为定值,且取n=0。
3,由A计算到a值。
最后,列出参数估计值:
A=;m=;a=;
温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
温度
热电动势(mV)
-40
-1.475
-1.510
-1.544
-1.579
-1.614
-1.648
-1.682
-1.717
-1.751
-1.785
-1.819
-40
-30
-1.121
-1.157
-1.192
-1.228
-1.263
-
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- 过程 设备