蒸汽冷凝时的传热系数实验研究.docx

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蒸汽冷凝时的传热系数实验研究

河北农业大学本科毕业设计

设计题目蒸汽冷凝时给热系数和换热系数的测定实验平台设计

学校河北农业大学

学院机电工程学院

专业班级热能与动力工程1002

学生姓名马东

学号2010214090216

指导教师闫震

教师职称讲师

日期2014年6月

摘要

在我们生活着的大千世界中发生着各种各样的过程，其中与人类的生存关系最为密切的物理过程之一就是热能的传递，这是我们生产和生活中普遍存在的物理现象，传热学历经长久的发展已经有了飞跃的进步，传热的研究主要针对于我们生活中温度的强化和削弱以及温度控制问题，而这些过程中传热系数的研究更是重中之重，本设计立足于传热系数在传热学领域中的重要作用，同时为了将理论和实践相结合，加强对知识的理解和变通同时提高对理论知识的实际应用，主要从传热的发展历史，系统原理，系统结构，组件选择，实验环节等几个方面入手，该设计主要针对两个部分进行设计，即管路系统结构设计和控制系统设计，管路系统以及控制系统中又针对主要组件如蒸汽发生器，气液分离器，热电偶，压力表等等进行设计和选型，在选型过程中在满足实验所需条件的情况下充分考虑了组件的实用性和性价比，力求经济性和简洁性，为了让系统设计既能完成数据的准确测定简洁的看到工作原理，其主要结构将采用开放式。

关键词：

发展史；结构设计；组件选择。

Abstract

Placeinthewiderworldweliveinavarietyofprocesses,oneofwhichthesurvivalofthehumanrelationshipwiththephysicalprocessismostcloselyheattransfer,whichisprevalentinourproductionandlifephysicalphenomena,heatacademicdevelopmenthasbeenalongleapofprogressinthestudyofheattransferismainlyforourlivestostrengthenandweakenthetemperatureandtemperaturecontrolproblems,andtostudytheseprocessesinheattransfercoefficientisatoppriority,thedesignbasedontheimportantroleoftheheattransfercoefficientinthefieldofheattransfer,andinordertocombinetheoryandpracticetostrengthentheunderstandingofknowledgeandworkwhileimprovingthepracticalapplicationoftheoreticalknowledge,mainlyfromthedevelopmenthistoryofheattransfer,systemstheoryseveralaspectsofthesystemarchitecture,componentselection,labsandotheraspectsofthedesignofthemaindesignforthetwoparts,namelypipingsystemdesignandcontrolsystemdesign,pipingsystems,andcontrolsystemsbutalsoformajorcomponentssuchasthesteamgeneratorcase,agas-liquidseparator,thermocouples,pressuregauges,etc.designandselection,theselectionprocesstomeettherequiredconditionsoftheexperimentinfullconsiderationofthepracticalityandcostcomponents,andstriveeconomyandsimplicity,toallowaccuratedeterminationofboththecompletesystemdesignissimpletoseethatthedataworks,itwillusethemainstructureopen.Keywords:

history;structuraldesign;componentselection.

Keywords:

historyofdevelopment;structuredesign;componentselection

目录

摘要……………………………………………………………………………………………………………………………I

Abstract…………………………………………………………………………………………………………………II

第1章绪论

1.1传热学的发展简述…………………………………………………………………………………………1

1.2应用领域分析…………………………………………………………………………………………………2

1.3设计目的与原则……………………………………………………………………………………………3

第2章系统分析

2.1功能分析………………………………………………………………………………………………………4

2.2结构分析………………………………………………………………………………………………………4

2.3原理分析………………………………………………………………………………………………………4

2.3.1从定义层面分析表面传热系数……………………………………………………………4

2.3.2从数学描述层面分析表面传热系数……………………………………………………5

2.3.3用数学模型分析通过圆筒壁的传热过程计算………………………………………6

2.3.4套管换热器传热过程平均温差的计算…………………………………………………7

第3章系统设计

3.1系统结构拟定………………………………………………………………………………………………10

3.2管路系统设计………………………………………………………………………………………………11

3.2.1蒸汽发生装置选择………………………………………………………………………………11

3.2.2气液分离器选择……………………………………………………………………………………11

3.2.3换热器选择…………………………………………………………………………………………13

3.3控制系统设计………………………………………………………………………………………………14

3.3.1热电偶选择…………………………………………………………………………………………14

3.3.2温度巡检仪选择……………………………………………………………………………………15

3.3.3接点压力表选择……………………………………………………………………………………15

3.3.4安全阀的选择………………………………………………………………………………………16

第4章实验环节

4.1实验操作流程………………………………………………………………………………………………18

4.2测试方法………………………………………………………………………………………………………18

4.3涉及公式………………………………………………………………………………………………………19

4.4注意事项………………………………………………………………………………………………………19

第5章设计总结………………………………………………………………………………………………………20

致谢…………………………………………………………………………………………………………………………21

参考文献

第1章绪论

1.1传热学的发展简述

18世纪30年代首先从英国开始的工业革命促进了生产力的空前发展。

生产力的发展为自然科学的发展和成长开辟了广阔的道路。

传热学这一门学科就是在这种大背景下发展成长起来的。

导热和对流两种基本热量传递方式早为人们所认识，第三种热量传递方式则是在1803年发现了红外线才确认的，它就是热辐射方式。

三种方式基本理论的确立则经历了各自独特的历程。

在批判“热素说”确认热是一种运动的过程中，科学史上的两个著名实验起着关键作用。

其一是1798年伦福特钻炮筒大量发热的实验，其二是1799年戴维两块冰块摩擦生热化为水的实验。

确认热来源于物体本身内部的运动开辟了探求导热规律的途径。

19世纪初，兰贝特、毕渥和傅里叶都从固体一维导热的实验研究入手开展了研究。

1804年毕渥根据实验提出了一个公式，认为每单位时间通过每单位面积的导热热量正比例于两侧表面温差，反比例于壁厚，比例系数是材料的物理性质，1807年傅里叶提出了求解场微分方程的分离变量法和可以将解表示成一系列任意函数的概念，得到学术界的重视。

1812年法国科学院以“热量传递定律的数学理论及理论结果与精确实验的比较”为题设项竞奖。

经过努力，傅里叶于1822年发表了他的著名论著“热的解析理论”，成功地完成了创建导热理论的任务。

他提出的导热定律正确概括了导热实验的结果，现称为傅里叶定律，奠定了导热理论的基础。

流体流动的理论是对流换热理论的必要前提。

1823年纳维提出的流动方程可适用于不可压缩性流体。

此方程1845年经斯托克斯改进为纳维—斯托克斯方程，完成了建立流体流动基本方程的任务。

然而，由于方程式的复杂性，只有很少数简单流动能进行求解，发展遇到了困难。

这种局面一直等到1880年雷诺提出了一个对流动有决定性影响的无量纲物理量群之后才有改观。

这个物理量群后被称为雷诺数，1881年洛仑兹自然对流的理论解，1885年格雷茨和1910年努谢尔特管内换热的理论解及1916年努谢尔特凝结换热理论解分别作出了贡献，只是为数不多。

具有突破意义的进展要推1909和1915年努谢尔特两篇论文的贡献。

他对强制对流和自然对流的基本微分方程及边界条件进行量纲分析获得了有关无量纲数之间的原则关系。

开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验研究求解对流换热问题的一种基本方法普朗特于1904年提出的边界层概念。

他认为，低粘性流体只有在横向速度梯度很大的区域内才有必要考虑粘性的影响，这个范围主要处在与流体接触的壁面附近，而其外的主流则可以当作无粘性流体处理。

这是一个经过深思熟虑、切合实际的论断。

在边界层概念的指导下，微分方程得到了合理的简化，有力地推动了理论求解的发展。

1921年波尔豪森在流动边界层概念的启发下又引进了热边界层的概念。

1930年他与施密特及贝克曼合作，成功地求解了竖壁附近空气的自然对流换热。

数学家与传热学家合作，发挥各自的长处，成为科学研究史上成功合作的范例。

在热辐射的早期研究中，认识黑体辐射的重要意义并用人工黑体进行实验研究对于建立热辐射的理论具有重要作用。

1889年卢默等人测得了黑体辐射光谱能量分布的实验数据。

19世纪末斯蒂芬（J，Stefan）根据实验确立了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律，后来在理论上被玻耳兹曼所证实。

这个规律被称为斯蒂芬—玻耳兹曼定律。

热辐射基础理论研究中的最大挑战在于确定黑体辐射的光谱能量分布。

1896年维恩通过半理论半经验的方法推导出一个公式。

这个公式虽然在短波段与实验比较符合，但在长波段则与实验显著不符。

几年后，瑞利从理论上也推导出一个公式，此公式1905年又经过金斯改进，后人称它为瑞利—金斯公式，这个公式在长波段与实验结果比较符合而在短波段则与实验差距很大，而且随着频率的增高，辐射能量将增至无穷大，这显然是十分荒唐的。

瑞利—金斯公式在高频部分即紫外部分遇到了无法克服的因难，简直是理论上的一场灾难，因此被称为“紫外灾难”。

“紫外灾难”的出现使人们强烈地意识到，原先以为已经相当完美的经典物理学理论确实存在着问题。

问题的解决有赖于观念上新的突破。

普朗克决心找到一个与实验结果相符的新公式。

经过艰苦努力，他终于在1900年提出了—个公式。

其后的实验证实普朗克公式与实际情况在整个光谱段完全符合。

在寻求这个公式的物理解释中，他大胆地提出了与经典物理学的连续性概念根本不同纳新假说，这就是能量子假说。

1859和1860年基尔霍夫的两篇论文提供了解答。

虽然他在1860年论文中的证明是针对单色和偏振辐射的，然而它的重要意义正在于对全光谱辐射的推广。

其二是物体间辐射换热的计算方法。

由于物体之间的辐射换热是一个无穷反射逐次削弱的复杂物理过程，计算方法的研究有其特殊的重要意义。

1935年波略克借鉴商务结算提出的净辐射法，1954年霍特尔提出、1967年又加以改进的交换因子法以及1956年奥本亥姆提出的模拟网络法，是三种受到重视的计算方法。

他们分别为完善此类复杂问题的计算方法作出了贡献。

1.2应用领域分析

从以上发展简史可以看出，传热学已经发展成为一门理论体系初具和发展充满活力的基础学科。

它在生产发展的推动下成长。

同时，它的建立和发展反过来又促进生产的进步发展。

当前，能源技术、环境技术、材料科学、微电子技术、空间技术等新兴科学技术的发展，向传热学提出了新的课题和新的挑战。

可以相信，传热学在迎接时代新挑战的过程中，必将获得更大的发展，取得更加辉煌的成就，传热学的普适性不仅表现为在能源动力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品、轻工、纺织、医药等传统工业部门中，而且传热学的理论和技术在生产、科学研究等领域也得到了广泛的应用。

传热学理论的应用解决了决定这些部门生产过程的热工艺技术，对一些关键技术的解决起了重要的甚至是决定性的作用，蒸汽冷凝过程中传热和给热系数的测定广发应用于各种工程领域中，电站汽轮机装置中的凝结器，锅炉炉膛中的水冷壁，冰箱与空调中的冷凝器与蒸发器，化工装置中的再沸器都是实例应用。

1.3设计目的规划原则

设计目的:

本设计将大型用于实际生产的设备通过设计精简结构做成原理相同，可用于大学教课实验环节的简单实验平台设计。

此实验平台设计将围绕两部分进行设计且实现能够测定并计算包括计算有相变得对流传热过程中传热系数和给热系数。

总体规划：

该实验平台总体主要有两大部分组成即管路结构与控制系统组成，本设计主要研究传热学的基本相关原理研究设计其内部结构。

设计原则：

追求数据精确，结构精简，原理明了，操作方便，的基本原则。

第2章系统分析

2.1功能分析

本装置拟定由电蒸汽锅炉、套管换热器、蒸汽冷凝罐、流量测试设备、固体调压模块、多路巡检仪等组成。

可测定蒸汽在冷凝过程中传热系数κ和给热系数α，使学生加深理解蒸汽冷凝现象的规律及影响凝结换热的因素，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。

系统采用敞开式设计，将控制系统、管路系统直接展现出来，器件贴有名称标识，学生可直观认识各种元器件及了解系统的工作流程。

利用套管换热器来测量蒸汽在水平管内（管外为自来水时）冷凝时传热系数和给热系数。

设有电流型漏电保护、过流保护、过载保护、接地保护，可对人身及设备进行有效保护。

2.2结构分析

基于该实验平台所要实现的功能，其主要部件设计拟定如下：

电源、蒸汽发生装置、套管、管路、测温部件、压力表、阀门、气液分离器、冷凝器、量筒、水箱等，控制系统由8个热电偶采集各点的温度。

分别为蒸汽进口温度、蒸汽出口温度、凝水水温、冷水进水口水温、冷水出水口水温、套管换热器内壁中间与两头共三处温度测试点；蒸汽发生器加热采用固体调压模块无级调节控制，多路巡检仪显示测量温度。

2.3原理分析

2.3.1从定义层面对流传热表面传热系数

在传热学中热能传递的主要方式有三种即热传导、热对流、以及热辐射，蒸汽冷凝过程中主要涉及到热传导和热对流。

热传导是指物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递；热对流是指热量通过流动介质，由空间的一处传播到另一处的现象；物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领，这种热传递的方式叫做热辐射。

在这里我们主要涉及到热传导和热对流。

一般对流分为内部流动和外部流动其主要区别是流动边界层与流道壁面之间的相对关系不同，外部流动换热壁面上的流体边界层可以自由发展不受流道壁面的阻碍和限制因此外部流动中往往存在一个边界层外的区域，在那里速度和温度梯度都可以省略，而内部流动中则相反流体流动收到流道壁面的限制，故其换热规律有明显区别。

就引起流动的原因而言，对流传热可分为自然对流和强制对流两大类，自然对流是由于流体冷热各部分的密度不同而引起的，例如暖气片附近空气向上流动，若是其流动原因为水泵或者风机的使用造成的则为强制对流，在工程上，蒸汽在冷表面上的凝结的对流传热问题就是我们所研究的凝结传热，其基本计算公式是牛顿冷却公式

q=h（tf-tw）（2-1）

tf为壁面温度tw为流体温度，如果把温差记为Δt并约定其永远取正值。

则牛顿冷却公式可表示为q=hΔt（2-2）

Φ=hAΔt（2-3）

式中，比例系数h称为表面传热系数或称为对流换热系数单位W/（m2·K）,此式子是计算对流传热的速率方程。

但是我们要知道表面传热系数的大小与对流传热过程中的许多因素有关，它不仅仅取决于流体的物性以及换热面积的大小，形状，与布置，而且还与流速有密切关系所以上式并没有解释影响表面传热系数的种种复杂因素的具体关系式而是仅仅给出表面传热系数的定义。

本设计立足表面传热系数的定义采取相关数据进行测定与计算即

h=Φ/（AΔt）（2-4）

此公式可用于计算蒸汽冷凝时给热系数的计算

2.3.2从数学描述方法及物理本质层面研究传热过程和传热系数

一般我们说，热量由壁面的一侧流体通过壁面传到另一侧流体中去的过程称为传热过程，注意这里的“传热过程”一术语有着明确的含义，它与一般性论述中把热量传递过程统称为传热过程不同，接着我们研究冷热流体通过一大块平壁交换热量的传热过程，从而导出传热过程的计算公式并讨论分析仅限于稳态过程，一般来说传热过程分为三个环节1从热流体到壁面高温侧的热量传递2从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递3从壁面低温侧到冷流体的热量传递，由于稳态过程，通过串联着的每个环节的热流量Φ应该是相同的。

设平壁面积为A参照图1即可得到三个环节的热流量的表达式如下：

图1通过平壁的传热过程

Φ=Ah1（tf1–tw1）（2-5）

Φ=Aλ/Б（tw1-tw2）（2-6）

Φ=Ah2（tw2–tf2）（2-7）

将三式联立消去tw1,tw2整理后的

Φ=A（tf1-tf2）/（1/h1+δ/λ+1/h2）（2-8）

或者Φ=Ak（tf1-tf2）（2-9）

式中k称为传热系数，单位为W/（m2·K）。

数值上它等于冷热流体间温差Δt=1ºC，传热面积A=1m2时的热流量的值，表征传热过程强烈的标尺，大则说明传热强烈反之则不强烈，但是传热系数的大小不仅仅取决于参与传热过程中的两种流体的种类，还与本身有关比如流速密度等等，上式即为传热方程式，鉴于传热过程总是包含两个对流传热环节把此方程式中的K称为总的传热系数。

即

K=Φ/A（tf1-tf2）（2-10）

2．3．3用数学模型分析通过圆筒壁的传热过程计算

由于圆筒内外壁的表面积不相等，所以对内外侧而言的传热系数在数值上是不同的，下面对管长为l的一段圆管的传热过程来做分析，参照图2：

图2通过圆管的传热

管子内半径为ri,外半径为r。

内径和外径为di和d。

管壁材料为导热系数为λ管子内外侧的复合表面传热系数分别为hi和h。

内外壁温为twi和tw。

管子内外流体的温度分别为tfi和tf。

传热过程三个环节不再赘述，稳态条件下通过各个环节的热流量Φ不变的各个环节的温度差表示如下：

tfi-twi=Φ/（hi∏dil）（2-11）

twi-tw。

=Φ/（2∏λl）ln（d。

/di）（2-12）

tw。

-tf。

=Φ/h。

∏d。

（2-13）

由以上三式可得

Φ=∏l（tfi-tf。

）/（1/（hidi）+1/2λ·ln（d。

/di）+1/（h。

d。

））（2-14）

对外侧面积而言的传热系数由下式表示

Φ=kA。

（tfi-tf。

）=k∏d。

l（tfi-tf。

）（2-15）

有上述两式对比即可得出

套管换热器

K=1/（d。

/（hidi）+d。

/（2λ）·ln（d。

/di）+1/h。

）（2-16）

顺流

顺流

逆流

图3套管换热器

2.3.4套管换热器传热过程平均温差的计算

套管换热器有顺逆流两种形式如上图当人也就有两种形式平均温差的计算，一种为逆流换热器的平均温差计算，一种为顺流换热器平均温差计算，在这里我们简单介绍一下应该如何处理逆流时平均温差的计算过程。

换热器的传热公式如下

vvvK=Φ/A（tf1-tf2）另Δtm=（tf1-tf2）（2-17）

tm为换热器的传热平均温差。

如何确定换热器的传热平均温差是平均温差法的首要任务。

假设：

（1）两侧流体的质量流量qm1、qm2与比热容c1、c2沿换热面保持常数；

（2）传热系数沿换热面为常数；

（3）换热器没有散热损失；

（4）忽略换热器壁面沿流动方向的轴向导热，一般也不考虑进出口的动能和位能的变化。

由此建立以下图4：

图4顺逆流时冷热流体的温度变化

如上图中第二幅图逆流，我们研究微元换热面dA一段的传热，在dA两侧冷热流体的温度分别为t2及t1温差为Δt即Δt=t1-t2沿传热变化关系获得了Δt沿x方向的变化关系后，对全长做积分即可求得平均值，我们从热平衡关系与传热方程另个角度来寻找其依变关系式

在微元面积dA两侧冷热流体温差

Δt=t1-t2（2-18）

通过其微元面dA的热流量

dΦ=kΔtdA（2-19）

热流体放出这份热量后温度下降Δt1则

dΦ=-qm1c1dt1（2-20）

同理对于冷流体有dΦ=-qm2c2dt2（2-21）

从而有d（Δt）=（1/（qm1c1）-1/（qm2c2））dΦ（2-22）

通过积分等多不计算计算最后得到

Δtm=Δt´-Δt´´/ln（Δt´/Δt´´）（2-23）

此式即为换热器传热过程中对数平均温差。

第3章系统设计

3.1系统结构装置拟定设计

（1）如图5实验平台结构主要由、水平试验管、电热蒸汽发生器、连接管路、计量水箱、电接点压力表、测温电热偶、测温仪表、机壳及脚轮等组成，实验时接电源和上下水即可使用。

（2）在试验台下不得供水阀处连接橡胶软管，接通自来水向锅炉注水