传热综合实验.docx
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传热综合实验
实验2传热综合实验
姓名学号
一、实验目的
1.通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数
的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。
并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
2.通过对管程内部插有螺旋线圈的汽—气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热基本理论和基本方式。
二、实验内容与要求
实验一：
1、测定6~7个不同流速下简单套管换热器的出入口温度差和流量，计算出对流传热系数
；
2、对
的实验数据进行线性回归（最小二乘法），求关联式Nu=ARemPr0.4中A、m的值；
实验二：
1、测定6~7个不同流速下强化套管换热器的出入口温度差和流量，算出对流传热系数
；
2、对
的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值；
3、同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0；
三、实验原理
实验2-1普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
⒈对流传热系数
的测定
对流传热系数
可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。
因为
<<
所以传热管内的对流传热系数
热冷流体间的总传热系数
（W/m2·℃）
（2-1）
式中：
—管内流体对流传热系数，W/（m2·℃）；
Qi—管内传热速率，W；
Si—管内换热面积，m2；
—对数平均温差，℃。
对数平均温差由下式确定：
（2-2）
式中：
ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；
tw—壁面平均温度，℃。
因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。
管内换热面积：
（2-3）
式中：
di—内管管内径，m；
Li—传热管测量段的实际长度，m；
由热量衡算式：
（2-4）
其中质量流量由下式求得：
（2-5）
式中：
Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；
ρi—冷流体的密度，kg/m3。
cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tm=（ti1+ti2）/2为冷流体进出口平均温度。
ti1，ti2，tw，Vi可采取一定的测量手段得到。
⒉对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
.（2-6）
其中：
，
，
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。
经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
（2-7）
通过实验确定不同流量下的Rei与
，然后用线性回归方法和最小二乘法确定A和m的值。
实验2-2、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定
强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。
强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。
螺旋线圈的结构图如图2-1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。
将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。
在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。
由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。
螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值以及管壁粗糙度（
）为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。
科学家通过实验研究总结了形式为
的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Rei与
，用线性回归方法可确定B和m的值。
单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：
，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比
＞1，而且它的值越大，强化效果越好。
需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。
四、实验装置
⒈实验流程图及基本结构参数：
图2-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（第7、8套）
1、普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器；4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口；19—普通管测压口；20—强化管测压口
如图2-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。
实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。
气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。
蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。
管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口12或13自然喷出，达到逆流换热的效果。
实验装置和结构参数如下表2-1所示：
表2-1实验装置结构参数
实验内管内径di（mm）
20.00
实验内管外径do（mm）
22.0
实验外管内径Di（mm）
50
实验外管外径Do（mm）
57.0
总管长（紫铜内管）L（m）
1.0
测量段长度l（m）
1.0
加热釜
操作电压
≤200伏
⒉实验的测量手段
⑴空气流量的测量
空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式为：
Vto=18.113×（
）0.6203（2-8）
式中：
—孔板流量计两端压差，KPa；
t0—一20℃；
由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：
（2-9）
⑵温度的测量
实验采用铜-康铜热电偶测温，温度与热电势的关系为：
T（℃）=1.2705+23.318×E（mV）（2-10）
五、注意事项
⒈由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。
检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。
⒉检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。
特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
⒊必须保证蒸汽上升管线的畅通。
即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀（见图2-2）之一必须全开。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
⒋必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（图2-）必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
⒌调节流量后，应至少稳定12~15分钟后读取实验数据。
⒍为了保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。
六、实验数据
原始数据
仪器名称：
换热器方式：
传热管内径L（m）
有效长度（m）
项目
1
2
3
4
5
6
光滑管
流量计读数（kPa）
0.6
1.2
1.79
2.4
3.03
3.6
进口温度（℃）
34.2
36.9
38.4
40.4
42.1
44.3
出口温度（℃）
68.3
68.1
68.0
68.1
68.7
69.3
热电偶温度（mV）
4.01
4.01
4.01
4.01
4.01
4.01
强化管
流量计读数
0.82
1.10
1.31
1.52
1.82
2.14
进口温度（℃）
45.1
44.8
45.6
46.1
47.5
48.9
出口温度（℃）
78.4
77.9
77.5
77.5
77.1
77.4
热电偶温度（mV）
3.73
3.72
3.72
3.72
3.71
3.71
普通套管实验数据处理表格
流量计读数（kPa）
0.6
1.2
1.79
2.4
3.03
3.6
进口温度（℃）
34.2
36.9
38.4
40.4
42.1
44.3
出口温度（℃）
68.3
68.1
68.0
68.1
68.7
69.3
热电偶温度（mV）
4.01
4.01
4.01
4.01
4.01
4.01
管壁温度tw（℃）
94.7757
94.7757
94.7757
94.7757
94.7757
94.7757
空气定性温度tm
51.25
52.5
53.2
54.25
55.4
56.8
对数平均温度Δtmi/℃
41.2
40.28
39.76
36.17
37.83
36.56
管内换热面积Sim2
0.0628
0.0628
0.0628
0.0628
0.0628
0.0628
空气流量Vto
13.19
20.28
25.99
31.78
37.97
40.09
体积流量校正Vim3/h
14.60
22.53
28.96
35.49
42.56
45.13
传热Q/w
178.5832
205.1478
226.1245
251.3256
273.9812
302.1456
传热系数α/W·m-2·K
30.4471
51.2983
69.3034
80.2692
89.1663
98.3269
Re
8102.2356
14568.2564
21658.56851
28563.1457
30145.4578
35642.1458
Nu
21.3458
36.1458
50.2356
55.2358
63.1458
68.4789
Pr
0.6962
0.6963
0.6963
0.6963
0.6962
0.6963
Nu/Pr0.4
24.8954
42.3658
56.4578
65.2145
71.9987
80.2549
Ln（Re）
8.9875
9.5878
9.9758
10.1895
10.3589
10.4879
Ln（Nu）
3.0895
3.5897
4.0283
4.1735
4.1358
4.2306
Ln（Nu/Pr0.4）
3.2069
3.7288
4.1735
4.0283
4.2766
4.3754
强化套管换热器实验数据处理表
流量计读数（kPa）
0.82
1.10
1.31
1.52
1.82
2.14
进口温度（℃）
45.0
44.8
45.6
46.1
47.5
48.9
出口温度（℃）
78.4
77.9
77.5
77.5
77.1
77.4
热电偶温度（mV）
3.73
3.72
3.72
3.72
3.71
3.71
管壁温度tw/℃
88.2467
88.0134
88.0134
88.0134
87.7803
87.7803
空气定性温度tm
61.7
61.35
61.55
61.8
62.3
63.15
Cp/（kJ·kg-1·℃-1）
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
对数平均温度Δtmi/℃
22.5825
22.7916
22.9496
22.7
23.49
21.9240
流量Vt0/（m3·h-1）
16.0150
19.2161
21.4125
23.4849
26.2611
29.0366
流量校正
Vi（m3/h）
18.2943
21.9240
24.4490
26.8352
30.0523
33.3128
传热Q/w
201.4897
215.3251
230.1145
246.1986
295.2145
300.2589
传热系数α/W·m-2·K
95.4568
104.6589
116.2354
124.1589
131.8597
145.2256
Re
15231.4589
18542.5568
20015.2214
22458.4196
26775.5400
28653.2561
Nu
65.2352
81.1456
86.6311
91.2422
94.2360
99.3221
Pr
0.6965
0.6962
0.6962
0.6962
0.6961
0.6961
Nu/Pr0.4
71.2564
82.1121
88.2545
95.2256
101.9877
112.5657
Ln（Re）
9.6235
9.7589
9.9833
10.0453
10.1254
10.2001
Ln（Nu）
4.1235
4.2564
4.3156
4.3856
4.4598
4.5541
Ln（Nu/Pr0.4）
4.2564
4.3215
4.4521
4.4460
4.5689
1.6843
实验数据处理过程所用公式：
1、管壁温度：
T（℃）=1.2705+23.318×E（mV）；
2、对数平均温差：
3、空气定性温度：
tm=（ti1+ti2）/2
4、换热面积：
5、流量计算式：
Vto=18.113×（
）0.6203
6、流量较正式：
7、质量流量：
8、传热量：
9、传热系数：
10、传热准数Nu=α
di/λ
11、测量段上空气的平均流速u=V/（F
3600）
12、雷诺准数Re=di
u
ρ/μ
13、普通管Nu/Pr0.4）-Ln（Re）回归图及对流传热准数关联式：
可得，ln（Nu/Pr0.4）=lnA+mlnRe
以ln（Nu/Pr0.4）-lnRe作图，可得一直线，直线的斜率是m，截距是lnA
作图得，m=0.8011lnC=-3.912,R2=0.9991
即Nu=0.02043Re0.8011Pr0.4
14、强化管Pr0.4）-Ln（Re）回归图及对流传热准数关联式：
由
可得ln（Nu/Pr0.4）=lnA+mlnRe
所以以ln（Nu/Pr0.4）-lnRe作图，可得一直线，直线的斜率是m，截距是lnA
作图得，m=0.8711,lnA=-4.0222R2=0.9999
所以，A=0.01781
即Nu=0.01781Re0.8711Pr0.4
15、两个实验的Nu—Re的关系图：
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