实验气汽传热合实验.docx
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实验气汽传热合实验
实验：
气汽传热合实验
作者:
日期:
实验三气-汽传热综合实验
-、实验目的
1.掌握传热系数K的测定原理；
2.掌握传热系数K的测定方法及数据处理。
二、实验原理
根据传热基本方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速度，以及各有关温度，即可算出传热系数。
三、套管换热器实验简介
（一）实验装置的功能和特点
本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的，以空气和水蒸汽为传热介质，可以测定对流传热系数，用于教学实验和科研。
通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数i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
NuARemPr0.4中常数Am的值；通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器
的实验研究，测定其强化比NuNu，了解强化传热的基本理论和基本方式。
实验装置的主要特点如下：
⑴实验操作方便，安全可靠。
⑵数据稳定可靠，强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。
⑶水、电的耗用小，实验费用低。
⑷传热管路采用管道法兰连接，不但密封性能好,?
而且拆装也很方便。
⑸箱式结构，外观整洁，移动方便。
（二）光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定
1.对流传热系数i的测定
在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。
对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定
Qi
tmSi
式中：
i—管内流体对流传热系数，W/（m2?
C）；
Qi—管内传热速率，W;
S—管内换热面积，m2;
式中：
ti,t2—冷流体的入口、出口温度，C；
tw—壁面平均温度，C；
由热量衡算式:
其中质量流量由下式求得:
m—冷流体的密度，kg/m3。
可采取一定的测量手段得到。
2.对流传热系数准数关联式的实验确定
3.
流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为
物性数据m、Cpm、
m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Pr变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：
m0.4
NuARePr
这样通过实验确定不同流量下的Re与Nu，然后用线性回归方法确定A和m的值。
（3）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，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积
并且能够减少换热器的阻力
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;
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
图1螺旋线圈内部
流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。
螺旋纟士
0数的重要因
线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻
m
素。
科学家通过实验研究总结了形式为NuBRe的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不
同而不同。
采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei与Nu，用线性回归方法可确定B和
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：
NuNUo，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nuo是光滑管的努塞尔准数，显然，强化比NuNu。
＞1,而且它的值越大，强化效果越好。
（4）实验流程和设备主要技术数据
1.设备主要技术数据见表1
表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
测量段（紫铜内管）长度L（m）
1.20
强化内管内插物
（螺旋线圈）尺寸
丝径h（mm）
1
节距H（mm）
40
加热釜
操作电压
W200伏
操作电流
W10安
2.实验流程如图2所示
图2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1-液位管；；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀;;6-普通套管蒸汽进口阀；7-普通套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；9-普通套管蒸汽岀口；10-强化套管蒸汽岀口;11-普通套管空气进口阀；
12-强化套管空气进口阀、13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵加水口；
（1）温度的测量
空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示（1—普通管空气进
口温度；2—普通管空气出口温度；3—强化管空气进口温度；4—强化管空气出口温度；）。
壁温采用热电偶温度计测量，光滑管的壁温由显示表的上排数据读出，强化管的壁温由显示表的下排数
据读出。
（2）电加热釜
是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升,?
内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30C时，用（120—180）伏电压加热，约15分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热（使用）电压不超过200伏（由固态调压器调节）。
（3）气源（鼓风机）
又称旋涡气泵，XGB-2型，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75KW（使用三相电源），
在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升
趋势。
3.实验的测量手段
⑴空气流量的测量
空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。
该孔板流量计在20C时标定的流量和压差
的关系式为：
V2013.909（P）0648（8）
流量计在实际使用时往往不是20C，此时需要对该读数进行校正：
■273ti
VtiV20（9）
X27320
式中：
P—孔板流量计两端压差，KPa;
V20—20C时体积流量，m3/h;
Vti—流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m3/h;
ti—流量计处温度，也是空气入口温度，C。
由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正:
Vm—传热管内平均体积流量，m3/h；
tm—传热管内平均温度，C。
四、实验方法及步骤
1.实验前的准备，检查工作。
⑴向储水罐中加水至液位计上端处。
⑵检查空气流量旁路调节阀是否全开。
⑶检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。
保证蒸汽和空气管线的畅通。
⑷接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。
2.实验开始。
⑴关闭通向强化套管的阀门5，打开通向简单套管的阀门6，当简单套管换热器的放空口9
有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门i2,打开阀门ii。
在整个实验过程中始终保持换
热器出口处有水蒸气冒出。
⑵启动风机后用放空阀i4来调节流量，调好某一流量后稳定3-8分钟后，分别测量空气的流
量，空气进、出口的温度及壁面温度。
然后，改变流量测量下组数据。
一般从小流量到最大流量之间，要测量5〜6组数据。
⑶做完简单套管换热器的数据后，要进行强化管换热器实验。
先打开蒸汽支路阀5,全部打
开空气旁路阀14,关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11,进行强化管传热实验。
实验方法同步骤⑵。
3.实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。
一切复原。
五、实验数据记录
光滑套管换热器数据表
1—光滑套管换热器原始数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口t1（C）
空气出口t2（C）
壁温tw（C）
压差P（KPa）
2—光滑套管换热器物性数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度tn（C）
密度p（kg/m3）
黏度卩（Pas）
比热Cp（J/Kg-k）
导热系数入（W/mK）
3—光滑套管换热器数据处理表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
、.3
流量qv（m/h）
流速u（m/s）
传热系数（w/m-C）
雷诺数Re
努塞尔数Nu
普朗特数Pr
1—强化套管换热器原始数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口ti（c）
空气出口t2（C）
壁温tw（C）
压差P（KPa）
2—强化套管换热器物性数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度tn（C）
密度p（kg/m）
黏度卩（Pas）
比热Cp（J/Kg-k）
导热系数入（W/mK）
3—强化套管换热器数据处理表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
流量qv（m3/h）
流速u（m/s）
传热系数（w/m-C）
雷诺数Re
努塞尔数Nu
普朗特数Pr
六、数据处理与分析
七、实验注意事项
1.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。
2.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，两蒸汽支路阀门之一必须全开。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3.必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭支路阀。
4.调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。
5.实验中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。
八、实验思考题
预习思考题：
1•本次实验中空气流量如何测定？
原始数据记录表中的哪个参数反映空气流量？
2•为什么在整个实验过程中始终要保持换热器出口有蒸气冒出？
4.光滑套管和强化套管有何区别？
如果空气流量相同，哪个套管内的传热系数大？
5.本次实验中的传热系数，描述的是哪两者之间的对流传热？
实验思考题：
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