传热综合实验.docx
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传热综合实验
实验五传热综合实验
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空气—水蒸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，了解强化传热的基本理论和基本方式。
二、实验内容
1.测定5～6个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数
，对
的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。
2.测定5～6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数
，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1所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。
三、实验原理
（一）普通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
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：
（W/m2·℃）
式中：
—管内流体对流传热系数，W/（m2?
℃）；
Qi—换热器传热速率，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：
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，管外为蒸汽冷凝，因此，将壁面平均温度近似视为蒸汽的温度，且保持不变。
传热面积（内）：
式中：
di—传热管内径，m；
Li—传热管测量段的实际长度，m。
由热量衡算式：
其中质量流量由下式求得：
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tmi查得，
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。
2.对流传热系数准数关联式的实验确定
空气在管内作强制湍流，且被加热，准数关联式的形式为：
其中：
，
，
物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tmi查得。
这样通过实验确定不同流量下的Rei与
，再用线性回归方法即可确定A和m的值。
（二）、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，它能减小换热器的传热面积，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5-1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，长径比H/d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，采用普通管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。
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、实验流程
1.实验流程
实验流程图见图5—2。
实验装置的主体是两根平行的换热套管，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不同的换热管的内管。
蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升，经支路控制阀选择不同的支路进入套管壳程。
装置结构参数如表5—1所示。
图5—2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
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；7.风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；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
表5—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）
1.00
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
≤200伏
操作电流
≤10安
2.实验测量手段
1流量的测定：
孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。
空气流量由下式计算：
式中：
Vt0——20℃下的体积流量；
ΔP—孔板两端压差，KPa（即数字显示仪表读数）
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：
式中：
Vi—实验条件下（管内平均温度）下的空气流量，m3/h;
tmi—换热器管内平均温度，℃
②温度测量：
a）空气进、出传热管测量段的温度由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
b）管外壁面平均温度Tw（℃），由数字式毫伏计测出与该温度对应的热电势E（mv,热电偶是由铜─康铜组成）,将E值代入公式:
Tw（℃）=1.2705+23.518×E（mv）计算得到。
五、实验方法及步骤
1.实验前的准备检查工作
①向蒸汽发生器中加水至液位计上端红线处。
②向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。
③检查空气流量旁路调节阀是否全开。
④检查蒸汽管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线畅通。
⑤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.实验操作
A.人工实验操作
①合上电源总开关。
②打开加热电源开关,设定加热电压（不得大于200V），直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。
③启动风机，用放空阀来调节流量，在一定的流量下,稳定5—10分钟后分别测量空气的流量、空气进出口温度、壁面温度。
④改变流量，待流量稳定后再分别测量空气的流量、空气进、出口温度、壁面温度后继续实验。
⑤实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。
一切复原。
B.使用计算机自动控制试验
①启动计算机并按照操作说明进行操作；
②合上电源总开关、加热电源开关，设定加热电压（不得大于200V）,直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气；
③计算机数据采集
a.用放空阀调节流量，待操作稳定后，用计算机分别对空气流量、空气进出口温度、换热器水蒸气温度进行采集；
b.改变空气流量，待操作稳定后，分别用计算机测量空气流量、空气进出口温度、水蒸气温度；
c.用计算机对所得实验数据进行计算和整理，得出实验结果，并通过显示器显示或打印出来。
六、实验注意事项
1.刚刚开始加热时，加热电压可在180V左右，但不能过大；
2.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；
3.检查蒸汽发生器中的水位是否在正常范围内，特别是每个实验结束后，进行下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量；
4.必须保证蒸汽上升管线的畅通。
在给蒸汽发生器电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。
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要缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出；
5.必须保证空气管线的畅通。
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，然后开启和关闭控制阀；
6.调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。
七、实验数据整理
1.将普通管实验数据填入表一。
并以一组数据为例写出计算过程；
2.将粗糙管实验数据填入表二。
并以一组数据为例写出计算过程；
3.以Re为横坐标，以Nu/Pr0.4为纵坐标，将上述表中数据绘制在同一双对数坐标图中；
4.对实验结果进行分析与讨论。
表1普通管实验记录
1
2
3
4
5
6
7
传热管内径dim
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
流通截面积A,㎡
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
孔板压差（Kpa）
0.15
0.48
0.91
1.47
1.98
2.49
2.95
空气入口温度ti1（℃）
26.2
32.3
34.7
36.8
38.9
40.8
42.4
空气出口温度ti2（℃）
75.1
73.9
73.1
72.2
72.3
72.4
72.6
壁面热电势E（mv）
4.15
4.13
4.12
4.12
4.12
4.11
4.10
表2普通管数据整理
1
2
3
4
5
6
7
壁面温度Tw（℃）
98.9
98.4
98.2
98.2
97.9
97.7
97.4
平均温差Δtm（℃）
43.8
41.9
41.4
41.2
40.0
38.9
37.3
管内平均温度tmi（℃）
50.6
53.1
53.9
54.5
55.6
56.6
57.5
ρ（kg/m3）
1.091
1.083
1.086
1.078
1.075
1.071
1.068
Cp
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
Pr
0.698
0.697
0.697
0.697
0.697
0.697
0.696
λ*100
2.830
2.847
2.854
2.858
2.846
2.872
2.878
μ*100000
1.96
1.97
1.98
1.98
1.99
1.99
2.00
流通截面积A，㎡*10^-4
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
管内流量Vi（m3/h）
6.17
12.79
19.06
25.71
31.03
35.88
39.97
空气流速u（m/s）
5.46
11.31
16.86
22.74
27.45
31.74
35.36
管内传热面积Si㎡*10^-2
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
传热量Q（W）
0.092
0.161
0.222
0.274
0.311
0.339
0.36
αi（W/m2·℃）
0.033
0.066
0.085
0.106
0.124
0.139
0.151
Re
6078.4
12435.3
18494.9
24761.3
29657
34164.4
37764.5
Nu
0.023
0.046
0.059
0.074
0.086
0.097
0.105
Nu/（Pr0.4）
0.026
0.053
0.068
0.085
0.099
0.112
0.121
表3强化管实验记录及数据整理
1
2
3
4
5
6
7
传热管内径di,m
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
0.002
孔板压差（Kpa）
0.15
0.48
0.91
1.47
1.98
2.49
2.88
空气入口温度ti1（℃）
78.2
75.0
74.2
72.7
73.0
73.7
74.4
空气出口温度ti2（℃）
78.2
75.0
74.2
72.7
73.0
73.7
74.4
壁面热电势E（mv）
4.14
4.14
4.13
4.13
4.13
4.13
4.13
表4强化管数据整理
1
2
3
4
5
6
7
管内传热面积Si,㎡*10^-2
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
6.28
管内平均温度tmi（℃）
54.65
53.65
54.15
54.55
55.95
57.45
58.75
ρ（kg/m3）
1.078
1.081
1.079
1.078
1.073
1.068
1.063
Cp
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
Pr
0.697
0.697
0.697
0.697
0.697
0.696
0.696
λ*100
2.858
2.851
2.854
2.857
2.868
2.878
2.885
μ*100000
1.982
1.987
1.980
1.982
1.990
1.998
2.002
壁面温度Tw（℃）
98.6
98.6
98.4
98.4
98.4
98.4
98.4
平均温差Δtm（℃）
41.8
41.3
41.0
41.3
40.1
38.7
37.5
管内流量Vi（m3/h）
6.24
12.81
19.07
25.71
31.06
35.97
39.53
流通截面积A,㎡*10-4
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
3.14
空气流速u（m/s）
5.52
11.3
16.78
22.74
27.48
31.82
34.97
传热量Q（W）
0.088
0.165
0.230
0.281
0.317
0.348
0.367
αi（W/m2·℃）
0.034
0.064
0.089
0.108
0.126
0.143
0.156
Re
6004.6
12383.9
18386.6
24736.3
29634.2
34017.8
37135.9
Nu
0.024
0.048
0.062
0.076
0.088
0.099
0.108
Nu/Nu0
1.043
1.043
1.051
1.027
1.023
1.021
1.029
lnNu/（Pr^0.4）
Nu/（Pr0.4）
0.028
0.052
0.072
0.088
0.102
0.114
0.125
lnRe
普通管lnNu/（pr^0.4）~lnRe曲线
由直线得出k=0.8226即m=0.8226
代入式中算出lnA=3.69*10^-6
所以直线方程：
lnNu/（Pr^0.4）=3.69*10^-6+0.8226lnRe
lnNu/（Pr^0.4）
lnRe
强化管lnNu/（pr^0.4）~lnRe曲线
由直线得出k=0.8104即m=0.8104
代入式中算出lnA=3.37*10^-6
所以直线方程：
lnNu/（Pr^0.4）=3.37*10^-6+0.8104lnRe
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