传热实验ws文档格式.docx
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雷诺数：
努塞尔数：
普兰特数：
式中d−换热器内管内经，m
α1−空气传热膜系数，W/m2⋅℃ρ−空气密度，kg/m3
λ−空气导热率，W/m⋅℃μ−空气粘度，J/kg⋅℃
−空气定压比热容，Pa⋅s
实验中改变空气流量以改变Re值。
根据定性温度计算对应的Pr值。
同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值，进而计算得到Nu。
因为空气传热膜系数α1远小于蒸汽传热膜系数α2，所以传热管内的对流传热系数α1约等于冷热流体间总传热系数K，即K≈α1，则有：
牛顿冷却定律：
Q=α1AΔtm=πα1dlΔtm……
式中A−总传热面积，m2（内管内表面积）
Δtm−管内外流体的平均温差，℃
式中：
T−蒸汽侧的温度，可以近似用传热管的外壁面平均温度Tw（℃）表示。
传热量Q可以由下式求得：
式中W−空气流量质量，kg/h
−空气定压比热容，J/kg⋅℃
−空气进出口温度，℃
−定性温度下空气密度，kg/m3
−流体体积流量，m3/h
孔板体积流量由孔板流量计测得，其流量
与孔板流量计压降
的关系为：
式中
为孔板流量计压降。
2.管内强化传热系数的测定
强化传热时Nu’=BRem，其中B、m的值因为螺旋麻花铁的尺寸不同而不同。
同样可以用线性回归分析方法确定B、m的值。
单纯研究强化传热手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔系数Nu’与普通管的努塞尔系数Nu的比。
显然，强化比Nu’/Nu>
1，而且比值越大，强化效果越好。
三、实验装置与流程
1、实验装置
图套管式换热实验装置和流程
2、流程说明
本装置实验图如上图所示。
空气走内管，蒸汽走环隙（比例管）。
内管为黄铜管，冷空气由风机输送管，经过孔板流量计计量后，进入换热管E01（02）内管，并与套管环隙蒸汽换热。
空气被加热后，排入大气。
空气的流量由空气流量调节阀调节。
蒸汽由蒸汽发生器M01上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器。
放空阀门用于排放不凝性气体。
在铜管之前设置有一段一定长度的稳定段，是为了消除端效应。
铜管两端用塑料管与官路相连，用于消除热效应。
3、装置及控制点参数
表1传热装置及控制点参数
序号
名称
规格
备注
1
内管
内径0.02m，
l=1.25m（有效长度）
黄铜材质
装置参数
2
强化内管内插物
麻花铁厚δ=4mm
麻花间距H=12.5mm
（共6节）
不锈钢材质
3
蒸汽发生器
加热功率1.5kW
4
XGB-12型漩涡气泵
Pmax=17.50kPa
电机功率500W
5
孔板流量计
0~20kPa
传感元件
ΔPI01
孔板压差
压阻式传感器
ASCOM5320
测量范围0~20kPa
控制参数
TI02
入口温度
Pt100
置于进、出管的中心
TI03
出口温度
TI04
1#壁温
TI05
2#壁温
K型热电偶
四、操作步骤
1、实验开始前，先弄清楚配电箱上各个按钮与设备的对应的关系，以便于正确开启按钮。
2、检查蒸汽发生器中的水位，务必使蒸汽发生器中的液位保持在（1/2）~（2/3）的高度，液位过高，则水会益入蒸汽套管，液位过低，则可能烧毁加热器。
3、打开总电源开关（红色按钮熄灭，绿色按钮亮，以下同）。
4、实验开始时，关闭蒸汽发生器补水阀，接通蒸汽发生器的加热电源，约10min后，启动风机，并打开放气阀。
5、调节空气流量时，要做到心中有数，为了保证湍流状态，孔板压差读数不应该从0开始，最低不小于0.1kPa。
实验中合理取点，以保证数据点均匀。
6、将空气流量控制在某一值，待议标读数稳定后，记录数据。
切记没每改变一个流量后，应等到读数稳定后再测取相应数据，改变空气流量（8到10次），重复实验，记录数据。
（注意：
第一个数据点必须稳定足够长的时间）。
7、最小最大流量值一定要做。
8、转换内容，进行强化管换热实验，测定8~10组实验数据。
9、实验结束后，先关闭蒸汽发生器电源，过5min后关闭风机，并且将旁路阀们打开，清理现场。
切断总电源。
五、实验数据记录与处理
1.实验原始数据表和数据结果表
表2实验原始数据记录表
普通传热
强化传热
空气平均温度t/℃
对数平均温度Δtm/℃
壁温Tw1/℃
壁温Tw2/℃
孔板压降kPa
空气平均温度t1/℃
对数平均温度t2/℃
6
7
8
9
10
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
98.9
98.12
97.14
96.08
95.22
94.28
93.42
92.41
91.61
90.8
99.7
99.9
100
99.8
100.1
100.2
100.3
3.44
3.02
2.46
2.22
1.91
1.71
1.45
0.76
0.3
0.26
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
89.72
88.94
87.98
87.19
86.35
85.52
84.71
83.99
83.13
82.34
1.62
1.54
1.41
1.11
0.91
0.62
0.46
0.35
以表2普通传热的第一组数据为例做计算.
定性温度：
t=（40.4+64.6）/2=52.5℃空气密度：
ρ=1.094kg/m3
空气粘度：
μ=1.9610-5Pa.s空气热导率λ=2.82810-2W/m.℃
空气定压比热容：
=1017J/kg˙℃体积流量：
VS=26.2Δp0.54=26.20.540.54=18.7843m3/h
空气进出口温差：
t2-t1=64.6-40.4=24.2℃
由
Q==154.744
由Q=α1AΔtm=πα1dlΔtm
管内直径d=0.02m管有效长度l=1.25m
Δt1=Tw2-t1=100.6-40.4=60.2℃Δt2=Tw1-t2=101.0-64.6=36.4℃
Δtm===48.1014℃传热膜系数：
α==41.506
u=VS/A==16.6173（m/s）雷诺数：
Re===18550.389
努赛尔数：
Nu===29.470普兰特数：
Pr===0.705
表3实验数据结果记记录表
Q
α
Re
Nu
Pr
465.38
444.67
381.85
359.29
326.89
304.08
281.12
200.49
125.53
103.69
139.897
142.529
126.337
121.159
113.238
106.555
101.218
72.004
43.575
34.066
51607.8
47978.5
40449.4
38189.7
35104.9
32996.4
30085.3
20952.9
12450.2
11491.4
99.007
100.870
87.250
83.673
78.203
73.588
69.902
49.726
30.093
23.526
0.7054
0.7059
0.7063
2.以Re为横坐标，Nu/Pr0.4为纵坐标，标会双对数坐标
图1普通传热lg（Nu/Pr0.4）~lgRe关系图
由图可以得到:
LgNu/Pr^0.4=0.9438LgRe-2.3475
E^-2.3475=0.0956
所以:
Nu=0.0956Pr^0.4Re^0.9438
图2强化传热lg（Nu/Pr0.4）~lgRe关系图
图2的直线关系为y=0.8942x-1.563,所以m=0.8942,lgA=-1.563,则A=0.02735
Nu=0.02735Pr0.4Re0.8942
3.在同一坐标系下绘制普通管和强化管Δp~Nu的关系曲线
图3普通管和强化管Δp~Nu的关系
LgNu/Pr^0.4=0.6434LgRe-1.0119
E^-1.0119=0.3635
Nu=0.3635Pr^0.4Re^0.6436
六、思考题
1.将实验得到的半经验特征数关联式和工人公式进行比较，分析造成偏差的原因。
答:
壁温接近于蒸汽温度。
可以推出此次实验中总的传热系数方程为
其中，K是总的传热系数，α1是空气的传热系数，α2是水蒸汽的传热系数，δ是铜管的厚度，λ是铜的导热系数，R1，R2为污垢热阻。
因R1，R2和金属壁的热阻较小，可以忽略不计，则可以推导出
，显然，壁温Tw接近于给热系数较大一侧的流体温度，对此实验，可知壁温接近水蒸汽温度。
2.本实验中管壁温度应该接近加热蒸汽温度还是空气温度？
为什么？
答：
接近蒸汽温度。
因为蒸汽冷凝传热膜系数α（蒸汽）>
α（空气）
3.管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？
当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度升高还是降低？
传热系数α正比于流速，所以当空气流速增大时，传热系数也增大，由
知，当Vs增大并且维持Q恒定时，温度随着减小，即出口温度降低。
4.冷凝下来的蒸汽为何要及时排出？
否则会导致什么后果？
由于蒸汽系统中没有排出冷凝蒸汽和不凝性气体的功能，一旦冷凝下来的蒸汽或者不凝性气体没有及时排出，将会导致用气设备不能快速升温并且反应迟钝，使实验数据不准确，严重时候还可能会导致液体腐蚀设备等严重问题。
5.试估算实验近似值α1=K对K造成的误差。
（可取α2=8000W/m2⋅℃）
以普通管第一组数据为例，说明问题。
此时，Q=51.8949W，∆tm=54.21℃，因为管内经为d=0.02m，则A=πdl=0.07895m2,由Q=α1A∆t知，α1=Q/A∆tm=0.9573W.m-2.℃-1；
而此时，由理论K值计算式可知：
1.0447w.m-2.K-1，则K=0.95721w.m-2.K-1由此可知，误差
6.如果采取不同压强的蒸汽实验，对α关联式有无影响？
由公式Nu=ARemPrn，发现其变量均与压强的值无关，故采用不同的蒸汽压对α关联式无影响。
7.强化传热要以什么为代价？
由于强化传热使得蒸汽发生剧烈的湍流，在螺旋麻花间距之间发生边界层分离十分严重，由此导致能量的浪费损失，即热量的损失。
8.强化传热的效果一般如何评价？
选择什么作为评价效果好坏的指标？
一般以强化比Nu’/Nu作为评价依据，强化比大于一，而且强化比越大说明强化效果越好。
9.以空气为介质的传热实验，其雷诺数Re最好应该如何计算？
雷诺数Re依旧用公式
计算（式中d：
内管径，u：
管内气体流速，ρ：
管内气体密度，μ：
管内气体粘度）。
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