(35)--传热综合实验化工原理及实验.pdf

1 传热综合实验传热综合实验 一、实验目的：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i的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。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，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。3、学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式 Nu=CRemPr0.4中常数 C、m 数值，强化管关联式 Nu0=BRenPr0.4中 B 和 n 数值。二、实验二、实验内容：内容：1、测定 5-6 组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i,对i实验数据进行线性回归，确定关联式 Nu=CRemPr0.4中常数 C、m 的数值。2、测定 5-6 组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i,对i实验数据进行线性回归，确定关联式 Nu0=BRenPr0.4中 B 和 n 数值。三、实验原理：三、实验原理：1、普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：（1）对流传热系数i的测定：对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。miiitAQ （1）imiiAtQ （2）式中：i管内流体对流传热系数，W/(m2)；Qi管内传热速率，W；Ai管内换热面积，m2；mt管内平均温度差，。平均温度差由下式确定：mwmittt （3）式中：tm冷流体的入口、出口平均温度，；tw壁面平均温度，；2 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，所以 tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：iiiLdA （4）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：)(12iipimiittcqQ （5）其中质量流量由下式求得：3600ivimiqq （6）式中：qvi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)；i冷流体的密度，kg/m3。cPi和 i可根据定性温度 tm查得，221iimttt为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2，tw，qvi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：流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：nimiiCNuPrRe.（7）其中：iiiidNu，iiiiiduRe ，iipiicPr 物性数据 i、cpi、i、i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：4.0PrReimiiCNu （8）这样通过实验确定不同流量下的 Rei与iNu，然后用线性回归方法确定 C 和 m 的值。2、强化套管换热器传热系数、准数关联式的测定：强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了3 换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。其中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（hd/2）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 Nu0=BRenPr0.4的经验公式，其中 B 和 n 的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的 Rei与iNu，用线性回归方法可确定 B 和 n 的值。四、实验装置的基本情况：四、实验装置的基本情况：1、实验装置流程示意图（如图 2 所示）：1273456891011121314151617181920 图 2 传热综合实验装置流程图 图 1 螺旋线圈强化管内部结构 4 1-光滑管空气进口阀；2-光滑管空气进口温度；3-光滑管蒸汽出口；4-光滑套管换热器；5-光滑管空气出口温度；6-强化管空气进口阀；7-强化管空气进口温度；8-强化管蒸汽出口；9-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；10-光滑套管蒸汽进口阀；12-孔板流量计；13-强化套管蒸汽进口阀；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵；16-储水罐 17-液位计；18-蒸汽发生器；19-排水阀；20-散热器；其中 2，5，7，11，12 为测试点 2、实验设备主要技术参数（如表 1 所示）：表 1 实验装置结构参数 实验内管直径（mm）221 实验内管外径 d1（mm）22.0 实验外管直径（mm）573.5 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 孔板流量计孔流系数及孔径 c0=0.65、d0=0.017 m 旋涡气泵 XGB2 型 加热釜 操作电压 200 伏 操作电流 10 安 3、实验装置面板图（如图 3 所示）：图 3 传热过程综合实验面板图 5 五、实验操作步骤：五、实验操作步骤：1、实验前的检查准备(1)向水箱 16 中加水至液位计上端。(2)检查空气流量旁路调节阀 14 是否全开(应全开)。(3)检查蒸气管支路各控制阀 10、13 和空气支路控制阀 1、6 是否已打开（应保证有一路是应保证有一路是开启状态开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。(4)合上电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。加热系统处于完好状态。2、实验开始：(1)合上电源总开关。打开加热开关,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蒸汽放空口 3 或 8 处有水蒸气冒出，经过风冷散热器 20 将水蒸气冷凝下来，并流回到水箱 17 中循环使用。加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的键，在仪表的 SV 显示窗中右下方出现一闪烁的小点，每按一次键，小点便向左移动一位，小点在哪个位子上就可以利用、键调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键的情况下 30 秒后仪表自动确认，并按所设定的数值应用。(2)合上面板上风机开关启动风机并用旁路调节阀 14 来调节空气的流量，在一定的流量下稳定 35 分钟后分别测量空气的流量压差P，空气进口温度 t1，空气出口的温度 t2，（由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度）测得），换热器内管壁面的温度 tw（由温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-粗糙管壁面温度）测得）。然后，在改变流量稳定后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度，壁面温度后继续实验。(3)实验结束后，依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。六、实验注意事项：六、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。6 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。七、实验数据记录及数据处理过程举例七、实验数据记录及数据处理过程举例（仅供参考，以实际数据为准）（仅供参考，以实际数据为准）：1、实验数据的计算过程举例(以表 2 第 1 组数据为例)孔板流量计压差P=1.15 kPa，壁面温度 tw=97.8 进口温度 t1=32.5，出口温度 t2=70.3 传热管内径 d(mm)及流通断面积 S(m2)：d20.0()0.0200()；S(d2)43.142(0.0200)240.0003142(m2)传热管有效长度 L()及传热面积 A(m2)L1.200（)AL d3.14 1.200 0.02000.075394(m2).传热管测量段上空气平均物性常数的确定：先算出测量段上空气的定性温度 tm()为简化计算,取 t 值为空气进口温度 t1()及出口温度 t2()的平均值：即1232.570.322ttt=51.4（）tm 据此查得:测量段上空气的平均密度 1.10(Kg/m3)；测量段上空气的平均比热 cp1005(JKg K)；测量段上空气的平均导热系数 0.0283（W K)；测量段上空气的平均粘度 0.0000196（sPa）；传热管测量段上空气的平均普兰特准数的 0.4 次方为:Pr0.4（）0.4=0.6960.40.865 空气流过测量段上平均体积 qvt1（m3/h）的计算:孔板流量计体积流量：10012ttPAcqv=0.65 3.14 0.0172 3600/42 1.15 10001.10=23.99（m3/h）传热管内平均体积流量 qvtm:7 112 7 32 7 35 1.4 023.9927327332.5mttVVt=25.48（m3/h）平均流速mu:/360025.48/(0.0003142 3600)mmuVF=22.54（m/s）冷热流体间的平均温度差 tm()的计算:测得 tw=100.1()1297.851.446.402mwtttt（）其他项计算:传热速率(W)3600tCpqvQtmtm25.48 1.10 1005(70.3-32.5)2963600（W）/2 9 6/(4 6.4 00.0 7 5 3 9)8 5imiQts（W/m2）传热准数 /8 50.0 2 0 0/0.0 2 7 56 0iiNud 测量段上空气的平均流速：22.54u（m/s）雷诺准数 Re/0.020022.54 1.10/0.0000196idu =2.53 104 2、数据处理结果 以4.0rPNuRe 作图、回归得到准数关联式4.0PrRemCNu中的系数：C=0.0152,m=0.8309 故 0 8670 40 0168RePr.Nu.重复以上步骤，处理强化管的实验数据。作图回归得到准数关联式中的系数：B=0.0159,n=0.8725 故 0 9330 40 0149RePr.Nu.8 表 2 实验数据记录及数据整理表 表二表二 数数 据据 整整 理理 表表 （普通（普通管管）No.1 2 3 4 5 6 空气流量压差空气流量压差P（kPa)1.15 1.59 2.08 2.59 3.05 3.45 空气入口温度空气入口温度 t1(）32.5 34.0 36.0 38.0 40.2 43.2 t1(kg/m3)1.17 1.16 1.15 1.15 1.14 1.13 空气出口温度空气出口温度 t2(）70.3 70.2 70.5 70.8 71.7 72.6 tw (）97.8 97.7 97.6 97.6 97.5 97.5 tm(）51.40 52.10 53.25 54.40 55.95 57.90 tm(kg/m3)1.10 1.10 1.09 1.09 1.09 1.08 tm 102（W/k)2.83 2.84 2.85 2.85 2.87 2.88 Cptm (J/kg k)1005 1006 1007 1008 1009 1010 tm 10-5（Pa s）1.96 1.97 1.97 1.98 1.99 1.99 t2-t1(）37.80 36.20 34.50 32.80 31.50 29.40 tm(）46.40 45.60 44.35 43.20 41.55 39.60 qvt1(m3/h)23.99 28.27 32.43 36.30 39.52 42.22 qvtm(m3/h)25.48 29.94 34.24 38.21 41.51 44.18 u (m/s)22.54 26.49 30.29 33.80 36.72 39.08 Q(W)296 333 362 383 398 393 i（W/m2）85 97 108 118 127 132 Re 25267 29581 33621 37283 40156 42292 Nu 60 68 76 82 89 91 Nu/(Pr0.4)69 79 88 95 102 106 9 表 3 实验数据记录及数据整理表 表三表三 数数 据据 整整 理理 表表 （强化（强化管管）No.1 2 3 4 5 6 空气流量压差空气流量压差P（kPa)0.60 0.91 1.20 1.57 1.89 1.95 空气入口温度空气入口温度 t1(）31.0 33.8 36.4 39.9 43.7 46.5 t1(kg/m3)1.17 1.16 1.15 1.14 1.13 1.12 空气出口温度空气出口温度 t2(）85.1 84.7 84.6 84.7 85.4 86 tw (）97.7 97.5 97.4 97.3 97.4 97.4 tm(）58.05 59.25 60.50 62.30 64.55 66.25 tm(kg/m3)1.08 1.07 1.07 1.06 1.06 1.05 tm 102（W/k)2.88 2.89 2.90 2.91 2.93 2.94 Cptm (J/kg k)1005 1006 1007 1008 1009 1010 tm 10-5（Pa s）1.99 2.00 2.01 2.01 2.02 2.03 t2-t1(）54.10 50.90 48.20 44.80 41.70 39.50 tm(）39.65 38.25 36.90 35.00 32.85 31.15 qvt1(m3/h)17.29 21.38 24.65 28.34 31.27 31.90 qvtm(m3/h)18.83 23.16 26.57 30.37 33.33 33.87 u (m/s)16.66 20.48 23.50 26.87 29.49 29.96 Q (W)307 354 383 405 411 394 i（W/m2）103 123 138 154 166 168 Re 18010 22002 25072 28377 30761 30969 Nu0 71 85 95 105 113 114 Nu0/(Pr0.4)82 98 110 122 131 132 10 图图 4 4 传热实验准数关联图传热实验准数关联图 结论结论：对于普通管 ,C=0.0152,m=0.8309 对于强化管 ,B=0.0159,m=0.8725