实验3__传热综合实验.pdf

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1、实验 2 传热综合实验 一、实验目的 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。二、实验内容与要求 测定 56 个不同流速下简单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。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 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 K，K（W/m2）为热冷流体间的总传热系数，且

2、，所以 （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；管内平均温度差，。平均温度差由下式确定：（2-2）式中：冷流体的入口、出口平均温度，；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，所以tw 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，

3、kJ/(kg)；i冷流体的密度，kg/m3。cpi 和 i 可根据定性温度 tm 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。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 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：（2-7）这样通过实验确定不同流量下的 Rei 与 ，然后用线性回归方法确定 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：强化传热技术

4、，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，本实验装置采用了内插螺旋线圈的强化方式。螺旋线圈的结构图如图一所示，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

5、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 的值因强化方式不同而不同。在本实验中，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

6、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 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 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

7、，12 为测试点 如图 2-2 所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生器为电加热釜，内有 1 根 2.5kW 电热器，用 165 伏电压加热约 15 分钟后水便沸腾。气源选择 XGB-12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，由另一端蒸汽出口喷出后经风冷冷凝器冷凝后回流至储水釜，达到逆流换热的效果。装置结构参数

8、表 2-1 所示。表 2-1 传热综合实验套管换热器实验装置结构参数 套管换热器内管内径 di 20.0mm 套管换热器内管外径 do 22.0mm 套管换热器外管内径 Di 50mm 套管换热器外管外径 Do 57mm 测量段（紫铜内管）长度 l 1.20m 强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸 丝径 h 3mm 节距 H 40mm 加热釜 操作电压 200V 操作电流 10A 实验的测量手段 1 空气流量的测量 空气主管路由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计算式如下：（1）式中：C0孔板流量计孔流系数，C0=0.65；A0孔道面积，m2；=d02/4 d

9、o孔板孔径，0.0165m 孔板流量计两端压差，Pa；t0流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），；tm换热器管内平均温度，；0t0 时的空气密度，kg/m3。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：（2-10）五、注意事项 实验前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必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。3.开始加热时，加热电压控制在

10、160V 左右为宜，加热电压过大则容易导致壁温不稳。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。调节流量后，应至少稳定 510 分钟后读取实验数据。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。六、报告内容 实验的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例选择普通管任一数据表做回归举例。实验的原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、还包括重要的中间计

11、算结果）、准数关联式的回归结果。在同一双对数坐标系中绘制 NuRe 的关系图。4.对实验结果进行分析与讨论。实验数据表 实验名称：传热综合实验 实验时间：同组人：管内径 di：20mm；管内换热面积：；管内流通面积：S=di2/4 序号 1 2 3 4 5 6 孔板流量计读数 P（Kpa)冷流体入口温度 t1（）冷流体出口温度 t2（）壁面温度 tw（）冷流体的入口、出口平均温度 （冷流体的定性温度）管内平均温度差 （）管内传热速率 Qi W 冷流体的比热容 cpi kJ/(kg)由定性温度查得 冷流体的密度 i kg/m3 由定性温度查得 质量流量 Wi kg/h 孔板流量计处体积流量 Vt1（m3/h）C0孔板流量计孔流系数，C0=0.65；A0孔道面积，d02/4，m2；do孔板孔径，0.0165m 孔板流量计两端压差，Pa；管内平均体积流量 Vi（m3/h）管内流体对流传热系数 i W/(m2?)；Nui i 由定性温度查得 Pr0.4（可视为常数）i 由定性温度查得 Nu/(Pr0.4)Rei ui(m/s)在双对数坐标中 Nu/(Pr0.4)对Rei 作图 备注：数据量多请自行续表，实验完成需要老师签字。继续阅读