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【精品】传热指导书 1气-汽对流传热综合实验装置说明书天津大学化工学院化工基础实验中心2 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中。 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4.0PrRemANu=中常数A、m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0NuNu，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实验操作方便，安全可靠。 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。 水、电的耗用小，实验费用低。 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。 箱式结构，外观整洁，移动方便。 二、套管换热器实验简介光滑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imiiStQ?= （1）式中i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；mt?内壁面与流体间的温差，。 mt?由下式确定221ttttwm+?=? （2）式中t1，t2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。 管内换热面积iiiLdS= （3）式中di内管管内径，m；3Li传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式)(12ttCpWQmmi?= （4）其中质量流量由下式求得3600mmmVW= （5）式中mV冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；mCp冷流体的定压比热，kJ/(kg)；m冷流体的密度，kg/m3。 mCp和m可根据定性温度tm查得，221tttm+=为冷流体进出口平均温度。 t1，t2，tw，mV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nmANuPrRe=. （6）其中iiidNu=，mmimd?u=Re，mmmCp?=Pr物性数据m、mCp、m、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4.0PrRemANu= （7）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。 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4家通过实验研究总结了形式为mBNuRe=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0NuNu，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是光滑管的努塞尔准数，显然，强化比0NuNu1，而且它的值越大，强化效果越好。 三、实验流程和设备主要技术数据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）1.00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安实验流程如图2所示实验的测量手段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20时标定的流量和压差的关系式为5.020)(696.22PV?= （8）流量计在实际使用时往往不是20，此时需要对该读数进行校正202732731201+=tVVt （9）式中P?孔板流量计两端压差，KPa；20V20时体积流量，m3/h；1t V流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m3/h；图1螺旋线圈内部结构51t流量计处温度，也是空气入口温度，。 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11273273ttVVmtm+= （10）mV传热管内平均体积流量，m3/h；mt传热管内平均温度，。 图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-冷凝液回流口温度的测量空气进出口温度采用Cu50铜电阻温度计测得，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；5加热釜水温）。 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。 电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),内装有一支2.5kw的螺旋6形电热器，当水温为30时，用200伏电压加热，约25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)。 为了防止实验过程中液位过低，加热器干烧而使其损坏。 加热釜中加有一个液位自动报警装置，如果液位过低会发鸣叫以示提醒。 气源(鼓风机)又称旋涡气泵，XGB2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。 四、实验方法及步骤实验前的准备，检查工作。 向电加热釜加水至液位计上端红线处。 检查空气流量旁路调节阀是否全开。 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。 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.关闭通向强化套管的阀门11，打开通向简单套管的阀门10，当简单套管换热器的放空口12有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门8，打开阀门9。 在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。 启动风机后用放空阀5来调节流量，调好某一流量后稳定5-10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56组数据。 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11，全部打开空气旁路阀5，关闭蒸汽支路阀10，关闭空气支路阀9，打开空气支路阀8，进行强化管传热实验。 实验方法同步骤。 实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。 一切复原。 五、注意事项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。 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。 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。 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。 7 六、附录实验数据的计算过程(光滑套管第1列数据为例)孔板流量计压差计读数P?=5.22KPa，空气进口温度1t40.4出口温度2t63.0，传热管壁面温度wt=101.0 (1)传热管内径id及流通截面积iF id20.00(),0.0200();4/2iidF?=3.142(0.0200)240.0003142（m2). (2)传热管有效长度L及传热面积iS L1.00LdSii?=3.1420.021.000.06284(m2). (3)空气平均物性常数的确定先算出空气的定性温度mt，221tttm+=51.7（）在此温度下空气物性数据如下平均密度m1.13(kg/m3)；平均比热Cpm1005(JKgk)；平均导热系数m0.0283(K)；平均粘度m0.0000197(sPa?)；空气流过换热器内管时平均体积流量mV和平均流速的计算20时对应的孔板流量计体积流量5.020696.22PV?=22.6965.220.5=51.85（m3/h）因为流量计处温度不是20，故需校正63.53202734.4027385.51202732731201=+=+=tVVt（m3/h）传热管内平均体积流量mV:56.558.212737.5127363.5327327311=+=+=ttVVmtm（m3/h）平均流速mu:()36000003142.0/(56.553600/=FVumm=49.15（m/s）8壁面和冷流体间的平均温度差mt?的计算:221ttttwm+?=?=101.051.7=49.3（）传热速率=?=?=3600)4.4063(100513.156.553600)(12ttCpVQmmm382（W）管内传热系数()=?=)06284.03.49/(382/imiStQ123（W/m2）各准数=0283.0/0200.0123/iidNu87544820000197.0/13.115.490200.0/Re=mmmiud?700.00283.01097.11005Pr5=?=?pC其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。 求关联式4.0PrRemANu=中的常数项以4.0PrNu为纵坐标，Re为横坐标，在对数坐标系上标绘4.0PrNuRe关系，见图3中直线。 由图线回归出如下结果81.0025.0xy=即4.081.0PrRe025.0=Nu强化套管换热器数据重复上面步骤，同样可以得到强化套管换热器的实验数据，数据结果见表3。 其中强化比0NuNu的计算如下将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中，可以得到0Nu。 如表3中第1组数据Re=468560Nu=4.081.0PrRe025.0=0.025468560.810.6960.4=131.50/NuNu=132/131.5=1.002强化套管换热器的关联式见图3中直线，由图线回归结果，得出4.0771.0PrRe0522.0=iNu94.0PrNuRe关系曲线y=0.025x0.81y=0.0522x0.771101001000100010000100000ReNu/Pr0.4普通管强化管图34.0PrNuRe关系曲线10数据表表2光滑套管换热器原始数据及数据表装置编号1-普通管实验日期06，5，10No.15.224.433.532.751.850.9440.438.6036.2033.1031.0028.801.131.131.141.151.161.176362.76261101.0101.0101.0101.1101.2101.251.7050.6549.1047.0546.1045.651.091.091.101.111.111.112.832.832.812.802.792.791005100510051005100510051.971.961.951.941.941.9423456流量（Kp)T1(）T1(Kg/m3)T2(）Tw(）at(）61.262.5at(kg/m3)at*100Cp atat*10000dt(）22.6024.1025.8027.9030.2033.7049.3050.3551.9054.0555.1055.5551.8547.7742.6437.6430.8722.00dat(）V20(m3/h)Vt1(m3/h)53.6349.2643.8038.4731.4422.33V(m3/h)u(m/s)55.5651.1745.6340.2233.0123.5849.1545.2640.3735.5829.2020.86382376361346308246qc(W)（W/m2）12311911110254482504614538640456333702389887847910197918971Re Nu738464745158Nu/(Pr0.4)表3强化套管换热器原始数据及数据表装置编号1-强化管实验日期No.14.013.382.792.131.560.7141.339.4036.3033.3031.1029.201.121.131.141.151.161.1776.475.67574.975.177.9100.8100.8100.8100.8100.8100.858.8557.5055.6554.1053.1053.551.061.071.081.081.081.0823456流量（Kpa)T1(）T1(Kg/m3)T2(）Tw(）at(）at(kg/m3)at*1002.892.882.862.852.842.85ii11Cp atat*100001005100510051005100510052.001.991.981.981.971.97dt(）35.1036.2038.7041.6044.0048.7041.9543.3045.1546.7047.7047.2545.4541.7337.9133.1228.3519.1247.0743.0938.9533.8728.8819.4249.7045.5841.3936.1730.9720.9943.9740.3236.6131.9927.4018.57501477468443404303dat(）V20(m3/h)Vt1(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)（W/m2）19017516515113510246856432943971235000301342037113212211510695152141133122109131.463123.307114.97103.79Re Nu7283Nu/(Pr0.4)Nu050.9886181.00165951.0304691.9429766.9549Nu/Nu01.001548531.02068161.07134第二套套管换热器实验准数关联图y=0.025x0.81y=0.0001x1.29810100100010000100000ReNu/Pr0.4普通管强化管ii12数据表 （1）（普通）装置编号1-普通管No.10.9230.51.1760.1100.3100.5100.5100.5100.5100.445.3045.3545.5045.9046.3548.501.121.121.121.121.121.1121.622.353.043.744.5031.131.531.932.234.51.171.171.171.171.1659.659.559.960.562.53456流量（Kp)T1(）T1(Kg/m3)T2(）Tw(）at(）at(kg/m3)at*100Cp atat*100002.7910051.942.792.792.792.792.81100510051005100510061.941.941.941.941.95dt(）dat(）29.6028.5028.0028.0028.3028.0055.0055.1555.0054.6054.1551.9021.7728.8934.7939.5743.8948.15Vt1(m3/h)V(m3/h)u(m/s)23.6531.3937.8243.0747.8452.8320.9127.7533.4438.0842.3046.71