学生实验气 汽传热综合实验

1、 汽传热综合实验 气-实验三 一、实验目的 的测定原理；掌握传热系数K 1. 的测定方法及数据处理。掌握传热系数K 2. 二、实验原理根据传热基本方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速度，以及各有关温度，即可 算出传热系数。 三、套管换热器实验简介 （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。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传?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，确定关联式热系数i40.mPrAReNu?mA水蒸气强化套管换热器通过对管程内部插有

2、螺旋线圈的空气、-的值；中常数Nu，了解强化传热的基本理论和基本方式。的实验研究，测定其强化比 Nu0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） 光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 ?的测定 对流传热系数i在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。 ?可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定对流传热系数 iQ i?）1（ i?t?Sim?2?)； W/(m管内流体对流传热系数，式中：i

3、Q管内传热速率，W； i2；m 管内换热面积， S i?t内壁面与流体间的温差，。 mt?t 21t?t?t?）2 （ 由下式确定： mwm2 ，tt 冷流体的入口、出口温度，；式中：21 t 壁面平均温度，； w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 来表示t 。平均温度近似相等，用 w?dLS? 管内换热面积： （3） iii d式中：内管管内径，m；i 。L 传热管测量段的实际长度，mi 由热量衡算式： Q?WCp(t?t) （4） 1im2m 其中质量流量由下式求得： ?Vmm?W （5） m3600V3 / h；冷流体在套管内的平均体积流量

4、，m式中： mCp冷流体的定压比热，kJ / (kg)； m?3。 冷流体的密度， kg /m mt?t?21VCp?t ， t，t为冷流体进出口平均温度。t ，和可根据定性温度t查得，w21m mmmm2 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nmPrA?ReNu. （6） ?ddu?Cpiimim?Re?Numm 其中：， ， ?Pr ?mim?Cp查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，物性数据、t、可根据定性温度mmmmmPr 普兰特准数变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：4m0.PrReNu?A

5、 ） （7 ，与NuRe A然后用线性回归方法确定和m的值。这样通过实验确定不同流量下的 （三） 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定以减小换热器的体积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，并且能够减少换热器的阻力和重量；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；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。所示，螺旋线圈由直径1螺旋线圈的结构图如图将金属螺旋线以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。3mm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

6、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 图1 螺旋线圈内部结构使传热强化。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d与管内径线圈是以线圈节距HmRe?BNu的值因螺旋丝尺寸不m的经验公式，其中B科学家通过实验研究总结了形式为素。和 同而不同。m与和Nu，用线性回归方法可确定B采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei 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NuNu0是强化管的努塞尔准数，的形

7、式是：Nu，其中是光滑管的努塞尔准数，显然，强化Nu0NuNu01，而且它的值越大，强化效果越好。 比 （四）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d（mm） 20.00 i22.0 mm实验内管外径d（）o50 D实验外管内径）mm（i实验外管外径D（mm） 57.0 o1.20 （m）测量段（紫铜内管）长度L1 ） 丝径h（mm 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸40 节距H（mm）200伏 操作电压 加热釜10安 操作电流 所示实验流程如图2 图2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图 1-液位管;；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5

8、-强化套管蒸汽进口阀;；6-普通套管蒸汽进口阀；7-普通套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;9-普通套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口;11-普通套管空气进口阀； 12-强化套管空气进口阀、13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵加水口； （1） 温度的测量 空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，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；）。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。 （2） 电加热釜 是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升,

9、?内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30时，用(120180)伏电压加热，约15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)。 （3） 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0.75 KW（使用三相电源），输出空气的温度呈上升使用过程中，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， 趋势。 实验的测量手段 空气流量的测量 时标定的流量和压差20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648.0)?P.909?(V?13 的关系式为： ）8 （20 20，此时需要对该读数进

10、行校正：流量计在实际使用时往往不是 273?t1VV? （9） 20t1273?20P? 式中：；KPa孔板流量计两端压差，V3 ； m /h20时体积流量， 20V3/h；m 流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，1tt 流量计处温度，也是空气入口温度，。 1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： 273?t m?VV?（10） 1tm273?t1V3 ；m/h传热管内平均体积流量，mt 传热管内平均温度，。 m 四、实验方法及步骤 实验前的准备，检查工作。 向储水罐中加水至液位计上端处。 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

11、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5，打开通向简单套管的阀门6，当简单套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门12，打开阀门11。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14来调节流量，调好某一流量后稳定3-8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 组数据。65间，要测量 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5，全部打开空气旁路阀14，关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路

12、阀12,关闭空气支路阀11，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、实验数据记录 光 滑 套 管 换 热 器 数 据 表 表 据原 始 数套 管 换 热 器 1 光 滑 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 ) (空气入口t1 ) (空气出口t2 ) (壁 温 tw P? (KPa) 差压 q3/h) 量(m流 v 表 据 物 性 数热 光 滑 套 管 换 器2 号 序1 2 3 4 5 6 7 8 ) 定性温度t(m 3) (kg/m密 度 sPa?) 度 (黏 k) (JKgCp 比 热 K)(导热系数 表理 据 处 套 管换 热

13、 器 数 3 光 滑序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 ?2) W/m( 传热系数 Re 雷诺数 Nu 努塞尔数 Pr 普朗特数 强 化 套 管 换 热 器 数 据 表 表 据原 始 数 套管 换 热 器 1 强 化序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 ) (空气入口t1 ) t(空气出口2 ) t(壁 温w P? (KPa) 压 差 q3/h) 流 量(m v 表 数 据 器 物 性 2 强化 套 管 换 热序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 ) 定性温度t(m 3) (kg/m密 度 sPa?) 黏 度 ( k) Kg(J热比 Cp K)(导热系数 表 理数 据 处 强 化 套管

14、 换 热 器3 序 号 1 2 3 4 5 6 y = 0.0397x7 8 ?2) W/m传热系数( Re 雷诺数 Nu 努塞尔数 Pr 普朗特数 六、数据处理与分析 七、实验注意事项 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

15、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38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。 八、附录 实验数据的计算过程 ( 光滑套管第1列数据为例) ?P=0.88 KPa，空气进口温度 孔板流量计压差计读数 28.8 t1tt=99.5 ，传热管壁面温度65.5 出口温度 w2dF (1)传热管内径及流通截面积iid 20.00(), 0.0200 (); i2?224/F?d ). m40.0003142（3.142 (0.0200) iiSL 及传热面积(2)传热管有效长度iL1.20 ?d?S?L2 )

16、. 0.075408(m0.021.203.142ii(3)空气平均物性常数的确定 t?t21t?t= 47.15（）， 先算出空气的定性温度 mm2 在此温度下空气物性数据如下：3 k)；Kg Cpm1005 (J； 平均密度 1.12(kg/m) 平均比热msPa? 平均粘度m平均导热系数 0.0280(K)； m；)0.0000192 (V 和平均流速的计算 空气流过换热器内管时平均体积流量m 20时对应的孔板流量计体积流量0.5P?V22.8960.53/h） m0.88= 22.896 = 21.48（20 ，故需校正：20因为流量计处温度不是273?t273?28.81?21.?V

17、V48?3=21.8（m/h） 20t1273?20273?20V: 传热管内平均体积流量 m273?t273?47.15m?21V?V?.8?3=23.12（ m/h） 1tm273?t273?28.81u: 平均流速m?23.12/(0.0003142?V/?F?36003600)u=20.45（m/s） mm?t的计算壁面和冷流体间的平均温度差: mt?t21?tt? = 99.547.15 = 52.35（） wm2 传热速率?Cp(t?t)V?23.12?1.12?1005?(65.5?28.8)1mmm2265（W） ?Q? 36003600 管内传热系数 ?265/(52.35?

18、0.074508?Q/)?t?S?2） 67.94（W/miim 各准数 ?67.94?0.0200Nu?/?d/0.0280?48 ii?0.0200?20.45?1.12/0uRe?d?./0000192=23858.3 mimm?C?510.92?1005?1p?0?.689Pr ?0.0280 其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。 m0.4PrNu?ARe中的常数项 求关联式NuNuReRe中直线。3为横坐标，在对数坐标系上标绘关系，见图为纵坐标，以 0.40.4PrPr0.8161y?0.0174x 由图线回归出如下结果：0.81610.4Pr0?.0174ReNu 即 强化套管换热器数据 。3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NuNu的计算如下： 其中强化比0Nu。如Re数带入光滑套管换热器