实验四气-汽对流传热综合实验报告

1、化学实验教学 中 心实验报告化学测量与计算实验U实验名称：气-汽对流传热综合实验报告学生姓名：学号：院（系）:年级：级班指导教师：研究生助教：实验日期： 交报告日期:一、实验目的1. 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;2. 应用线性回归分析方法，确定关联式?= ?卩4中常数A、m的值;3. 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?0, 了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理本实验采用套管换热器，以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以

2、及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1. 对流传热系数？?？的测定在该实验中，空气走内管，蒸汽走外管。对流传热系数？?？可以根据牛顿冷却定律，用实验测定“？= 一-？x ？(1)式中，？为管内流体对流传热系数，？(0? C) ； ？为管内传热速率，？； ？管内换热面积，m2 ； ？为内壁面与流体间的温差，C。？? + ？2 ？由 右 式 确 定：？?？= ？ -2 -(2)式中，？1和？2分别为冷流体的入口、出口温度，C ； ?为壁面平均温度，C。应为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且

3、管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面温度近似相等，用 ？?？来表示。管内换热面积：？?？ = n ?(3)式中，？?？为内管管内径，m； ?为传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：？?？ = ?(?2 - ?1)(4)?其中质量流量由右式求得：？?？ =(5)3600式中，？?？为冷流体在套管内的平均体积流量，？3? ； ?为冷流体的定压比热，kJ?(kg?C) ； ?为冷流体的密度，kg?m?。? + ?2?和？?？可根据定性温度？?？查得，？?？ = 2 -为冷流体进出口平均温度。?1、?2、？?、?可采取一定的测量手段得到。2. 对流传热系数准数关系式的实验确定流体在管内做强制湍

4、流，被加热状态，准数关联式的形式为：?= ?X（6）其中 ? = ? ? = ? ? = ? 其中，?，.?， ?物性数据？?、?、？?？、?可根据定性温度？?？查得。经计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特常数？?变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为：? = ?学.4（ 7）这样通过实验确定不同流量下的 ？?与?，然后用线性回归方法确定 A、m的值。（二）强化管换热器传热系数、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

5、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。科学家通过实验研究总结了形式 为?= B?的经

6、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禾口 ？，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：?0，其中？是强化管的努塞尔准数，？）是普通管的努塞尔准数， 显然，强化比？?？o 1，而且它的值越大，强化效果越好。三、实验流程设备主要技术数据1. 设备主要技术数据见下表：表1实验装置结构参数实验内管内径d (mr)i实验内管外径do (mn)实验外管内径D (mm50实验外管外径D (mr)测量段(紫铜内管)长度 L (m强化内管内插物(螺旋线圈)尺寸丝径h (

7、mm1节距H ( mm40加热釜操作电压 200 伏操作电流022. 694 ( P)0.522. 694 (0. 22)0.5 10. 64 (?3?)因为流量计处的温度不是20C，需进行校正，传热管内的体积流量？?？：11.40 (?3?)? = ?20 X 273+ ? = 10.64 X 273+ 52.4?20273+ ?1273+ 30.9平均流速？?？:?11.39? = 3600X ? = 3600X0.0003142= 10.08 ()S)(5)壁面和冷热流体间的平均温度差？?？的计算：?1 + ?230.9+73.9? = ? - 2 = 99.7 - 2=47.3 C(6

8、 )传热速率_ ?,、 11.39X1.085 X1005 X(73.9- 30.9),、?=旨？?(？2- ?1)=3600 = 148.45(?)(7) 管内传热系数小小?148.352 。(8) 传热准数：？= ? =0.0285= 35.05雷诺准数：？=?；?=壮嚟严=11099.26 普兰特常数：? = -?-?=窗=0.695其他组数据的处理方法同上，处理结果见上表2。(9) 求关联式?= ?S?).4中的常数项以为？?？.4纵坐标，?为横坐标，在对数坐标系上标绘？?？.4 ?关系，见图3直线n。由图得线性回归方程如下：y = , R2 =即？= 0.0317?.7667?14(

9、二)强化管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定1.实验数据记录与整理表(计算过程在下面第2步)表3强化管换热器原始数据及数据整理表传热管内径？?？： m 有效长度： m冷流体：空气(管内)流体：烝汽(管外)组数1234孔板压差？p(pa空气入口温度?1(C)空气入口温度？2(C)壁面温度？?？(C )管内平均温度?(C)? (kg?m?)? ?(?)接上表?J?(kg?K)1007100710071007? ( ?)空气进出口温差? (C)平均温差?(C)20 C时空气流量?20 (m3?)管内平均流量? (m3?)平均流速？?？(?)传热量QW? ?(mf? C)?0-4?0?02. 实

10、验数据的计算过程(1) 重复光滑管数据计算过程中的(1) ( 8)步，并将数据结果填到表 3。(2) 求强化套管换热器关联式 ？= ?7?04中的常数项以?-4为纵坐标，？为横坐标，在对数坐标系上标绘7?14 ?关系，见图3直线I。由图得线性回归方程如下：y = , R2 =即？= 0.1032?67?14(3)强化比？?o的计算将强化套管换热器求得的？数代入光滑套管换热器所得的准数关联式中，可以得到?0。如表 3 中第 1 组数据：?= 1003617, ?= 0.698,?= 5408?）= 0.0317?7667?14 二 0.0317 X10036.1707667 X0.69804=3

11、2.115408 ?. = = 1.68032.11（三）绘图以?04为纵坐标，？为横坐标，在对数坐标系上标绘 7?0.4 ?关系，根据表2和表3中的数据作图3如下：七、实验结果与误差分析(1)实验结果根据上述实验数据处理可得：光滑管? ?(mf?C)Am强化管? ?(mr?C)Am(2)误差分析 根据上表可以看出，光滑管换热器和强化管换热器的对流传热系数？?？有较大差别，对于两种换热器本身来说，改变孔板温差？P,对流传热系数？?？也跟着改变。由此可知，影响对流传热系数？因素有：流体的流速，流体温度、压力差对应的物理性质如？?？、？、？、？，以及传热面的形状等。 光滑管和强化管换热器的准数关联式？= ?？?.4中常数A、m的值也存在误差。产生该误差的原因可能有：误差的来源很多，读数不稳定、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热流量值下 降等都使结果有一定的偏差。而且在处理数据时，采用很多近似处理，而实际实验时很多