气-汽对流传热综合实验装置说明书

1、气汽 对 流 传 热 综 合 实 验 装 置 (计算机控制说 明 书天 津 大 学化 工 技 术 基 础 实 验 中 心2003年 5月一、 实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质,对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管 换热器。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 Nu=ARemPr0.4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,测定其准数关联式 Nu=BRem 中常数 B 、 m 的值和强化比 Nu/Nu0,了解强化传热的基本理论

2、和基本方式。实验装置的主要特点如下:1.实验操作方便 , 安全可靠。2.数据稳定 , 强化效果明显,用图解法求得的回归式与经验公式很接近。3.水 , 电的耗用小 , 实验费用低。4. 传热管路采用管道法兰联接 , 不但密封性能好 , 而且拆装也很方便。5. 箱式结构,外观整洁,移动方便。二、强化套管换热器实验简介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

3、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 mB Nu Re 的经验公 式,其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。采用实验 3-1中的实验方法确定不同

4、流量下得 Rei 与 i 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:0Nu Nu ,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 0Nu Nu >1,而且它的值越大,强化效果越好。 三、 设备主要技术数据图 1 螺旋线圈内部结构 2. (1 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式 1计 算。5. 00 (034. 20P V t = 1其中,0t V - 20 下的体积流量, m 3/h ;P -孔板两端压差, Kpa1t-空气入口温

5、度(及流量计处温度下密度, Kg/m3。(m3/h与压差之间的关系。(2 要想得到实验条件下的空气流量 V (m3/h则需按下式计算 : 02732730t V V t += 2 其中, V -实验条件(管内平均温度下的空气流量, m3/h;-换热器管内平均温度,;t1-传热内管空气进口(即流量计处温度,。3.温度测量(1 空气入传热管测量段前的温度 t 1 ( 由电阻温度计测量,可由数字显示仪表 直接读出。(2 空气出传热管测量段时的温度 t 2 ( 由电阻温度计测量,可由数字显示仪表直 接读出。(3 管外壁面平均温度 tw( 由数字式毫伏计测出与其对应的热电势 E(mv,热电 偶是由铜康铜

6、组成 , 再由 E 根据公式 :tw( = 1.2705+23.518×E(mv计算得到。4.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 。5. 气源 (鼓风机 又称旋涡气泵 , XGB 2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 , 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

7、 , 输出空气的 温度呈上升趋势。6. 稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽 , 并在不凝气排出口有适量的汽 (气 排出 , 空气流量调节 好后 , 过 15分钟 , 空气出口的温度 t 2 ( 可基本稳定。四、实验设备流程图 : 见附图所示。五、实验方法及步骤1.实验前的准备 , 检查工作 .(1 向电加热釜加水至液位计上端红线处。(2 向冰水保温瓶中加入适量的冰水 , 并将冷端补偿热电偶插入其中。(3 检查空气流量旁路调节阀是否全开。(4 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。(5 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 .(1一段时间后水

8、沸腾 , 水蒸汽自行充入普通套管换热器外管,观察蒸汽排出口有恒量 蒸汽排出,标志着实验可以开始。(2 约加热十分钟后 , 可提前启动鼓风机 , 保证实验开始时空气入口温度 t 1( 比较稳 定。(3 调节空气流量旁路阀的开度 , 使压差计的读数为所需的空气流量值 (当旁路阀全开 时 , 通过传热管的空气流量为所需的最小值 , 全关时为最大值 。(4稳定 5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取 t 1,t 2, E 值。 (注意:第 1个数据点 必须稳定足够的时间 (5 重复 (3与 (4共做 710个空气流量值。(6 最小 , 最大流量值一定要做。(7 整个实验过程中 , 加热电压可以保持 (

9、调节 不变 , 也可随空气流量的变化作适当的 调节。3.转换支路,重复步骤 2的内容,进行强化套管换热器的实验。测定 710组实验 数据。4. 实验结束 .(1关闭加热器开关。(2 过 5分钟后关闭鼓风机 , 并将旁路阀全开。(3 切段总电源(4 若需几天后再做实验 , 则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。五 . 使用本实验设备应注意的事项1.由于采用热电偶测温,所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热 电偶的冷端,是否全部浸没在冰水混合物中。2.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。3.必须保证蒸汽上

10、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。4.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,然后开启和关闭控制阀。5.电源线的相线 , 中线不能接错 , 实验架一定要接地。6.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能 " 开路 " 。六 . 附录1.实验数据的计算过程简介 (以普通管第一列数据为例 。孔板流量计压差 P =0.20Kpa、进口

11、温度 t 1 =33、出口温度 t 2 =74.60 壁面温度热电 势 4.23mv。已知数据及有关常数 :(1传热管内径 d i (mm及流通断面积 F(m2.di=20.0(mm , =0.0200 (m ;F=(d i 2 /4=3.142×(0.0200 2/4=0.0003142( m2.(2传热管有效长度 L(m 及传热面积 s i (m2. L=1.00(m si =L di =3.142×1.00×0.0200=0.06284(m2.(3 t1 ( 为孔板处空气的温度 , 为由此值查得空气的平均密度 1t ,例如:t 1=33,查得 1t =1.1

12、53 Kg/m3。 (4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 ( 为简化计算 , 取 t 值为空气进口温度 t 1( 及 出口温度 t 2( 的平均值 , 即 26. 7433221+=+=t t =53.80( 此查得 : 测量段上空气的平均密度 =1.08 (Kg/m3;测量段上空气的平均比热 Cp=1005 (J/Kg ·K;测量段上空气的平均导热系数 =0.0285(W/m·K;测量段上空气的平均粘度 =0.0000198 (s Pa ;传热管测量段上空气的平均普兰特准数的 0.4次方为 :(5空气流过测量段上平均体积 V ( m3/

13、h的计算 : /(96. 8 19. 0(034. 20 (034. 2035. 05. 00h m P V t =99. 9202738. 5327396. 827327310=+=+=t V V t (m 3/h (6冷热流体间的平均温度差 tm ( 的计算 :(96. 4680. 5375. 100221=-=+-=t t T t w m ( (7其余计算 :传热速率 (W (120360096. 461005153. 196. 83600=t Cp V Q (W (41 06284. 096. 46/(120/=i m i s t Q (W/m2·传热准数 290284. 0/0200. 042/=i i d Nu测量段上空气的平均流速(84. 8 36000003142. 0/(99. 93600/=F V u (m/s 雷诺准数0000198. 0/08. 184. 80200. 0/Re =u d i =9682 (8作图、回归得到准数关联式 4. 0Pr Re m A Nu =中的系数。(9重复(1 -(8步,处理强化管的实验数据。作图、回归得到准数关联式 m B Nu Re =中的系数。 40Pr 740Re 03720. . . Nu =2. 实验设备流程图