化工传热综合实验

化工传热综合实验装置说明书天津大学化工基础实验中心2013.03、实验目的：通过对空气一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i定方法，加深对其概念和影响因素的理解。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，掌握对流传热系数a的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。i3•学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式Nu二ARemPro.4中常数A、m数值，强化管关联式Nu=BRemPro.4中B和m数值。O4•根据计算出的Nu、Nu求出强化比Nu/Nu，比较强化传热的效果，加深理解强00化传热的基本理论和基本方式。二、 实验内容：测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数a。i测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数a。i3•对a的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPro.4中常数A、m的数值。i4.通过关联式Nu=ARemPro.4计算出Nu、Nu，并确定传热强化比Nu/Nu。00三、 实验原理：普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：对流传热系数a的测定：i对流传热系数a可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。因为a<<a,iio所以传热管内的对流传热系数a〜K，K(W/m2•°C)为热冷流体间的总传热系数,i且 K二Q/(ATxs) 所以：a沁一£一 (1)1m1 1Atxsmi式中：a—管内流体对流传热系数，W/(m2C)；iQ—管内传热速率，W；iS—管内换热面积，m2；iAt—管内平均温度差，°C。mi平均温度差由下式确定：AT=T-T (2)mi wm

式中：t—冷流体的入口、出口平均温度，°c；t—壁面平均温度，€；mw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t来表示，由于管外使用蒸汽，所以tW W近似等于热流体的平均温度。管内换热面积： S=ndL （3）iii式中：d—内管管内径，m；iL—传热管测量段的实际长度，m。i由热量衡算式： Q=Wc,（t.2-t丿 （4）iipii2i1VP其中质量流量由下式求得：W=工才 （5）i3600式中：V—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；ic一冷流体的定压比热，kJ/（kg•C）；pip—冷流体的密度，kg/m3。iC“和p|可根据定性温度J查得，.2为冷流体进出口平均温度。tii,J，t，V可采取一定的测量手段得到。wi（2）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：6）Nu二ARemPrn.6）i ii其中：adN'U 其中：adN'U — i—卜，i入iudPRe———i—iii，Pr物性数据人、C、p、“可根据定性温度t查得。经过计算可知，对于管内TOC\o"1-5"\h\zipiii m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i化为：Nu—ARemPr0.4 （7）i ii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ii值。强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定：强化传热技术，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，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。内径d的比值以及管壁粗糙度（2d/h）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NuARem的经验公式，其中A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Re与Nu,用线性回ii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：NuNu，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu'00是普通管的努塞尔准数，显然，强化比NuNu。＞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、实验装置的基本情况：

实验装置流程示意图(如图二所示)：图二传热综合实验装置流程图1-普通管空气进口调节阀；2-普通管空气进口温度；3-普通管蒸汽出口；4-普通套管换热器；5-普通管空气出口温度；6-强化管空气进口调节阀；7-强化管空气进口温度；8-强化套管蒸汽出口；9-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；10-普通套管蒸汽进口阀；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-其中2，5，7，11，12为测试点实验设备主要技术参数(如表一所示)：表一实验装置结构参数实验内管内径d(mm)i20.00实验内管外径d(mm)o22.0实验外管内径D(mm)i50实验外管外径D(mm)o57.0测量段(紫铜内管)长度L(m)1.20

强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h(mm)1节距H(mm)40孔板流量计孔流系数及孔径c=0.65、d=0.014m00旋涡气泵XGB—2型加热釜操作电压W200伏操作电流W10安实验装置面板图（如图三所示）：图三传热过程综合实验面板图五、实验操作步骤：实验前的准备，检查工作：（1）向储水罐中加水至液位计上端处。（2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。（3）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（4）接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。实验开始：（1）关闭通向强化套管的阀门5，打开通向光滑套管的阀门6，当光滑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。（2）启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-5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5〜6组数据。（3）做完光滑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（2）。实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。六、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