1、实验三 气-汽传热综合实验一、实验目的1. 掌握传热系数 K 的测定原理；2. 掌握传热系数 K 的测定方法及数据处理。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，可以掌握对流传热系数 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i式 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
2、换4.0PrRemANu热器的实验研究，测定其强化比 ，了解强化传热的基本理论和基本方式。0Nu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 对流传热系数 的测定i在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。对流传热系数 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定i（1）imiStQ式中： 管内流体对流传热系数，W/(m 2)；iQi管内传热速率，W；Si管内换
3、热面积，m 2；内壁面与流体间的温差，。t由下式确定： （2）mt 21ttwm式中：t 1，t 2 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： （3）iiLdS式中：d i内管管内径，m；Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：（4）)(12tCpWQmi 其中质量流量由下式求得： （5）360mV式中： 冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h；V冷流体的定压比热，kJ / (kg)；Cp冷流体的密度，kg /m 3。m和 可根据定性温度 tm
4、 查得， 为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， tw， p 21t可采取一定的测量手段得到。mV 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） nmANuPrRe其中： ， ， idNumidReCp物性数据 、 、 、 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，mCpm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：Pr（7）4.0PrReANu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 和 m 的值。Re（三） 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
5、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
6、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 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： 0Nu，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 01，而且它的值越大，强化效果越好。（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
7、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图 1 螺旋线圈内部结构实验外管外径 Do（mm） 57.0测量段（紫铜内管）长度 L（m） 1.20丝径 h（mm） 1强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸 节距 H（mm） 40操作电压 200 伏 加热釜操作电流 10 安 实验流程如图 2 所示图 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-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
8、-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,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
9、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），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。 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： （8）648.020)(9.13PV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：（9）20731201tt式中： 孔板流量计两端压差，KPa ；P20时体积流量， m3/h；20V流量计
10、处体积流量，也是空气入口体积流量，m 3/h；1t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：（10）11273tVmtm传热管内平均体积流量，m 3/h；V传热管内平均温度，。t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
11、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 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。 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1 光 滑
12、套 管 换 热 器 原 始 数 据 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8空气入口 t1()空气出口 t2()壁 温 t w ()压 差 (KPa)P流 量 qv (m3/h)3 光 滑 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8传热系数 ( W/m2)雷诺数 Re努塞尔数 Nu普朗特数 Pr2 光 滑 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8定性温度 tm()密 度 (kg/m 3)黏 度 ( )sPa比 热 Cp (JKgk)导热系数 (K)强 化 套 管 换 热 器 数 据 表1 强 化 套 管 换 热 器 原 始
13、数 据 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8空气入口 t1()空气出口 t2()壁 温 t w ()压 差 (KPa)P流 量 qv (m3/h)2 强 化 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8定性温度 tm()密 度 (kg/m 3)黏 度 ( )sPa比 热 Cp (JKgk)导热系数 (K)3 强 化 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表序 号 1 2 3 4 5 6 7 8传热系数 ( W/m2)雷诺数 Re努塞尔数 Nu普朗特数 Pr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
14、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 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) 孔板流量计压差计读
15、数 =0.88 KPa，空气进口温度 28.8 P1t出口温度 65.5 ，传热管壁面温度 =99.5 2t wt(1)传热管内径 及流通截面积 idiF20.00(),0.0200 ();i3.142(0.0200) 240.0003142（m 2).4/2iiF(2)传热管有效长度 及传热面积 LiS1.20L3.1420.021.200.075408(m 2). dSii(3)空气平均物性常数的确定先算出空气的定性温度 ， = 47.15（）mt21tt在此温度下空气物性数据如下：平均密度 m 1.12(kg/m 3)； 平均比热 Cpm1005 (JKgk)；平均导热系数 m0.028
16、0(K)； 平均粘度 m0.0000192 ( )；sPa 空气流过换热器内管时平均体积流量 和平均流速的计算mV20时对应的孔板流量计体积流量= 22.8960.880.5 = 21.48（m 3/h）5.020896.PV因为流量计处温度不是 20，故需校正：=21.8（m 3/h）20738.48.21073201 tt传热管内平均体积流量 :mV=23.12（m 3/h）8.273154.12731 tt平均流速 :mu=20.45（m/s）)6014.0/(60/ FV 壁面和冷流体间的平均温度差 的计算:mt= 99.547.15 = 52.35（）21ttwm 传热速率265（W
17、） 360)8.25.(12.3360)(12tCpVQ 管内传热系数 67.94（W/m 2）)74.5/(6/imiSt 各准数48028./.94.7/iidNu=23858.30192./150Re mi68.280.1Pr pC其它组数据处理方法同上，数据结果见表 2。 求关联式 中的常数项4.0PrRemANu以 为纵坐标， 为横坐标，在对数坐标系上标绘 关系，见图 3 中直线。4.0Pr 4.0PrNuRe由图线回归出如下结果： 816.074.xy即 4.01.PrRe.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 的
18、计算如下：0uN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： = 43069Re= = 0.0174430690.81610.6970.4 = 90.880u4.0816.Pr74.=125/90.88 = 1.38/N 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：4.0791.0PrRe42.iNu 关系曲线4.0PrNuRe套 管 换 热 器 实 验 准 数 关 联 图y = 0.0397x 0.7382y = 0.0099x 0.90751010010001000 10000 100000ReNu/Pr0.4图 3 关系曲线4.0PrNu
