1、实验五 传热综合实验一、实验目的1.通过对空气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，i确定关联式 Nu=ARemPr0.4中常数 A、 m 的值。2.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和基本方式。二、实验内容1. 测定 56 个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数 ，对 的实ii验数据进行线性回归，求关联式 Nu=ARemPr0.4中常数 A、 m 的值。2.测定 56 个不同流速下强化套
2、管换热器的对流传热系数 ，对 的实ii验数据进行线性回归，求关联式 Nu=BRem中常数 B、 m 的值。3.同一流量下，按实验 1 所得准数关联式求得 Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理（一） 普通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i对流传热系数 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为 ,所io以： （W/m 2）式中： 管内流体对流传热系数，W/(m 2)；iQi换热器传热速率，W； Si管内换热面积，m 2；对数平均温差，。t对数平均温差由下式确定： 式中： ti1， ti2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，
3、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，管外为蒸汽冷凝，因此，将壁面平均温度近似视为蒸汽的温度，且保持不变。传热面积(内)： iiLdS式中： di传热管内径，m；)(ln21iwiimi tTtimiiii StK/Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： 其中质量流量由下式求得： 式中： Vi冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h；cpi冷流体的定压比热，kJ / (kg)； i冷流体的密度，kg /m 3。cpi和 i可根据定性温度 tmi查得， 为冷流体进出口平均温度。21iimittti1， ti2，T w， Vi可采
4、取一定的测量手段得到。2.对流传热系数准数关联式的实验确定空气在管内作强制湍流，且被加热，准数关联式的形式为：其中： ， ， iidNuiiduReipicPr物性数据 i、 cpi、 i、 i可根据定性温度 tmi查得。这样通过实验确定不同流量下的 Rei与 ，再用线性回归方法即可确定 A 和 m 的值。（二） 、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二代传热技术，它能减小换热器的传热面积，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
5、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 5-1 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 的比值以及管壁粗糙度为主要技术参数，长径比H/d 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 的经验公式，其中 B 和 m 的值因螺
6、旋丝尺寸不同而不同。mBNuRe在本实验中，采用普通管中的实验方法确定不同流量下的 Rei与 ，用线iNu性回归方法可确定 B 和 m 的值。图 5-1 螺旋线圈强化管内部结构)(12iipii tcWQ60iiV4.0rimiiA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： ，其中 Nu 是强化管的努塞尔准数， Nu0是0Nu普通管的努塞尔准数，显然，强化比 1，而且它的值越大，强化效果0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
7、高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验流程1.实验流程实验流程图见图 52。实验装置的主体是两根平行的换热套管，空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入不同的换热管的内管。蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升，经支路控制阀选择不同的支路进入套管壳程。装置结构参数如表 51 所示。图 52 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1.普通套管换热器；2.内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3.蒸汽发生器；4.旋涡气泵； 5.旁路调节阀； 6.孔板流量计；7.风机出口温度（冷流体入口温度）测试点； 8、9.空气支路控制阀； 10、11.蒸汽支路控制
8、阀；12、13.蒸汽放空口； 14.蒸汽上升主管路； 15.加水口； 16.放水口；17.液位计； 18.冷凝液回流口表 51 实验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实验外管外径 Do（mm） 57.0测量段（紫铜内管）长度 l（m） 1.00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2.实验测量手段 流量的测定：孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由下式计算： 6203.01.8PVt 式中：V t020下的
9、体积流量； P孔板两端压差，KPa（即数字显示仪表读数）由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：29370miti t式中：V i实验条件下（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h;tmi 换热器管内平均温度，温度测量：a)空气进、出传热管测量段的温度由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。b)管外壁面平均温度 Tw( )，由数字式毫伏计测出与该温度对应的热电势 E(mv,热电偶是由铜康铜组成),将 E 值代入公式:T w()=1.2705+23.518E(mv)计算得到。五、实验方法及步骤1. 实验前的准备检查工作向蒸汽发生器中加水至液位计上端红线处。向冰水保温瓶中加入
10、适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。检查空气流量旁路调节阀是否全开。检查蒸汽管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线畅通。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. 实验操作A. 人工实验操作合上电源总开关。打开加热电源开关,设定加热电压(不得大于 200V)，直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。启动风机，用放空阀来调节流量，在一定的流量下,稳定 510 分钟后分别测量空气的流量、空气进出口温度、壁面温度。改变流量，待流量稳定后再分别测量空气的流量、空气进、出口温度、壁面温度后继续实验。实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。
11、B. 使用计算机自动控制试验启动计算机并按照操作说明进行操作；合上电源总开关、加热电源开关，设定加热电压（不得大于 200V）,直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气；计算机数据采集a. 用放空阀调节流量，待操作稳定后，用计算机分别对空气流量、空气进出口温度、换热器水蒸气温度进行采集；b. 改变空气流量，待操作稳定后，分别用计算机测量空气流量、空气进出口温度、水蒸气温度；c.用计算机对所得实验数据进行计算和整理，得出实验结果，并通过显示器显示或打印出来。六、实验注意事项1.刚刚开始加热时，加热电压可在 180V 左右，但不能过大；2.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查
12、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；3.检查蒸汽发生器中的水位是否在正常范围内，特别是每个实验结束后，进行下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量；4.必须保证蒸汽上升管线的畅通。在给蒸汽发生器电压之前，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要缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出；5.必须保证空气管线的畅通。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；6.调节流量后，应至少稳定 510 分钟后读取实验数据。七、实验
13、数据整理1.将普通管实验数据填入表一。并以一组数据为例写出计算过程；2.将粗糙管实验数据填入表二。并以一组数据为例写出计算过程；3.以 Re 为横坐标，以 Nu/Pr0.4为纵坐标，将上述表中数据绘制在同一双对数坐标图中；4. 对实验结果进行分析与讨论。表 1 普通管实验记录1 2 3 4 5 6 7传热管内径 di m 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002流通截面积 A, 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14孔板压差（Kpa) 0.15 0.48 0.91 1.47 1.98 2.49 2.95空 气 入 口 温
14、度 ti1( ） 26.2 32.3 34.7 36.8 38.9 40.8 42.4空 气 出 口 温 度 ti2( ） 75.1 73.9 73.1 72.2 72.3 72.4 72.6壁面热电势 E(mv) 4.15 4.13 4.12 4.12 4.12 4.11 4.10表 2 普通管数据整理1 2 3 4 5 6 7壁面温度 Tw (） 98.9 98.4 98.2 98.2 97.9 97.7 97.4平均温差 t m(） 43.8 41.9 41.4 41.2 40.0 38.9 37.3管 内 平 均 温 度 tmi( ） 50.6 53.1 53.9 54.5 55.6
15、56.6 57.5 (kg/ m 3) 1.091 1.083 1.086 1.078 1.075 1.071 1.068Cp 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005Pr 0.698 0.697 0.697 0.697 0.697 0.697 0.696*100 2.830 2.847 2.854 2.858 2.846 2.872 2.878*100000 1.96 1.97 1.98 1.98 1.99 1.99 2.00流通截面积 A，*10-4 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14管内流量 Vi(m3/h) 6
16、.17 12.79 19.06 25.71 31.03 35.88 39.97空气流速 u(m/s) 5.46 11.31 16.86 22.74 27.45 31.74 35.36管 内 传 热 面 积 Si *10-2 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28传热量 Q(W) 0.092 0.161 0.222 0.274 0.311 0.339 0.36 i（W/m 2） 0.033 0.066 0.085 0.106 0.124 0.139 0.151Re 6078.4 12435.3 18494.9 24761.3 29657 34164.4 37764.
17、5Nu 0.023 0.046 0.059 0.074 0.086 0.097 0.105Nu/(Pr0.4) 0.026 0.053 0.068 0.085 0.099 0.112 0.121表 3 强化管实验记录及数据整理1 2 3 4 5 6 7传热管内径 di,m 0.0020.0020.0020.0020.002 0.0020.002孔板压差（Kpa) 0.15 0.48 0.91 1.47 1.98 2.49 2.88空 气 入 口 温 度 ti1( ） 78.2 75.0 74.2 72.7 73.0 73.7 74.4空 气 出 口 温 度 ti2( ） 78.2 75.0 7
18、4.2 72.7 73.0 73.7 74.4壁面热电势 E(mv) 4.14 4.14 4.13 4.13 4.13 4.13 4.13表 4 强化管数据整理1 2 3 4 5 6 7管内传热面积 Si,*10-2 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28管 内 平 均 温 度 tmi( ） 54.65 53.65 54.15 54.55 55.95 57.45 58.75 (kg/ m 3) 1.078 1.081 1.079 1.078 1.073 1.068 1.063Cp 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005P
19、r 0.697 0.697 0.697 0.697 0.697 0.696 0.696*100 2.858 2.851 2.854 2.857 2.868 2.878 2.885*100000 1.982 1.987 1.980 1.982 1.990 1.998 2.002壁面温度 Tw (） 98.6 98.6 98.4 98.4 98.4 98.4 98.4平均温差 t m(） 41.8 41.3 41.0 41.3 40.1 38.7 37.5管内流量 Vi(m3/h) 6.24 12.81 19.07 25.71 31.06 35.97 39.53流通截面积 A,*10-4 3.14
20、 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14空气流速 u(m/s) 5.52 11.3 16.78 22.74 27.48 31.82 34.97传热量 Q(W) 0.088 0.165 0.230 0.281 0.317 0.348 0.367 i（W/m 2） 0.034 0.064 0.089 0.108 0.126 0.143 0.156Re 6004.6 12383.9 18386.6 24736.3 29634.2 34017.8 37135.9Nu 0.024 0.048 0.062 0.076 0.088 0.099 0.108Nu/Nu0 1.043 1.04
21、3 1.051 1.027 1.023 1.021 1.029Nu/(Pr0.4) 0.0280.0520.0720.088 0.1020.1140.1258.5 9.0 9.5 10. 10.5-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6-2.4-2.-2.0普通管 lnNu/(pr0.4)lnRe 曲线由直线得出 k=0.8226 即 m=0.8226代入式中算出 lnA=3.69*10-6所以直线方程：lnNu/(Pr0.4)= 3.69*10-6+0.8226lnRelnRelnNu/(Pr0.4)强化管 lnNu/(pr0.4)lnRe 曲线由直线得出 k=0.8104 即 m=0.8104代入式中算出 lnA=3.37*10-6所以直线方程：lnNu/(Pr0.4)= 3.37*10-6+0.8104lnRelnNu/(Pr0.4)8.5 9.0 9.5 10. 10.5-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6-2.4-2.-2.0lnRe
