1、 化学实验教学中心 实验报告 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： 2017.05.26 交报告日期： 2017.06.02 1 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 = 0.4 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
2、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 = （ 1） 式中， 为管内流体对流传热系数， (m2 ) ； 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， 。 由 右 式确定： = 1:22 （ 2） 式中， 1 和 2 分别为冷流体的入口、出口温度， ； 为壁面平均温度， 。
3、应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、外壁温度和壁面温度近似相等，用 来表示。 管内换热面积： = （ 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： = 3600 （ 5） 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) ； 为冷流体的密度， kg m3 。 和 可根据定性温度 查得， = 1:22 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流，被
4、加热状态， 准数关联式的形式为： = （ 6） 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： = 0.4 （ 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。 2 （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的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方
5、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 的经验公式，其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同
6、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 和 ，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， 0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比 0 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 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）
7、 1.00 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 丝径 h（ mm） 1 节距 H（ mm） 40 加热釜 操作电压 200 伏 操作电流 10 安 2.实验的测量手段 （ 1）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为： 5.020 )(694.22 PV （ 8） 其中， 20V 为 20下的体积流量， m3/h； 为 孔板两端 压差， ； 1 为 空气入口温度（及流量计 3 处温度） ， 。 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： = 20 273:273:1（ 9） （ 2） 温度 的 测量 空气进
8、出口温度采用 Cu50 铜电阻温度计测得，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管的下排读数读出。 （ 3） 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 )。 （ 4） 气源
9、 (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 , 输出空气的温度呈上升趋势。 3. 实验设备流程图 图 2 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-蒸汽支路控制阀； 12、 13-蒸汽放空口； 14-蒸汽上升主管路； 15-加水口； 16-放水
10、口； 17-液位计； 18-冷凝液回流口 4 四、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）关闭通向强化套管的阀门 11，打开通向光滑套管的阀门 10，当光滑套管换热器的放空口12 有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门 8，打开阀门 9。在整个实验过程中始终
11、保持换热器出口处有水蒸气冒出。 （ 2）启动风机后用放空阀 5 来调节流量，调好某一流量后稳定 5-10 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 11，全部打开空气旁路阀 5，关闭蒸汽支 路阀 10，打开空气支路阀 9,关闭空气支路阀 8，进行强化管传热实验。实验方法同步骤（ 2）。 3.实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。 五、 注意事项 （ 1）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
12、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。 （ 2）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。 （ 3）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。 （ 4）调节流量后，应至少稳定 38 分钟后读取实验数据。 （ 5）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。 六、实验数据记录与处理 （一）
13、光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1.实验数据记录与整理表 （计算过程在下面第 2 步） 表 2 光滑管换热器原始数据及数据整理表 传热管内径 ： 0.020 m 有效长度： 1.00 m 冷流体：空气（管内） 流体：蒸汽（管外） 组数 1 2 3 4 孔板压差 P (KPa) 0.22 1.20 2.23 3.20 空气入口温度 1 () 30.9 31.5 31.9 32.4 5 接上表 空气入口温度 2 () 73.9 67.5 65.8 66.6 壁面温度 () 99.7 99.7 99.7 99.7 管内平均温度 () 52.4 49.5 48.85 49.5 (kg m3
14、 ) 1.085 1.093 1.097 1.093 ( ) 0.0285 0.0283 0.0282 0.0283 J (kgK) 1005 1005 1005 1005 ( ) 0.0000197 0.0000196 0.0000196 0.0000196 空气进出口温差 () 43 36 33.9 34.2 平均温差 () 47.30 50.20 50.85 50.20 20时空气流量 20 (m3 ) 10.64 24.86 33.89 40.60 管内平均 流量 (m3 ) 11.40 26.33 35.77 42.87 平均流速 ( ) 10.08 23.28 31.63 37.9
15、0 传热量 Q (W) 148.45 289.22 371.39 447.36 (m2 ) 49.94 91.68 116.23 141.81 11099.26 25961.48 35402.30 42269.99 35.05 64.79 82.43 100.22 0.695 0.696 0.699 0.696 0.4 40.55 74.90 95.15 115.85 2.实验数据的计算过程（以第 1 列数据为例） 孔板流量计压差 = 0.22 KPa、 空气入 口温度 1 = 30.9 、 空气 出口温度 2 = 73.9 、 壁面温度 = 99.7 已知数据及有关常数 : （ 1） 传热管
16、内径 (mm)及流通 截 面积 (m2) 20.0 (mm) 0.0200 (m) = 2/4 = 3.1420.2002/4 = 0.0003142 m2 （ 2） 传热管有效长度 L( )及传热面积 (m2) L 1.00（ ) 管内换热面积： = = 3.142 1.000.0200 0.06284 (m2) （ 3） 空气平均物性常数的确定 先算出空气的定性温度 ， = 1:22 = 52.4 在此温度下空气的物性数据如下： 平均密度 = 1.085 kg m3 ； 平均比热 = 1005 J (kgK) ； 平均导热系数 = 0.0285 (m K) ； 平均粘度 0.0000197
17、 ( )； （ 4） 空气流过 换热器内管时的平均体积流量 和平均流速 的计算 6 在 20时标定的孔板流量计体积流量： 64.10)22.0(694.22)(694.22 5.05.020 PV (3 ) 因为流量计处的温度不是 20， 需进行校正，传热管内的体积流量 ： = 20 273:273:1= 10.64 273:52.4273:30.9 = 11.40 (3 ) 平均流速 ： = 3600 = 11.39 3600 0.0003142 = 10.08 (m/s) （ 5）壁面和 冷热流体间的平均温度差 的计算 : = 1:22 = 99.7 30.9:73.92 = 47.3 （
18、 6） 传热速率 = 3600 (2 1) = 11.391.0851005(73.9;30.9)3600 = 148.45 () （ 7）管内传热系数 = = 148.3547.30.06284 = 49.94 (m2 ) （ 8） 传热准数 ： = = 49.91 0.02000.0285 = 35.05 雷诺准数 ： = = 10.070.02001.0850.0000197 = 11099.26 普兰特常数： = = 10050.00001970.0285 = 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 = 0.4 中的常数项 以为 0.4 纵坐标，
19、为横坐标，在对数坐标系上标绘 0.4 关系，见图 3 直线 。 由图得线性回归方程如下： y = 0.0317x0.7667， R = 0.9956 即 = 0.03170.76670.4 （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 ： 0.020 m 有效长度： 1.00 m 冷流体：空气（管内） 流体：蒸汽（管外） 组数 1 2 3 4 孔板压差 P (KPa) 0.20 0.72 1.19 1.72 空气入口温度 1 () 37.4 39.1 41.6 44.1 空气
20、入口温度 2 () 91.7 87.7 85.1 83.9 壁面温度 () 99.7 99.7 99.7 99.7 管内平均温度 () 64.55 63.40 63.35 64.00 (kg m3 ) 1.044 1.049 1.049 1.045 ( ) 0.0293 0.0292 0.0292 0.0293 7 接上表 J (kgK) 1007 1007 1007 1007 ( ) 0.0000203 0.0000202 0.0000202 0.0000203 空气进出口温差 () 54.3 48.6 43.5 39.8 平均温差 () 35.15 36.30 36.35 35.70 20
21、时空气流量 20 (m3 ) 10.15 19.26 24.76 29.76 管内平均 流量 (m3 ) 11.04 20.76 26.47 31.63 平均流速 ( ) 9.76 18.35 23.40 27.96 传热量 Q (W) 175.01 295.99 337.84 367.99 (m2 ) 79.23 129.76 147.90 164.03 10036.17 19058.33 24303.16 28790.59 54.08 88.88 101.30 111.97 0.698 0.697 0.697 0.698 0.4 62.46 102.70 117.06 129.31 0 3
22、2.11 52.47 63.22 72.03 0 1.68 1.69 1.60 1.55 2.实验数据的计算过程 （ 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 = 0.4 中的常数项 以 0.4 为 纵坐标， 为横坐标，在对数坐标系上标绘 0.4 关系，见图 3 直线 。 由图得线性回归方程如下： y = 0.1032x0.6967， R = 0.9938 即 = 0.10320.69670.4 （ 3）强化比 0 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
23、 1 组数据： = 10036.17， = 0.698， = 54.08 0 = 0.03170.76670.4 = 0.0317 10036.170.7667 0.6980.4 = 32.11 0 = 54.0832.11 = 1.68 （三） 绘图 以 0.4 为 纵坐标， 为横坐标，在对数坐标系上标绘 0.4 关系，根据表 2 和表3 中的数据作图 3 如下： 8 y = 0.0317x0.7667 R = 0.9956 y = 0.1032x0.6967 R = 0.9938 1010010001000 10000 100000光滑管 强化管 图 3图 3 0.4 关系曲线 NuPr.
24、 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 (m2 ) 49.94 91.68 116.23 141.81 A 0.0317 m 0.7667 强化管 (m2 ) 79.23 129.76 147.90 164.03 A 0.1032 m 0.6967 （ 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
25、器的准数 关联式 = 0.4 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，而实际实验时很多的条件并不稳定。在实验过程中采用改变空气流量来调节，但是在改变空气流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气出口温度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气出口温度才会稳定，而我们测定的温度一定要是这个稳定的温度，所以在测定中没有经过足够长的时间导致 测定的温度不是稳定的温度，所以实验时要注意等待五到十分钟 ， 待数据比较稳定时，这样实验结果就比较准确。
