1、1实验四 传热实验本传热实验装置采用计算机数据在线采集和自动控制系统，可实行自动操作或手动操作。通过对以空气和水蒸气为介质的套管换热器实验研究，可以掌握传热系数 、传热膜K系数 的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；学会用最小二乘法确定关联式2中常数 A、 的值。通过对普通套管换热器和强化套管换热器的比较，了解工mANuRe程上强化传热的措施。一 实验内容（任选一个）1强化传热措施的探讨。采用计算机数据在线采集系统，测定普通套管换热器和强化套管换热器的传热系数 ；用作图法或最小二乘法关联出K中常数 A、 的值。通过对普通套管换mANuRe热器和强化套管换热器的实验结果比较，说明强化传热的原
2、理并对强化传热的其它措施进行探讨。2测定不同流速下的普通套管换热器或强化套管换热器的传热膜系数 ，用作图法或最小二乘法关联出 中常数 A、 的值，2mANuRe并对实验结果进行比较。二实验原理：对于流体在圆形直管中作强制湍流时的对流传热系数的准数关联式可以表示成：（1）nmCNuPrRe系数 C 与指数 和 则需由实验加以确定。对于气体，Pr 基本上不随温度而变，可视为一mn常数，因此，式（1）可简化为：（2）Ae式中： dNu2duRe通过实验测得不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（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、外壁温度与壁面的平均温
3、度近似相等） ，根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的Nu 和 Re，然后用线性回归方法（最小二乘法）确定关联式 中常数 A、 的值。mANuRe三实验装置与主要技术数据（一） 实验装置1流程实验装置的流程如图 1 所示。装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验用的蒸汽发生器为电加热釜，加热电压可由固态调节器调节。空气由旋涡气泵提供，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽管路，使用三通和球阀分别控制进入两个套管换热器。 2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换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自
4、然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。强化套管换热器是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构如图 1 所示。螺旋线圈由直径 3mm 以上的铜丝或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。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（ 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。 2测量仪表测量仪表的面板如图 2 所示。1普通套管换热器
5、 2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、8空气支路控制阀 9、10蒸汽排出口 11、12蒸汽支路控制阀 13液位计 14放水口 15加水口 16冷凝液回流口图 2 测量仪表面板示意图强化管内部螺旋线圈结构示意图图 1 空气水蒸汽传热实验装置流程图3温度显示仪表下方的转换开关共有 7 档，分别为：0显示普通管空气进口温度； 1显示普通管空气出口温度；2显示强化管空气进口温度； 3显示强化管空气出口温度；4显示电加热釜水温； 5、6为空档。热电偶（毫伏计）显示仪表下方的转换开关共有 7 档，分别为：0显示普通管壁温的热电势 E； 1显示强化管壁温的热电势 E；
6、 其余为空档。（二）主要技术数据1 传热实验装置主要参数：见表 1表 1 实验装置主要参数实验内管内径 d 2（mm） 19.25实验内管外径 d 1（mm） 22.01实验外管内径 D 2（mm） 50实验外管外径 D 1（mm） 52.5总管长（紫铜内管） L（m） 1.30测量段长度 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（V） 200加热釜操作电流（A） 102空气流量计（1）由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。（2）不锈钢孔板的孔径比 m17mm44mm0.39（3）孔板流量计为非标准设计，故进行了整体校正，得
7、到空气流量 与压差)h/m(3t1V之间的关系，由公式（3）计算。（3）t1t180.23PV式中： 空气入口温度（即流量计处温度）下的体积流量，t1V h/3孔板两端压差，kPaP空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，t m/kg（4）实验条件下的空气流量 计算：)h/m(3V（4）127tt式中：V实验条件（管内平均温度）下的空气流量， h/3管内平均温度，t传热内管空气进口（即流量计处）的温度，13温度测量4（1）空气入传热管测量段前的温度 （）由电阻温度计测量，可由数字显示仪表1t直接读出。（2）空气出传热管测量段时的温度 （）由电阻温度计测量，可由数字显示仪表2直接读出。（3）管外
8、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，热电偶是由铜康铜组成） ，再由热电势 E 根据公式（5）计算得到。Tw（）8.521.26E (mv) （5）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 处 ） 。 内 装 有 一支 2.5 kw 的螺旋形电热器，由 200 伏电压加热，约 25 分钟左右水便沸腾，为了安全，建议最高加热电压不要超过 200 伏（可由固态调压器调节） 。5气源由 XGB2 型旋涡气泵（鼓风机）提供，使用三相电源，电机功率约为 0.75 kw。注意：在使用过程中，
9、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，并在不凝性气体排出口有适量的汽（气）排出，空气流量调节好后，过 15 分钟，空气出口的温度 （）可基本稳定。2t四传热装置使用说明以普通套管换热器的手动操作为例（强化套管换热器的手动操作步骤可参照普通套管换 热 器 的 手 动 操 作 步 骤 。 自 动 操 作 步 骤 参 见 第 六 部 分 实 验 数 据 计 算 机 采 集 与 控 制 系 统 的 使 用 ）。1实验前的准备（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。（2）在保温瓶中加入适量的冰水，将热电偶的冷端插入其中。（3）检查空气流量旁路调节阀是否全开。（4）检查普通管支路各
10、控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。（5）检查强化管支路各控制阀是否已关闭。（6）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）加热十分钟，启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度 （）比较稳定。1t（2）水沸腾后，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。（3）调节空气流量旁路阀的开度，使压差计读数为所需的空气流量值（旁路全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值。若为计算机在线数据采集，则可直接从屏幕上读取空气流量值） 。（4）稳定 58 分钟左右读取压差计读数，以及转动各仪表选择开关读取 、 、
11、E1t2值（注意：第 1 个数据点必须稳定 15 分钟。若为计算机在线数据采集，则可直接从屏幕上读取这些数值） 。5（5）重复（3）与（4）共做 57 个空气流量值（注意：最小、最大流量值一定要做）。（6）整个实验过程中，加热电压可以保持不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。3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）切断总电源。（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。五注意事项1实验前一定要检查电加热釜中的水位是否在正常范围内。2由于采用热电偶测温，一定要检查热电偶的冷端是否全部浸没在冰水混合物中。3必须保证蒸汽上升管路的
12、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，再关闭原支路阀，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管路截断或蒸汽压力过大突然喷出。4必须保证空气管路的畅通。即在接通电机电源之前，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，应先将旁路调节阀全开，然后开启需要的支路阀，再关闭原支路阀。六实验数据计算机采集与控制系统的使用1 启动程序，此时屏幕上会出现：当选择实验操作项后，屏幕上会出现如图 3 所示的菜单。在做好实验前准备工作的前提下，点击“加热启动” ，约十分钟后，点击“风机启动” 。 当设备运行稳定后，点击“光滑管采集” 或“强化管采
13、集 ”，屏幕上会出现询问采集方法选择的对话框，有“按采集键采集”和“设定时间定时采集”两种方法供选择。点击采集数据，即可采集到某一空气流量下的所有数据。改变空气流量，稳定 58 分钟左右，再点击采集数据，可采集到另一空气流量下的所有数据。文件 实验操作 结果显示 帮助传热计算机数据采集程序天津大学化工基础实验中心实验操作风机启动风机停止加热启动加热停止光滑管采集强化管采集合并数据取消数据采集数据结束实验图 3 实验操作菜单6注意：空气流量的调节只能用手工操作，其他事项参见上述的第四、五部分。当选择“结果显示”项后，屏幕上出现如图 4 所示的菜单。点击“采集界面” ， 则屏幕上出现如图 5 所示
14、的实验流程和数据采集点分布图（温度不够时，不显示采集界面） ，在图中有 9 个数字显示框。从图中可观察到各个数据的变化情况。随时可以访问“数据表”和“曲线表” ， 了解实验的进展。当所有数据采集完毕，点击“曲线回归”可获得传热方程。点击图 3 的“结束实验” ，可结束本次实验。点击“文件”中的“打印”栏，可打印本次实验的结果。七实验报告要求：对于实验任务 1，采用小论文格式撰写实验报告。对于实验任务 2，采用传统实验报告格式，内容包括实验目的；实验原理；实验方法与操作步骤；原始数据记录表；数据处理过程；将各种情况下的 Nu 和 Re 关结果显示采集界面数据表曲线表曲线回归图 4 结果显示菜单图
15、 5 传热实验数据采集点分布示意图1普通管空气出口温度（） 2普通管空气进口温度（）3普通管换热器壁温（） 4强化管空气出口温度（）5强化管空气进口温度（） 6强化管换热器壁温（）7空气流量（m 3/h） 8蒸气发生器水温（）9蒸气发生器加热电压（V）7系标绘在双对数坐标纸上，以利比较分析；实验结论。说出 23 种你所知道的其他强化传热的措施和原理。八思考题1管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？当空气速度增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？2如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对 式的关联有无影响？3强化传热要以什么为代价？4强化传热的效果一般如何评价？采用什么作为评价的指标？5*以空气为介质的传热实验，其雷诺数 Re 最好应如何计算？
