气汽传热综合实验

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αi 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，确定关联式

Nu =A Re m Pr 0. 4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。

实验装置的主要特点如下： ⑴ 实验操作方便，安全可靠。

⑵ 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。 ⑶ 水、电的耗用小，实验费用低。

⑷ 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。 ⑸ 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

⒈ 对流传热系数αi 的测定

在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。

对流传热系数αi 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

αi =

Q i

（1） ∆t m ⨯S i

式中：αi —管内流体对流传热系数，W/(m2·℃) ； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；

∆t m —内壁面与流体间的温差，℃。 ∆t m 由下式确定： ∆t m =t w -式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃；

t w —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t w 来表示。 管内换热面积： 式中：d i —内管管内径，m ；

L i —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：

W m =

t 1+t 2

（2） 2

S i =πd i L i （3）

Q i =W m Cp m (t 2-t 1) （4）

V m ρm

（5）

3600

式中：V m —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h； Cp m —冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃) ；

ρm —冷流体的密度，kg /m3。

t 1+t 2

为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， t w ， V m 2

Cp m 和ρm 可根据定性温度t m 查得，t m =可采取一定的测量手段得到。

⒉ 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

Nu =A Re

其中： Nu =

m

Pr n . （6）

αi d i u d ρCp m μm

， Re =m i m ， P r =

μm λi λm

物性数据λm 、Cp m 、ρm 、μm 可根据定性温度t m 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

Nu =A Re Pr

m

0. 4

（7）

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 的值。

（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Nu =B Re 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：比

m

图1 螺旋线圈内部结构

Nu Nu 0，其中Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu 是光滑管的努塞尔准数，显然，强化

Nu Nu 0＞1，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 ⒈ 设备主要技术数据见表1

表1 实验装置结构参数

⒉ 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-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(120—180) 伏电压加热，约15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) 。

（3） 气源(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。

⒊ 实验的测量手段

⑴ 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： V 20=13. 909⨯(∆P ) 0. 648 （8）

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：

V t 1=V 20

式中：∆P —孔板流量计两端压差，KPa ； V 20—20℃时体积流量， m 3/h；

273+t 1

（9）

273+20

V t 1—流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m 3/h； t 1 —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：

V m =V t 1⨯

V m —传热管内平均体积流量，m 3/h；

t m —传热管内平均温度，℃。

273+t m

（10）

273+t 1

四、实验方法及步骤

⒈ 实验前的准备，检查工作。 ⑴ 向储水罐中加水至液位计上端处。 ⑵ 检查空气流量旁路调节阀是否全开。

⑶ 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。 ⑷ 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。

⑴ 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。

⑵ 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5～6组数据。

⑶ 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⑵。

⒊ 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

序 号

空气入口t 1(℃) 空气出口t 2(℃) 壁 温 tw (℃) 压 差∆P (KPa) 流 量q v (m3

/h)

序 号

定性温度t m (℃) 密 度ρ (kg/m3

) 黏 度μ (Pa ⋅s ) 比 热Cp (J／Kg ·k)

导热系数λ(Ｗ／ｍ·K)

序 号

传热系数α( W/m2

·℃)

雷诺数Re 努塞尔数Nu 普朗特数Pr

光 滑 套 管 换 热 器 数 据 表

1 — 光 滑 套 管 换 热 器 原 始 数 据 表

1 2 3 4 5 6

2 — 光 滑 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表

1 2 3 4 5 6

3 — 光 滑 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表

1 2 3 4 5 6

7 8

7 8

7 8

强 化 套 管 换 热 器 数 据 表

1 — 强 化 套 管 换 热 器 原 始 数 据 表

序 号

1 2 3 4 5 6 7 8 空气入口t 1(℃) 空气出口t 2(℃) 壁 温 tw (℃) 压 差∆P (KPa) 流 量q 3

v (m/h)

序 号

定性温度t m (℃) 密 度ρ (kg/m3

) 黏 度μ (Pa ⋅s ) 比 热Cp (J／Kg ·k)

导热系数λ(Ｗ／ｍ·K)

序 号

传热系数α( 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

2 — 强 化 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表

2 3 4 5 6

3 — 强 化 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表

2 3 4 5 6

7 8

7 8

1 1

⒈ 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。

⒉ 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。

⒊ 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。 ⒋ 调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。

⒌ 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

⒈ 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数 ∆P =0.88 KPa ，空气进口温度t 1＝28.8 ℃

出口温度t 2＝65.5 ℃，传热管壁面温度t w =99.5 ℃ (1)传热管内径d i 及流通截面积F i d i ＝20.00(ｍｍ), ＝0.0200 (ｍ);

F i =π⋅d i /4＝3.142×(0.0200) ／4＝0.0003142（m ).

2

2

2

(2)传热管有效长度 L 及传热面积S i

L ＝1.20ｍ

S i =π⋅d i ⋅L ＝3.142×0.02×1.20＝0.075408(m2).

(3)空气平均物性常数的确定 先算出空气的定性温度t m ， t m =在此温度下空气物性数据如下：

平均密度 ρm ＝1.12(kg/m) ； 平均比热 Cpm＝1005 (J／Kg ·k) ； 平均导热系数 λm ＝0.0280(Ｗ／ｍ·K) ； 平均粘度 μm ＝0.0000192 (Pa ⋅s ) ； ⑷ 空气流过换热器内管时平均体积流量V m 和平均流速的计算 20℃时对应的孔板流量计体积流量

3

t 1+t 2

= 47.15（℃） 2

V 20=22. 896⨯∆P 0. 5= 22.896×0.880.5 = 21.48（m 3/h）

因为流量计处温度不是20℃，故需校正：

V t 1=V 20

273+t 1273+28. 83

=21.8（m /h） =21. 48⨯

273+20273+20

传热管内平均体积流量V m : V m =V t 1⨯

平均流速u m :

273+t m 273+47. 153

=23.12（m /h） =21. 8⨯

273+t 1273+28. 8

)=23. 12/(0. 0003142u m =V m /(F ⨯3600⨯3600) =20.45（m/s）

⑸ 壁面和冷流体间的平均温度差∆t m 的计算:

∆t m =t w -

⑹ 传热速率

t 1+t 2

= 99.5－47.15 = 52.35（℃） 2

Q =

V m ⋅ρm ⋅Cp m (t 2-t 1) 23. 12⨯1. 12⨯1005⨯(65. 5-28. 8)

==265（W ）

36003600

⑺ 管内传热系数

αi =Q /(∆t m ⨯S i )=265/(52. 35⨯0. 074508) = 67.94（W/m2·℃）

⑻ 各准数

Nu =αi ⨯d i /λ=67. 94⨯0. 0200/0. 0280=48

Re =d i ⨯u m ρm /μm =0. 0200⨯20. 45⨯1. 12/0. 0000192=23858.3

Pr =

C p ⋅μ

λ

1005⨯1. 92⨯10-5

==0. 689

0. 0280

其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。 ⑼ 求关联式Nu =A Re Pr 以

m

0. 4

中的常数项

Nu Nu

Re 为纵坐标，为横坐标，在对数坐标系上标绘～Re 关系，见图3中直线Ⅱ。

Pr 0. 4Pr 0. 4

0. 8161

x 由图线回归出如下结果： y =0. 0174

0. 8161

即 Nu =0. 0174Re

⑽ 强化套管换热器数据

Pr 0. 4

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Nu Nu 0的计算如下：

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Nu 0。如表3中第1组数据：Re = 43069

Nu 0= 0. 0174Re 0. 8161Pr 0. 4= 0.0174×430690.8161×0.6970.4 = 90.88 Nu /Nu 0=125/90.88 = 1.38

⑾ 强化套管换热器的关联式

见图3中直线Ⅰ，由图线回归结果，得出： Nu i

⑿

0. 0422Re 0. 7919Pr 0. 4

Nu

～Re 关系曲线

0. 4

Pr

套管换热器实验准数关联图

1000

0.9075

N u /P r ^0. 4

0.7382

100

101000

10000

Re

100000

图3

Nu

～Re 关系曲线 Pr 0. 4