化工实验讲义电子版：传热.doc

1、1化 工 传 热 综 合 实 验一、实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数i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=ARemPr0.4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。实验装置的主要特点如下：1.实验操作方便,安全可靠。2.数据稳定,强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。3.水

2、,电的耗用小,实验费用低。4.传热管路采用管道法兰联接,不但密封性能好,而且拆装也很方便。5.箱式结构，外观整洁，移动方便。二、强化套管换热器实验简介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

3、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。采用实验 3-1 中的实验方法确定不同流量下得 Rei 与iNu，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：0NuNu，其中

4、Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu0 是普通管的努塞尔准数，显然，强化比图 1 螺旋线圈内部结构20NuNu1，而且它的值越大，强化效果越好。三、 设备主要技术数据1.传热管参数: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）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.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。空气流量由公式1计算。5 . 00)(696.

5、22PVt1其中，0tV- 20 下的体积流量，m3/h ；P-孔板两端压差，Kpa1t-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，kg/m3。(m3/h)与压差之间的关系。(2) 要想得到实验条件下的空气流量V(m3/h)则需按下式计算:02732730ttVVt2其中，V-实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h；t-换热器管内平均温度，；t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，。3.温度测量(1) 空气入传热管测量段前的温度t1( )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(2) 空气出传热管测量段时的温度t2( )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(3) 管外壁面平均

6、温度 tw( )由铜康铜热电偶温度计测量，再由补偿式数字显示仪表直接读出。4.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160 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3(由固态调压器调节)。5. 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。6. 稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)排

7、出,空气流量调节好后,过 15 分钟,空气出口的温度 t2( )可基本稳定。四、实验设备流程图: 见附图所示。五、实验方法及步骤1.实验前的准备,检查工作.(1) 向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为易。(2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。(3) 检查水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。(4) 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.人工实验操作(1).合上电源总开关。(2).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。(3).启动风机并用放空阀来调节空气量,在

8、一定的流量下稳定 35 分钟后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度，由温度数字仪表显示（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气入口温度；4-粗糙管空气出口温度；5-加热器内温度）,换热器内管壁面的温度由数字仪表显示仪（上端红色-光滑管壁面热电势；下端绿色-粗糙管壁面热电势）。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度, 壁面温度后继续实验。(4).实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。计算机数据采集：(1).启动计算机并按照操作说明进行操作.(2).合上电源总开关, 打开加热电源开关,设定加热电压(电压设定见附录不得小于 200V),

9、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。(3).计算机数据采集实验(a).用放空阀来调节流量,待操作稳定后计算机分别对空气流量,空气进出口温度,水蒸气进出口温度进行采集.(b).在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,处口的温度,换热器水蒸气温度.继续进行实验.(c).计算机对所有的实验数据进行计算和整理,得出实验结果,并通过显示器和打印机显示或打印4出来.(d).通过显示器和打印机显示或打印出实验结果.五注意事项：(1). 实验前将加热器内的水加到指定的位置,防止电热器干烧损坏电器。(2). 刚刚开始加热时,加热电压在(160V)左右。（3）计算机数据采集和过程控

10、制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机.采集数据和控制实验时要注意观察实验现象。(4). 测量管后有蒸汽排出 10 分钟,可启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t1()比较稳定。五. 使用本实验设备应注意的事项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

11、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。4.电源线的相线,中线不能接错,实验架一定要接地。5.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能开路。六.附录1.实验数据的计算过程简介(以普通管第一列数据为例)。孔板流量计压差P=0.98Kpa、进口温度t1=24.9、出口温度t2=66.4 壁面温度 100.6 。已知数据及有关常数:(1)传热管内径di(mm)及流通断面积F(m2).di20.0(),0.0200 ();F(di2)43.142(0.0200)240.0003142( m2).(2)传热管有效长度 L()及传热面积si(m2).L1.

12、00（)siL di3.1421.000.02000.06284(m2).(3)t1( )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度1t，例如：t1=24.9，查得1t=1.18 Kg/m3。(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t()为简化计算,取 t 值为空气进口温度t1()及出口温度t2()的平均值, 即24 .669 .24221ttt=45.65（）5此查得: 测量段上空气的平均密度 1.11 (Kg/m3);测量段上空气的平均比热 Cp1005 (JKgK);测量段上空气的平均导热系数 0.0279K);测量段上空气的平均粘度 0.00001

13、94(sPa );传热管测量段上空气的平均普兰特准数的 0.4 次方为:Pr0.40.6710.40.852(5)空气流过测量段上平均体积V（ m3/h）的计算:)/(89.17)98. 0(696.22)(696.22350. 050. 00hmPVt45.192027365.4527389.1727327310ttVVt（m3/h）(6)冷热流体间的平均温度差tm()的计算:Tw= =100.6() 95.5465.456 .100221ttTtwm（）(7)其余计算:传热速率(W)2503600)9 .244 .66(100511. 145.193600tCpVQtt（W）73)0628

14、4. 095.54/(250/imistQ（W/m2）传热准数520279. 0/0200. 073/iidNu测量段上空气的平均流速20.17)36000003142. 0/(45.193600/FVu（m/s）雷诺准数0000194. 0/11. 120.170200. 0/Reudi=19706（8）作图、回归得到准数关联式4.0PrRemANu中的系数。（9）重复（1）-（8）步，处理强化管的实验数据。作图、回归得到准数关联式mBNuRe中的系数。40Pr810Re0250.Nu 2 实验设备流程图61、 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

15、；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、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图7数数 据据 整整 理理 表表（1）装置编号：装置编号：1-普通管第第 1 1 套套实验日期：实验日期：05，10，16No.1 12 23 34 45 56 67 7流量（Kpa)0.981.582.212.833.413.984.57T1(）24.926.0027.5029.0031.5033.0035.8T1(Kg/m

16、3)1.181.181.171.171.161.151.14T2(）66.465.665.565.867.167.468.4Tw(）100.6100.6100.6100.6100.6100.6100.6at(）45.6545.8046.5047.4049.3050.2052.10at(kg/m3)1.111.111.111.101.101.091.09at*1002.792.792.792.802.822.822.84Cp at1005100510051005100510051006at*100001.941.941.941.951.951.961.97dt(）41.5039.6038.003

17、6.8035.6034.4032.60dat(）54.9554.8054.1053.2051.3050.4048.50Vt1(m3/h)17.8924.0629.6234.5338.7742.6746.49V(m3/h)19.4526.1732.3037.7642.6447.0751.58u(m/s)17.2023.1428.5633.3937.7041.6145.61qc(W)250321379428465495511（W/m2）7394113129146158169Re19706264923257037890423454650750441Nu52688192104112119Nu/(Pr0

18、.4)617893107120129138数数 据据 整整 理理 表表（2）装置编号：装置编号：1-强化管第第 1 1 套套实验日期：实验日期：05,10,16No.1 12 23 34 45 56 67 7流量（Kpa)0.621.111.632.222.633.133.17T1(）26.527.0028.4032.0034.9039.1043T1(Kg/m3)1.171.171.171.161.151.131.12T2(）81.578.87877.978.679.580.9Tw(mv)4.234.234.234.234.234.234.23Tw(）100.4100.4100.4100.41

19、00.4100.4100.4at(）54.0052.9053.2054.9556.7559.3061.95at(kg/m3)1.081.091.081.081.071.061.05at*1002.852.842.852.862.872.892.91Cp at1005100510051005100510051005at*100001.981.971.971.981.992.002.01dt(）55.0051.8049.6045.9043.7040.4037.90dat(）46.4047.5047.2045.4543.6541.1038.45Vt1(m3/h)13.4619.3324.5329.7233.0136.7837.07iii8V(m3/h)15.0221.5027.3133.2637.1541.7142.38u(m/s)13.2819.0124.1529.4132.8536.8837.47qc(W)243328397440462470439（W/m2）84111135156170184183Re14540209282654732022354183921039258Nu597895109118127126Nu/(Pr0.4)6890110126137147146i