【20170424】传热综合实验讲义(学生版)-jidx要点

7.4 传热综合实验(20170424版本)

7.4.1实验目的与要求

1.通过实验，加深对传热理论的理解，提高研究和解决传热实际问题的能力；

2.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i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

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， 掌握对流传热系数i α的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。

4.学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式4

.0Pr Re m

A Nu =中的常数A 和m 的数值，强化管关联式4.00Pr Re m

B Nu =中B 和m 数值。

5.根据计算出的Nu 、Nu 0求出强化比Nu/Nu 0，比较强化传热的效果，加深理解强化传热的基本理论和方式。

6.通过变换列管换热器换热面积实验测取数据计算总传热系数K ，加深对其概念和影响因素的理解。

7.认识套管换热器（光滑、强化）、列管换热器的结构及操作方法，测定并比较不同换热器的性能。

7.4.2实验原理

在工业生产中，间壁换热是经常使用的换热方式。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常遇到的问题。

冷热液体间的传热过程是由热流体对壁面的对流传热、间壁的热传导、以及壁面对冷流体的对流传热这三个传热子过程组成。如7.4-1所示。在忽略了换热

管内外两侧的污垢热阻后，以冷流体一侧传热面积为基准的传热系数计算式为：

o

o i m i

i A A A A K αλδα+

+=

11

(7.4-1) 式中：K ——以冷流体一侧传热面积为基准的总传热系数，)/(2℃?m W ；

图7.4-1 间壁式传热过程示意图

i α——冷流体侧的对流传热(膜)系数，)/(2℃?m W ；

o α——热流体侧的对流传热(膜)系数，)/(2℃?m W ；

λ——换热管材料的导热系数，)/(2℃?m W ； i A ——冷流体侧的传热面积，2

m ； δ——换热管的壁厚，m ；

m A ——换热管的对数平均面积，2

m ；

7.4.2.1 普通套管换热器传热(膜)系数测定及准数关联式的确定 (1)对流传热(膜)系数i α的测定：

对流传热(膜)系数i α可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。

m i i i t A Q ???=α (7.4-2) i

m i

i A t Q ??=

α (7.4-3)

式中：i α—管内流体对流传热系数，)/(2℃?m W ； i Q —管内传热量，W ；

i A —管内换热面积，2m ；

m t ?—管壁面与主流体之间的平均温度差，℃。 平均温度差由下式确定：

)()(ln )()(12

12t t t t t t t t t W W W W m

-----=? (7.4-4)

式中：1t —冷流体的入口温度，℃；

2t —冷流体的出口温度，℃； W t —壁面平均温度，℃；

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数较大，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W t 来表示，由于管外使用蒸汽，所以W t 近似等于热流体的平均温度。

管内换热面积： i i i

L d A π= (7.4-5)

式中：i d —传热管内管内径，m ；

i L —传热管测量段的实际长度，m 。 由热量衡算式： )(12t t c w Q pi i i

-= (7.4-6)

其中质量流量由下式求得： 3600

i

i i V w ρ=

(7.4-7)

式中：i V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3/h ； i

p C —冷流体的定压比热容，kJ/(kg·℃)；

i ρ—冷流体的密度，kg /m 3。

i p C 和i ρ可根据定性温度m t 查得，

2

2

1t t t m +=

为冷流体进出口平均温度。 1t ，2t ，m t ，i V 可采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

流体在圆管内作强制湍流，被加热状态，在54102.1~100.1Re ??=i ，120~7.0Pr =i ，管长与管内径之比为d l ≥60的情况下，准数关联式的形式为：

n i m i i A Nu Pr Re = (7.4-8)

其中： i

i

i i d Nu λα=

， (7.4-9) i

i

i i i d u μρ=

Re (7.4-10)

i

i

pi i c λμ=Pr (7.4-11)

i Nu ――努赛尔准数，描述对流传热系数的大小； i Re ——雷诺准数，表征流体流动状态；

i Pr ——普朗特准数，表征流体物性的影响；

i α——流体与固体壁面的对流传热(膜)系数，)/(2℃?m W ； i λ——流体的导热系数，)/(2℃?m W ；

i p C ——流体的比热容，)/(℃?kg J ； i u ——流体在管内流动的平均速度，s m /； i d ——换热管的内径，m ；

i μ——流体的粘度，s Pa ?；

i ρ——流体的密度，3/m kg 。

流体的物性数据i λ、i

p C 、i μ、i ρ可根据定性温度m t 查得。对于管内被加热的空气n=0.4则关联式的形式简化为：

4

.0Pr Re i

m

i i A Nu = (7.4-12) 这样通过实验确定不同流量下的Re i 与i Nu ，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。 7.4.2.2强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定

强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了螺旋线圈的方式进行强化传热的。 螺旋线圈的结构图如图7.4-2所示，螺旋线圈由直径3mm 以下的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（h d /2）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。

科学家通过实验研究总结了形式为n m A Nu Pr Re =的经验公式，其中A 和m 的值因强

图7.4-2 螺旋线圈强化管内部结构

化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Re i 与i Nu ，用线性回归方法可确定强化管内传热的经验关联式4

.0Pr Re i

m i

o oi o

A Nu =的o A 和o 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：0Nu Nu ，其中Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu 0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比0Nu Nu ＞1，而且它的值越大，强化效果越好。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，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。

7.4.2.3列管换热器总传热系数K 的计算

总传热系数K 是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流量和温度等，通过传热速率方程式计算K 值。

传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系。该方程式中，冷、热流体温度差△T 是传热过程的推动力，它随着传热过程冷热流体的温度变化而改变。

传热速率方程： m T ???=o o o A K Q (7.4-13) 热量衡算： )t -(t C 12??=w p Q o (7.4-14) 总传热系数： m

12T )

t -(t C ????=

o o A w p K (7.4-15)

对数平均温差 ()())()(ln T 211

22112t T t T t T t T m

-----=? (7.4-16)

式中： o Q --传热量，W ；

o A --以管外表面为基准的传热面积，m 2；

m T ?--冷热流体的平均温差，℃；

o K --以管外表面为基准的总传热系数，W/(m 2·℃)；

p C --流体的比热容， J/(kg·

℃)； w --空气质量流量， kg/s ；

1T --蒸汽进口温度，℃； 2T --蒸汽出口温差，℃； 1t --空气进口温度，℃； 2t --空气出口温度，℃；

列管换热器的换热面积 o o o A L d n π?= 式中：d 0--列管换热器内管外径（m ）； L o --列管长度（m ）； N--列管根数。

7.4.3实验装置及流程

7.4.3.1实验装置流程

本实验的装置流程如图7.4-3所示。

图7.4-3 传热实验装置流程示意图

1-列管换热器空气进口阀；2-套管换热器空气进口阀；3-板式换热器空气进口阀；4-压差传感器；5-转子流量计；6-空气旁路调节阀；7-漩涡气泵；8-储水罐；9-排水阀；10-液位计；11-蒸汽发生器；12-散热器；13-套管换热器；14-套管换热器蒸汽进口阀；15-列管换热器；16-列管换热器蒸汽进口阀;17-玻璃观测段;18-不

凝器放空阀；19-U 型管；20-调节阀。

7.4.3.2实验设备主要技术参数

本实验装置的主要技术参数如表7.4-1所示。

表7.4-1 实验装置结构参数

7.4.3.3实验装置面板布置

本实验装置控制柜的面板布置如图7.4-4所示。

图7.4-4 传热过程综合实验面板图

7.4.4实验内容及实验操作步骤

7.4.4.1 实验内容

α。

1.测定11~15组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数

i

2.测定11~15组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数iα。

3.测定11~15组不同流速下空气全流通列管换热器总传热系数k。

4.测定11~15组不同流速下空气半流通列管换热器总传热系数k。

5.对iα的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARe m Pr0.4中常数A、m的数值。

6.通过关联式Nu=ARe m Pr0.4计算出Nu、Nu0，并确定传热强化比Nu/Nu0。

7.4.4.2实验操作步骤

1.实验前的准备及检查工作：

(1)向储水罐8中加入蒸馏水至液位计上端处。

(2)检查空气流量旁路调节阀6是否全开。

(3)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。

(4)接通电源总闸，设定加热电压。

2.光滑套管实验

(1)准备工作完毕后，打开蒸汽进口阀门14和套管换热器排气阀18，启动仪表面板加热开关，对蒸汽发生器内液体进行加热。当所做套管换热器内管壁温升到接近100℃并保持5分钟不变时，关闭套管换热器排气阀18，打开阀门2，全开旁路阀6，启动风机开关。

(2)风机启动后，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及壁面温度。

(3)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.强化实验：

全部打开空气旁路阀6，停风机。把强化丝装进套管换热器内并安装好。实验方法同步骤2。

4.列管换热器传热系数测定实验：

(1)列管换热器冷流体全流通实验，打开蒸汽进口阀门16和列管换热器排气阀18，当蒸汽出口温度接近100℃并保持5分钟不变时，关闭列管换热器排气阀18，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用旁路调节阀6来

调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。

(2)列管换热器冷流体半流通实验，用准备好的丝堵堵上一半面积的内管，打开蒸汽进口阀门16，当蒸汽出口温度接近100度并保持5分钟不变时，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。

5.结束实验

所有的实验项目完成后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

7.4.5实验注意事项

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。即在开启加热电压之前，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5-8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。

7.4.6实验原始数据记录表

7.4.6.1套管换热器的实验数据记录表

表7.4-2 套管传热实验原始数据表

日期_________ 设备号_________________ 环境温度_____________ [℃] 大气压强______________[hPa] 套管换热器外管直径__Ф57×3.5__[mm]

紫铜内管直径_Ф22×1__[mm] 传热管有效长度____1200___[mm]

同组学生姓名：教师签名：

表7.4-3 套管强化传热实验原始数据表

日期_________ 设备号_________________ 环境温度_____________ [℃] 大气压强______________[hPa] 套管换热器外管直径__Ф53×3.5__[mm]

紫铜内管直径_Ф22×1__[mm] 传热管有效长度____1200___[mm]

螺旋线圈丝径_ 1_ _ [mm] 螺旋线圈节径_ 40_ _ [mm]

同组学生姓名：教师签名：

7.4.6.2列管换热器的实验数据记录表

表7.4-4 列管换热器传热实验原始数据表

日期_________ 设备号________________ 环境温度_____________ [℃] 大气压强______________[hPa] 列管换热器外管直径__Ф89×3.5__[mm]

实验内管直径_Ф19×1.5__[mm] 传热管有效长度____1200___[mm]

实验时使用的内管数目_ _ 根(请根据实验实际填写)

同组学生姓名：教师签名：

7.4.7数据处理

(1)实验中，每一实验小组将实验数据记录在一份规整、标准的上述格式的记录中，书写要认真，实验结束后，同组同学在此记录上签名，指导教师核查数据无误后签名，将此签名原始数据带回，黏贴于同组某一同学的报告里上交，其他同学的原始数据自己抄写或打印后黏贴于相应的位置处。

(2)给出一组数据计算示例，要过程详细，公式正确，数据代入；

(3)打印上交数据处理结果表和图；

(4)在双对数坐标上作图，并求取传热关联式中m A Nu Re Pr /4.0=中的系数A 与m 的值，以及A o 以及m o ，计算出强化比。

7.4.8 实验结果分析与讨论

(1) 分析冷流体流量的变化对K 的影响； (2)试分析本实验中的控制步骤是什么？

(3)对实验数据和结果作误差分析，分析其中的原因。

7.4.9思考题

(1)在本实验中，为什么可将≈αK ？

(2)如何强化传热？请结合本实验的实际情况进行分析。 (3)为什么要装不凝性气体排出阀？

(4)若要测空气――热水系统的对流传热系数α值，你认为应对装置作如何改造？ (5)如果将本实验所用的两种流体（空气和水蒸气）的流程相互调换下，此时传热情况将发生如何变化？

(6)将你所测得的气体出口温度的变化情况与所测得的K 值变化情况加以比较，以此为依据，分析其变化的规律性。。

7.4.10数据处理过程步骤

7.4.10.1 套管换热器传热数据处理

(1)测量空气压差的U 型差压计的水柱高度差：

Lj j j R R R -=?H [mmH 2O]

j ――第j 组实验数据

R Hj ――U 型差压计高侧液柱指示高度 [mmH 2O] R Lj ――U 型差压计低侧液柱指示高度 [mmH 2O] (2)空气的实际压强P j ：

j water j R g Pa P ?+=ρ [Pa]

Pa ――实验时的大气压， [Pa]

water ρ——实验时环境温度下水的密度 [kg/m 3]

(3)空气的实际密度j ρ：

3111049.3)

15.273()

15.273(-??+=

+=

j j

j j j t P t R M P ρ [kg/m 3]

M ――空气的摩尔质量数，[kg/mol]

j P ――空气的实际压强P j [℃]

j t 1――空气的入口温度 [℃]

(4)空气的定性温度j t :

()2

21j j

j

t t t +=

][℃

t 1j ――空气的进口温度， ][℃ t 2j ――空气的出口温度， ][℃

(5)空气的物性常数：

由上面计算的定性温度，查相关教材，可以得到空气的物性常数.

j P C )]/([K g J ?(空气的定压比热容)

j λ )]/([K m w ?(空气的导热系数)

j μ ][s Pa ?(空气的粘度)

则空气的普兰德准数j Pr 为：

j

j

j j Cp λμ=

Pr (6)气的实际体积流量j V 实：

5

.05.020205.1）（＝）（＝示℃示实j

j j j

j V V V ρρρ? [m 3/h] (7)空气的实际质量流量j w

j j j V w ρ?=实 ]/[h kg

(8)传热量计算：

3600/1000)(12?-=j j j j j t t Cp w Q [w]

(9)传热过程中的对数平均温差mj t ?

)ln()

(2121j

j j j mj t t t t t ???-?=

? ][℃ 其中：

进口温差：j j w j t t t 11-=? ][℃ 出口温差：j wj j t t t 22-=? ][℃

(10)传热系数j K ：

j

m i j

mj

j j j t l d Q t A Q K ?=

?=

π [w/m 2.k]

m d i 020.0＝ m l 2.1=

(11)雷诺数：

j

j j j i

u d μρ=

Re

(12)努赛尔准数计算：

o

j o i m i j i j A A A K αλδα+

+=

1

1

空气侧的对流传热膜系数i α的数量级为102，蒸汽侧的对流传热膜系数o α的数量级为104，金属的导热系数λ的数量级为102，δ为管壁厚度，单位为mm ，m i A A /≈1，o i A A /≈1，所以分母上后两项和远远小于第一项，因此有：

j

i α1

K 1j ≈

，即为：

i j i K ≈α ]/[2K m w ? i j

ij

j d Nu λα=

4

.0Pr /j j Nu ＝？

(13)求解参数方法：

于是对Re 和Nu/Pr 0.4两项数据作图可得Nu/Pr 0.4～Re 的关系图，然后用最小二乘法进行回归成幂函数，便可以得到准数关联式的参数A 和m 的数值。

手工作图法求算过程如下：

先在双对数坐标纸上做Nu/Pr 0.4～Re 的关系图，在所作的直线上取A 、B 两点的垂直距离H ，水平距离L ，则

m=H/L

然后在直线上取一点C(非实验测试点)，读取C 点的坐标（Re ，Nu/Pr 0.4）后，反代到准数关联式：

m A Nu Re Pr /4.0=

可以求得A 。

7.4.10.2 列管换热器传热数据处理

列管换热器传热实验数据的处理和套管换热器数据处理情况相似，关键是传热面积的计算，以及对数平均温度差的计算，具体计算公式详见7.4.2.3部分。 7.4.11 实验数据处理表

7.4.11.1 套管换热器传热实验数据处理结果表

经过一系列的数据处理，得到的数据结果表如表7.4-5所示。 7.4.11.2 列管换热器传热实验数据处理结果表

经过一系列的数据处理，得到的数据结果表如表7.4-6所示。

?

Re Pr 24.0==R A Nu m

7.4-5 套管换热器传热实验数据处理结果表

7.4-6 列管换热器传热实验数据处理结果表

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