传热综合实验

实验五 传热综合实验

一、实验目的

1.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。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。

2.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=BRe m 中常数B 、m 的值和强化比Nu/Nu 0，了解强化传热的基本理论和基本方式。

二、实验内容

1. 测定5～6个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数i α，对i α的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。

2.测定5～6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i α，对i α的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRe m 中常数B 、m 的值。

3.同一流量下，按实验1所得准数关联式求得Nu 0，计算传热强化比Nu/Nu 0。

三、实验原理

（一） 普通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i α的测定

对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为

i α<

式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2?℃)；

Q i —换热器传热速率，W ；

S i —管内换热面积，m 2；

mi t ?—对数平均温差，℃。

对数平均温差由下式确定： 式中：t i1，t i2—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

)()(ln )()(2121i w i w

i w i w mi t T t T t T t T t -----=

?()i mi i i i S t Q K ??=≈/α

外为蒸汽冷凝，因此，将壁面平均温度近似视为蒸汽的温度，且保持不变。

传热面积(内)：i i i L d S π=

式中：d i —传热管内径，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： 式中：V i —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ；

c pi —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)；

ρi —冷流体的密度，kg /m 3。

c pi 和ρi 可根据定性温度t mi 查得，2

21i i mi t t t +=为冷流体进出口平均温度。t i1，t i2，T w ， V i 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

空气在管内作强制湍流，且被加热，准数关联式的形式为：

其中： i i i i d Nu λα=， i i i i i d u μρ=Re ， i i

pi i c λμ=Pr 物性数据λi 、c pi 、ρi 、μi 可根据定性温度t mi 查得。这样通过

实验确定不同流量下的Re i 与i Nu ，再用线性回归方法即可确定A 和m

的值。

（二）、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，它能减小换热器的传热面积，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5-1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，

)(12i i pi i i t t c W Q -=3600

i i i V W ρ=4

.0Pr Re i m i i A Nu =

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为主要技术参数，长径比H/d 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m B Nu Re 的经验公式，其中B 和m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

在本实验中，采用普通管中的实验方法确定不同流量下的Re i 与i Nu ，用线性回归方法可确定B 和m 的值。

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。

四、实验流程

1.实验流程

实验流程图见图5—2。实验装置的主体是两根平行的换热套管，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不同的换热管的内管。蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升，经支路控制阀选择不同的支路进入套管壳程。

装置结构参数如表5—1所示。

图5—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.放水口；

17.液位计； 18.冷凝液回流口

实验内管内径d i（mm）20.00

实验内管外径d o（mm）22.0

实验外管内径D i（mm）50

实验外管外径D o（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.实验测量手段

① 流量的测定：孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由下式计算： ()6203.00113.18P V t ??=

式中：V t0——20℃下的体积流量；

ΔP —孔板两端压差，KPa （即数字显示仪表读数）

由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：

293

2730mi t i t V V +?= 式中：V i —实验条件下（管内平均温度）下的空气流量，m 3/h; t mi — 换热器管内平均温度，℃

②温度测量：

a) 空气进、出传热管测量段的温度由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

b) 管外壁面平均温度T w ( ℃ )，由数字式毫伏计测出与该温度对

应的热电势E(mv,热电偶是由铜─康铜组成),将E 值代入公式:T w (℃)=1.2705+23.518×E(mv)计算得到。

五、实验方法及步骤

1. 实验前的准备检查工作

①向蒸汽发生器中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检查蒸汽管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线畅通。

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. 实验操作

A. 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，用放空阀来调节流量，在一定的流量下,稳定5—10分钟后分别测量空气的流量、空气进出口温度、壁面温度。

④改变流量，待流量稳定后再分别测量空气的流量、空气进、出

口温度、壁面温度后继续实验。

⑤实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

B.使用计算机自动控制试验

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、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计算机数据采集

a.用放空阀调节流量，待操作稳定后，用计算机分别对空气流量、空气进出口温度、换热器水蒸气温度进行采集；

b.改变空气流量，待操作稳定后，分别用计算机测量空气流量、空气进出口温度、水蒸气温度；

c.用计算机对所得实验数据进行计算和整理，得出实验结果，并通过显示器显示或打印出来。

六、实验注意事项

1.刚刚开始加热时，加热电压可在180V左右，但不能过大；

2.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存，检查热电偶的冷端是否全部浸没在冰水混合物中；

3.检查蒸汽发生器中的水位是否在正常范围内，特别是每个实验结束后，进行下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量；

4.必须保证蒸汽上升管线的畅通。在给蒸汽发生器电压之前，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要缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出；

5.必须保证空气管线的畅通。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，然后开启和关闭控制阀；

6.调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。

七、实验数据整理

1.将普通管实验数据填入表一。并以一组数据为例写出计算过程；

2.将粗糙管实验数据填入表二。并以一组数据为例写出计算过程；

3.以Re为横坐标，以Nu/Pr0.4为纵坐标，将上述表中数据绘制在