化工原理 传热实验

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K 、传热膜系数2α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m A Nu Re =中常数A 、m 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K ；用作图法或最小二乘法关联出

m A Nu Re =中常数A 、m 的值。通过对普通套管换

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2α，用作图法或最小二乘法关联出m A Nu Re =中常数A 、m 的值，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：

n m C Nu Pr Re = （1） 系数C 与指数m 和n 则需由实验加以确定。对于气体，Pr 基本上不随温度而变，可视为一常数，因此，式（1）可简化为：

m A Nu Re = （2） 式中： λαd Nu 2= μ

ρdu =Re 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m A Nu Re =中常数A 、m 的值。

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。

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。

温度显示仪表下方的转换开关共有7档，分别为：

强化管内部螺旋线圈结构示意图

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 ； 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

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。

（2）不锈钢孔板的孔径比m ＝17mm ／44mm ≈0.39

（3）孔板流量计为非标准设计，故进行了整体校正，得到空气流量)h /m (3t1V 与压差之间的关系，由公式（3）计算。

t1t180.23ρP

V ∆= （3）

式中：t1V ――空气入口温度（即流量计处温度）下的体积流量，h /m 3

P ∆――孔板两端压差，kPa

t1ρ――空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，3m /k g

（4）实验条件下的空气流量)h /m (3V 计算：

1

1273273t t V V t ++⨯= （4） 式中：V ――实验条件（管内平均温度）下的空气流量，h /m 3

t ――管内平均温度，℃

1t ――传热内管空气进口（即流量计处）的温度，℃

3．温度测量

（1）空气入传热管测量段前的温度1t （℃）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2t （℃）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 （℃）＝8.5＋21.26×E (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XGB －2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，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2t （℃）可基本稳定。

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1t （℃）比较稳定。

（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5－8分钟左右读取压差计读数，以及转动各仪表选择开关读取1t 、2t 、E 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）重复（3）与（4）共做5－7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。