化工传热实验装置说明书

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化工传热实验装置使用说明书
一、概述
热力学第二定律指出：无论是气体、液体还是固体，都存在着温度差异，就必然导致热
量自发地从高温向低温传递，这一过程被称为热量传递过程，简称传热。用于冷热流体进
行热量交换的设备称为换热器。
传热在工程技术领域中的应用十分广泛，在动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能
源和宇航等工程中，都占有十分重要的地位。因此，了解传热过程的基本原理及传热设备
（即换热器）的结构性能具有极其重要的意义。
换热器是由各种不同的传热元件组成的换热设备，冷热流体借助换热器中的传热元件进
行热量交换而完成加热或冷却任务。换热器的传热系数是衡量换热器的换热效果好坏的标
准，不同传热元件组成的换热器的性能存在着较大的差异。确定换热器换热性能（主要是
指传热系数）的有效途径是通过实验进行测定。

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。
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0NuNu＞1，而且它的值越大，强化效果越好。

三、设备主要技术参数：
1、传热管参数:

图1 螺旋线圈内部结构
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实验装置结构参数
实验内管内径di（mm） 20.0
实验内管外径do（mm） 22.0
实验外管内径Di（mm） 53.0
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、蒸发器为不锈钢制成，最大加热功率为2KW。其上装有液位计，正常液位要维持在
2/3处，最多加至液位计所能指示的范围最高处。必要时加水，以免电热管干烧（加水时需
注意水位超过液位计指示时仍往蒸发器内加水，液位计将无法显示液位）。其表面也包有保
温层。
3、风机为旋涡风机，输入功率为550W转速为 2800/min,风量为95m3/h。
4、温度仪表：本装置上配置一块AI-518温度控制仪表，一块AI-702M温度巡检仪和一
块AI-704M温度巡检仪，AI-518温度控制仪表用于控制蒸发器温度，一块AI-702M和一块
AI-704M温度显示仪可以直接显示所对应各点的温度。
6、开关、指示灯 按下开关指示灯亮表明对应的工作正在运行，关闭时则按开关上箭
头的方向旋转即可。

四、实验流程图

P
T

89
10
1

T
2
5

T
3TT6Tφ42不锈钢管7
12

流量计4-40m3/H
11

1、550W旋涡风机2、冷流体出口温度3、冷流体入口温度4、热流体出口温度5、热流体入
口温度6、调节阀7、普通套管换热器8、压力表9、蒸汽温度10、蒸汽发生器
11、转子流量计12、强化套管换热器

T
4
3

五、实验目的
1、 熟悉传热实验的实验方案设计及流程设计。
2、 了解换热器的基本构造与操作原理。
3、 掌握热量衡算与传热系数K及对流传热膜系数α的测定方法。
4、 了解强化传热的途径及措施。
5、 掌握热电偶的测温原理及电位差计的使用。

六、实验原理
传热实验是在实验室条件下的教学实验，用仪表考察冷热流体在套管式换热器中的传
热过程，其理论基础是传热基本方程牛顿冷却定律及热量平衡关系。
由传热基本方程得：mtAKQ
式中 K——传热系数 （Kmw2）
A——换热器的传热面积 （2m）
mt——平均温度差 （K）

Q——传热量 （W）
由上式可得mtAQK，由实验测定Q、A、mt即可求得K值。

由传热系数K亦可确定换热面内外两侧的对流传热膜系数。
对薄壁圆管（iodd小于2），传热系数K与传热膜系数之间有如下关系：

dido
io

RRK



111

式中 K——传热系数 （Kmw2）
o——加热管外壁面的对流传热膜系数 （Kmw2）
i—— 加热管内壁面的对流传热膜系数 （Kmw2）
δ——加热管壁厚 （m）
λ——加热管的导热系数 (w/m K)

do
R
——加热管外壁面的污垢热阻 （wKm2）

di
R
——加热管内壁面的污垢热阻 （wKm2）

实验室条件下考虑忽略污垢热阻，则
ioK111

若有i 》o，则有K≈o；
实验中冷流体采用空气，热流体采用水蒸汽。通过测取冷热流体在换热器进出口的流量及温度变化
来进行总传热系数K对流传热膜系数与相关准数关系的测定。
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七、实验步骤及注意事项
1.实验前的准备,检查工作.
(1) 向电加热釜加水至液位计2/3处。
(4) 检查普通管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。
(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. 实验开始.
(1)一段时间后水沸腾,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。
(2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t(℃)比较稳
定。
(3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开
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)。
(4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取各数值。(注意：第1个数据点必须
稳定足够的时间)
(5) 重复(3)与(4)共做3-5个数值。
(6) 最小,最大流量值一定要做。
(7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的
调节。
3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。测定3-5组实验数据。
4． 实验结束.
(1)关闭加热器开关。
(2) 过10分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。
(3) 切段总电源
(4) 若需几天后再做实验,则应将电加热釜中的水放干净。
注意事项：
1．热球风速仪在测量时才抽出探头，停止实验时则应将探头关好，一定要注意不能损
坏探头内的铂丝等重要测量元件。
2．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。
3．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。
4．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，然后开启和关闭控制阀。
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5. 实验操作时应注意安全，防止触电和烫伤。
6.测量时应逐步加大气相流量，记录数据。否则实验数值误差较大。
八、 实验数据整理及要求

序号 流量(m3/h) 气体入口T(℃) 气体出口T(℃) 蒸汽入口T(℃) 蒸汽出口T(℃) tm (℃)