传热系数的测定实验

实验４ 传热系数的测定实验

一、实验目的

⒈ 测定流体在套管换热器内作强制湍流时的对流传热系数i α。

⒉ 并将实验数据整理成准数关联式Nu=ARe m Pr 0.4形式，确定关联式中常数A 、m 的值。 ⒊ 了解强化传热的基本理论和采取的方式。

二、实验原理

实验2-1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

⒈ 对流传热系数i α的测定 根据牛顿冷却定律

i

m i

i S t Q ⨯∆=

α （4-1） 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；

m t ∆—冷热流体间的平均温度差，℃。

()()

2

21i i w m t t T t +-

=∆ （4-2）

式中：t i1，t i2—冷流体的入口、出口温度，℃；

ｔw —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，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。 管内换热面积：

i i i L d S π= （4-3）

式中：d i —内管管内径，m ；

L i —传热管测量段的实际长度，m 。 由热量衡算式：

)(12i i pi i i t t c W Q -= （4-4）

其中质量流量由下式求得：

3600

i

i i V W ρ=

（4-5）

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 m 查得，2

2

1i i m 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。

⒉ 对流传热系数准数关联式的实验确定

流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为

n i m

i

i A Nu Pr Re =. （4-6）

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 m 查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr i 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

4.0Pr Re i m

i

i A Nu = （4-7）

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。 三、实验装置

⒈ 实验设备：

如图2-2所示，实验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。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW 螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。蒸汽上升管路，使用三通和球阀分别控制蒸汽进入两个套管换热器。

空气由XGB-2型旋涡气泵吹出，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。 ⒉ 实验的测量手段 ⑴ 空气流量的测量

空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设

计，其流量计算式为：

080

.23t

t P

V ρ∆= （4-8）

图4-1 对流传热系数测定实验装置流程图

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－强化管入口温度计；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—强化管出口温度计；15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管入口温度计；21—普通管出口温度计

式中：P ∆—孔板流量计两端压差，KPa ；

t 0—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃； ρ0—t 0时的空气密度，kg/m 3。

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：

2732730

t t V V m

t i ++⨯

= （4-9）

⑵ 温度的测量

实验采用铜-康铜热电偶测温，温度与热电势的关系为：

T(℃)=8.5009+21.25678×E(mv) （4-10）

图4-2 传热实验中冷流体进出口温度及壁温的测量线路图

四、实验方法

1.实验前的准备,检查工作.

(1) 向电加热釜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。

(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 i1 (℃)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t1,t2,E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7～10个空气流量值。

(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7～10组实验数据。

4．实验结束.

(1)关闭加热器开关。

(2) 过5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,则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。

五、报告内容

Nu~Re的关系图。

⒈在双对数坐标系中绘制

4.0

Pr

⒉求出准数关联式中的m、A。

，并于普通管进行比较。

⒊测定流体在强化套管换热器的对流传热系数i

六、思考题

1．强化传热的途径有哪些？

2．本实验中壁面温度接近空气温度还是蒸汽温度？为什么？

七、实验结果

1．实验数据表

表1 普通管实验记录

表2 强化管实验记录

管内流量V(m3/h) 46.77 41.90 36.86 32.65 29.07 25.63 u(m/s) 44.64 39.99 35.18 31.16 27.74 24.46 传热量qc(W) 496.6 456.0 431.1 408.8 381.3 347.0 αi（W/m2·℃）201.51 186.90 171.75 157.29 143.71 129.40 Re 47312 42325 37513 33523 30012 26547

Nu 135.53 125.62 115.88 106.61 97.70 88.12

Nu0 99.63 91.50 83.43 76.55 70.34 64.03

Nu/Nu0 1.36 1.37 1.39 1.39 1.39 1.38 Nu/(Pr0.4) 156.6 145.1 133.9 123.2 112.9 101.8 2．实验结果图

图4-3 准数关联图