换热器实验.doc

12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ai的测定方法，加深对其概念和影响因素的确良理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=AremPr0.4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=Brem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu。，了解强化传热的基本理论和基本方式。
3． 通过对几种各具特点、不同形式的热电偶线路的实验研究，掌握热电偶的基本理论以及第三导线、补偿导线的概念，了解热电偶正确的使用方法。
二． 实验内容与要求

实验3—1
实验3—2
实验3—3
实
验
内
容
与
要求
⑴测定5—6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数ai;
(2)对ai的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=AremPr0.4中常数A、m的值。
⑴测定5—6个不同流速下强化套管的对流传热系数ai;
⑵对ai的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=AremPr0.4中常数A、m的值。
⑶同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu。，计算传热强化比Nu/Nu。
⑴在热电偶热端恒定不变的情况下测量1—7号线路的热点势，观察不同线路的情况。
⑵同时测量4号（5号）线路在t=t,t>t,t<t()时的热电势。
⑶分别测量8号线路补偿导线的两种不同接法时的热电势，确定正确的联接方法。
三． 实验原理
实验3—1 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a可以根据牛顿冷却定律，用实验测定
a=
式中：a—管内流体对流传热系数，W/（m.c）;
Qi—管内传热速率，W；
Si—管内换热面积，m；
Tm—对数平均温差，C；
对数平均温差由下式确定：
t=
式中：t,t—冷流体的入口，出口温度，C；
t—壁面平均温度，C；
因为传热管为紫铜管，其导热系数很大，而管壁又薄，故认为内壁温度，外壁温度和壁面温度近似相等，用tw来表示。
管内换热面积：
Si=
式中：di—内管管内径，m;
Li—传热管测量段的实际长度，m;
由热量衡算式：
Qi=Wi
其中质量流量四下式求得：
Wi=Vi/3600
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m/h；
Cpi —冷流体的定压比热，KJ/(kg.C)；
—冷流体的密度kg/m;
cpi和j可根据定性温度Tw查得，Tw=t1+t3/2为泠流体进出口平均温度。T1*T2,tm,Vi可采取一定的测量物段得到。
2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
Nui=
其中Nui=,Rei=;Pri=;
物性数据c;可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式可简化为
Nui=
这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。
一． 实验装置的基本功能和特点
本实验装置是以空气和水蒸气为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数A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N=Are中常数A，mr的值。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=BR中常数B,m的值和强化Nu/Nu，了解强化传热的基本理论和基本方式。
实验装置的主要特点如下：
1， 实验操作方便，安全可靠。
2， 数据稳定,强化效果明显,用图解法求得的回归式与经验化式很接近.
3， 水、电的耗用小,实验费用低。
4， 箱式结构，外观整洁，移动方便。
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，以减小换热器白体积和重量；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阴力系数的重要因素。科学家用通过实验研究总结了形式为Nu=Brem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
采用实验3—1中的实验方法确定不同流量下的RE与Nu，用线性回归方法可确定B和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：Nu/Nu,其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu是普通管的努塞尔准数，显然，强化比Nu/Nu>1，而且它的值越大，强化效果越好。
三、设备主要技术数据
1、 传热管参数
表1 实验装置结构参数
实验内管内径di(mm)
19.25
实验内管外径do(mm)
22.01
实验内管内径Di(mm)
50
实验内管外径Do(mm)
52.5
总管长（紫铜内管）L(mm)
1.30
测量段长度l(mm)
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
L/d=1300/19.25≈67.6>60
V=23.80
其中：V—空气入口温度（及流量计处温度）下的体积流量，m/h；
p—孔板两端压差，Kpa；
—空气入口温度（及流量处温度）下密度Kg/m。
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都市空气流量计。
（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V（m/h）与压差之间的关系，由公式（1）计算。
（4） 要想得到实验条件下的空气流量V（m/h），则需按下式计算：
V=V
其中：V——实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m/h ;
at——管内平均温度，C；
ti——传热内管空气进口（即流量计处）温度，C；
3、 温度测量
（1） 空气入传热管测量段前的温度t(C)，由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
（2） 空气出热管测量段时的温度t(C)，由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。
（3） 管内壁面平均温度Tw（C）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E根据公式：T（C）=8.5+21.26*E(mv)计算得到。
4、 电加热釜
是产生水蒸水汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线)，，内装有一支2。5kw的螺旋形电热器，当水温为30C时，用200伏电压加热，约25分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热（使用）电压不超过200伏（由固态调压器调节）。
5、 气源（鼓风机）
又称旋涡气泵，XGB—2型，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75kw（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，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合蒸汽，并在不凝气排出口有适量的汽（气）排出，空气流量调节器好后，过15分钟，空气出口的温度t(C)可基本稳定。
四、实验设备流程图：见附图所示。
五、实验方法及步骤
1、 实验前的准备和检查工作。
（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，电压调节电位器是否旋至最左端（逆时针方向）。
（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,启动电加热开关,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(C)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t，t，E值。（注意：第一个数据点必须稳定足够的时间）
(5) 重复（3）与（4）共做5——6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5——6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） 切断总电源。
（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。
六、 用本实验设备应注意的事项
1、 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。
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，现关闭另一侧，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。
5、 电源线的相线，中线不能接错，实验桌铁架一定要接地（最起码也要接中线）。
6、 数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号转入端不能“开路”。
7、 尽量避免在旁路阀全关的情况下启动鼓风机。
实验设备流程图：