传热系数的测定实验.doc

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。
⒉　并将实验数据整理成准数关联式Nu=ARemPr0.4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 对流传热系数的测定
根据牛顿冷却定律
（4-1）
式中：—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)；
Qi—管内传热速率，W；
Si—管内换热面积，m2；
—冷热流体间的平均温度差，℃。
　　　　　 （4-2）
式中：ti1，ti2—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tw 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：
（4-3）
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：
（4-4）
其中质量流量由下式求得：
（4-5）
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
ρi—冷流体的密度，kg /m3。
cpi和ρi可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， Vi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
. （4-6）
其中： ， ，
物性数据λi、cpi、ρi、μi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，则关联式的形式简化为：
（4-7）
这样通过实验确定不同流量下的Rei与，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：
　　　　　　　 （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：—孔板流量计两端压差，KPa；
t0—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃；
ρ0—t0时的空气密度，kg/m3。
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：
（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ti1 (℃)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
⒈ 在双对数坐标系中绘制~Re的关系图。
⒉ 求出准数关联式中的m、A。
⒊ 测定流体在强化套管换热器的对流传热系数，并于普通管进行比较。
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

1
2
3
4
5
6
7
孔板压差（Kpa)
5.35
4.57
3.77
2.83
2.08
1.36
0.56
空气入口温度t1(℃）
44.50
42.90
39.80
37.80
34.70
32.90
32.00
ρt1(Kg/m3)
1.12
1.13
1.14
1.14
1.15
1.16
1.16
空气出口温度t2(℃）
69.30
68.90
67.60
67.20
66.40
66.50
68.40
壁面热电势Tw(mv)
4.22
4.23
4.23
4.23
4.23
4.23
4.23
壁面温度Tw (℃）
98.20
98.42
98.42
98.42
98.42
98.42
98.42
管内平均温度at(℃）
56.90
55.90
53.70
52.50
50.55
49.70
50.20
ρat(kg/ m3)
1.09
1.09
1.10
1.10
1.11
1.11
1.11
λa×100
2.87
2.87
2.85
2.84
2.83
2.82
2.82
Cp at
1009.
1009.
1009.
1009.
1009.
1009.
1010.
μat ×10000
1.99
1.98
1.97
1.97
1.96
1.96
1.96
管内平均温差Δt(℃）
24.80
26.00
27.80
29.40
31.70
33.60
36.40
平均温差Δtm(℃）
40.03
41.16
43.24
44.30
46.06
46.72
45.83
空气流量Vt1(m3/h)
51.79
47.77
43.21
37.34
31.88
25.72
16.49
管内流量V(m3/h)
53.82
49.73
45.13
39.11
33.53
27.13
17.47
u(m/s)
47.58
43.97
39.90
34.58
29.64
23.99
15.45
传热量qc(W)
407
395
386
355
329
283
198
αi（W/m2·℃）
162
153
142
127
114
97
69
Re
52012
48310
44329
38645
33459
27197
17466
Nu
113
107
100
90
81
68
49
Nu/(Pr0.4)
130
123
115
104
93
79
56
表2 强化管实验记录

1
2
3
4
5
6
7
孔板压差（Kpa)
3.96
3.17
2.45
1.92
1.52
1.18

空气入口温度t1(℃）
38.10
37.90
35.20
32.20
30.20
28.90

ρt1(Kg/m3)
1.14
1.14
1.15
1.16
1.17
1.17

空气出口温度t2(℃）
72.80
73.50
73.30
72.80
72.60
72.60

壁面热电势Tw(mv)
4.24
4.24
4.24
4.24
4.24
4.24

壁面温度Tw (℃）
98.63
98.63
98.63
98.63
98.63
98.63

管内平均温度at(℃）
55.45
55.70
54.25
52.50
51.40
50.75

ρat(kg/ m3)
1.09
1.09
1.10
1.10
1.10
1.11

λat×100
2.86
2.86
2.85
2.84
2.83
2.83

Cp at
1009
1009
1009
1009
1009
1009

μat ×10000
1.983
1.984
1.977
1.969
1.964
1.961

管内平均温差Δt(℃）
34.7
35.6
38.1
40.6
42.4
43.7

平均温差Δtm(℃）
40.75
40.35
41.51
42.98
43.87
44.35

空气流量Vt1(m3/h)
44.30
39.63
34.72
30.61
27.17
23.90

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

24