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学生实验：气-汽传热综合实验

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实验三 气-汽传热综合实验

一、实验目的
1. 掌握传热系数K的测定原理；
2。 掌握传热系数K的测定方法及数据处理。

二、实验原理
根据传热基本方程，已知传热设备的结构尺寸，只要测得传热速度，以及各有关温度，即可算出传热系数。

三、套管换热器实验简介

（一）实验装置的功能和特点
本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的，以空气和水蒸汽为传热介质,可以测定对流传热系数,用于教学实验和科研。通过对本换热器的实验研究,可以掌握对流传热系数的测定方法，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,确定关联式中常数A、m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，测定其强化比，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：
⑴ 实验操作方便，安全可靠.
⑵ 数据稳定可靠,强化效果明显,用图解法求得的回归式与经验公式很接近。
⑶ 水、电的耗用小,实验费用低。
⑷ 传热管路采用管道法兰连接,不但密封性能好，而且拆装也很方便.
⑸ 箱式结构,外观整洁，移动方便。

(二） 光滑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
在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。
对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定
（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；
-内壁面与流体间的温差，℃.
由下式确定: （2）
式中：t1，t2 -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.
管内换热面积： （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)
其中质量流量由下式求得：
（5）
式中:—冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；
—冷流体的定压比热，kJ / （kg·℃）；
-冷流体的密度，kg /m3。

和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度.t1，t2， tw， 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
。 (6)
其中: ， ，
物性数据、、、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,普兰特准数变化不大，可以认为是常数,则关联式的形式简化为：
（7）
这样通过实验确定不同流量下的与,然后用线性回归方法确定A和m的值.

（三） 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定
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。科学图1 螺旋线圈内部结构

家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同.
采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei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:,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nu0是光滑管的努塞尔准数,显然，强化比＞1,而且它的值越大，强化效果越好.

（四）实验流程和设备主要技术数据
⒈ 设备主要技术数据见表1
表1 实验装置结构参数
实验内管内径di（mm）
20.00
实验内管外径do（mm）
22。0
实验外管内径Di(mm）
50
实验外管外径Do(mm）
57.0
测量段（紫铜内管）长度L（m）
1.20
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

⒉ 实验流程如图2所示

图2 空气—水蒸气传热综合实验装置流程图
1—液位管;2-储水罐；3—排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀;；6—普通套管蒸汽进口阀；7-普通套管换热器；8—内插有螺旋线圈的强化套管换热器；9-普通套管蒸汽出口;10-强化套管蒸汽出口;11—普通套管空气进口阀；
12—强化套管空气进口阀、13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀;15—旋涡气泵加水口；
（1） 温度的测量
空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示(1-普通管空气进口温度；2—普通管空气出口温度；3—强化管空气进口温度；4-强化管空气出口温度；)。壁温采用热电偶温度计测量,光滑管的壁温由显示表的上排数据读出，强化管的壁温由显示表的下排数据读出
（2） 电加热釜
是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升，内装有一支2。5kw的螺旋形电热器，当水温为30℃时，用(120—180）伏电压加热,约15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)。
（3） 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。75 KW(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。

⒊ 实验的测量手段
⑴ 空气流量的测量
空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20℃时标定的流量和压差的关系式为： （8）
流量计在实际使用时往往不是20℃，此时需要对该读数进行校正：

（9)
式中：—孔板流量计两端压差，KPa；
—20℃时体积流量， m3/h；
-流量计处体积流量,也是空气入口体积流量，m3/h；
—流量计处温度，也是空气入口温度，℃。
由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正:
(10）
—传热管内平均体积流量，m3/h；
　　—传热管内平均温度，℃。

四、实验方法及步骤
⒈ 实验前的准备，检查工作。
⑴ 向储水罐中加水至液位计上端处。
⑵ 检查空气流量旁路调节阀是否全开.
⑶ 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。
⑷ 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。 　
⑴ 关闭通向强化套管的阀门5，打开通向简单套管的阀门6,当简单套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门12,打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。
⑵ 启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-8分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量5~6组数据。
⑶ 做完简单套管换热器的数据后，要进行强化管换热器实验。先打开蒸汽支路阀5，全部打开空气旁路阀14，关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11，进行强化管传热实验。实验方法同步骤⑵.
⒊ 实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。

五、实验数据记录
光 滑 套 管 换 热 器 数 据 表

1 — 光 滑 套 管 换 热 器 原 始 数 据 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口t1(℃）

空气出口t2（℃）

壁 温 tw (℃）

压 差 (KPa）

流 量qv （m3/h)

2 — 光 滑 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度tm（℃)

密 度ρ (kg/m3)

黏 度μ （)

比 热Cp （J／Kg·k)

导热系数λ（Ｗ／ｍ·K）

3 — 光 滑 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
传热系数（ W/m2·℃）

雷诺数

努塞尔数

普朗特数

强 化 套 管 换 热 器 数 据 表

1 — 强 化 套 管 换 热 器 原 始 数 据 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口t1(℃）

空气出口t2(℃)

壁 温 tw （℃)

压 差 (KPa）

流 量qv （m3/h）

2 — 强 化 套 管 换 热 器 物 性 数 据 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度tm(℃)

密 度ρ (kg/m3)

黏 度μ （)

比 热Cp （J／Kg·k）

导热系数λ（Ｗ／ｍ·K）

3 — 强 化 套 管 换 热 器 数 据 处 理 表
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
传热系数（ W/m2·℃)

雷诺数

努塞尔数

普朗特数

六、数据处理与分析

七、实验注意事项
⒈ 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。

⒉ 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,两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
⒊ 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,然后开启和关闭支路阀。
⒋ 调节流量后,应至少稳定3～8分钟后读取实验数据。
⒌ 实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。
八、附录
⒈ 实验数据的计算过程 （ 光滑套管第1列数据为例）
孔板流量计压差计读数 =0。88 KPa，空气进口温度＝28。8 ℃
出口温度＝65。5 ℃,传热管壁面温度=99。5 ℃
（1）传热管内径及流通截面积
＝20。00(ｍｍ)，＝0。0200 （ｍ）;
＝3.142×（0。0200) 2／4＝0。0003142（m2）.
（2）传热管有效长度 及传热面积
＝1。20ｍ
＝3。142×0.02×1。20＝0。075408(m2)。
(3）空气平均物性常数的确定
先算出空气的定性温度， = 47.15(℃)
在此温度下空气物性数据如下：
平均密度 ρm ＝1。12（kg/m3）； 平均比热 Cpm＝1005 （J／Kg·k）；
平均导热系数 λm＝0。0280(Ｗ／ｍ·K)； 平均粘度 μm＝0。0000192 （)；
⑷ 空气流过换热器内管时平均体积流量和平均流速的计算
20℃时对应的孔板流量计体积流量
= 22.896×0.880.5 = 21。48(m3/h）
因为流量计处温度不是20℃，故需校正：
=21。8（m3/h）
传热管内平均体积流量：
=23.12(m3/h）
平均流速:
=20.45(m/s）
⑸ 壁面和冷流体间的平均温度差的计算:
= 99.5－47。15 = 5235（℃）
⑹ 传热速率
265（W)
⑺ 管内传热系数
67。94（W/m2·℃）
⑻ 各准数
48
=23858.3

其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。
⑼ 求关联式中的常数项
以为纵坐标,为横坐标，在对数坐标系上标绘~关系，见图3中直线Ⅱ.由图线回归出如下结果：
即
⑽ 强化套管换热器数据
重复上面步骤，同样可以得到强化套管换热器的实验数据，数据结果见表3。
其中强化比的计算如下:
将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中，可以得到.如表3中第1组数据：= 43069
= = 0.0174×430690.8161×0。6970。4 = 90.88
=125/90.88 = 1。38
⑾ 强化套管换热器的关联式
见图3中直线Ⅰ，由图线回归结果,得出：

⑿ ～关系曲线

图3 ～关系曲线