實(shí)驗(yàn)四氣汽對(duì)流傳熱綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告化學(xué)測(cè)量與計(jì)算實(shí)驗(yàn)U實(shí)驗(yàn)名稱：氣-汽對(duì)流傳熱綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：院（系）:年級(jí)：級(jí)班指導(dǎo)教師：研究生助教：實(shí)驗(yàn)日期：2017.05.26 交報(bào)告日期：2017.06.02一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握對(duì)流傳熱系數(shù)？?的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解；2. 應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式 ?= ?04中常數(shù)A、m的值;3.通過(guò)對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其強(qiáng)化 比？?？?o, 了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)采用套管換熱器，以環(huán)隙內(nèi)流動(dòng)的飽和水蒸汽加熱管內(nèi)空氣，水蒸汽和空 氣間的傳熱過(guò)程由三個(gè)傳熱環(huán)節(jié)組成：

2、水蒸汽在管外壁的冷凝傳熱，管壁的熱傳導(dǎo)以 及管內(nèi)空氣對(duì)管內(nèi)壁的對(duì)流傳熱。本實(shí)驗(yàn)裝置采用兩組套管換熱器，即光滑套管換熱 器及強(qiáng)化套管換熱器。（一）光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定1.對(duì)流傳熱系數(shù)？?？的測(cè)定在該實(shí)驗(yàn)中，空氣走內(nèi)管，蒸汽走外管。對(duì)流傳熱系數(shù)？?可以根據(jù)牛頓冷卻定律,用實(shí)驗(yàn)測(cè)定?99?=?X ?（1）式中，？?？為管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，？?（m?C）； ?為管內(nèi)傳熱速率，？；？?？管 內(nèi)換熱面積，m2 ； ?為內(nèi)壁面與流體間的溫差，C 。? 由 右 式 確 定(2)? = ?-?1+?22式中，？?1和？?2分別為冷流體的入口、出口溫度，C ； ?為壁面平均溫度，C 應(yīng)為換

3、熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面溫度近似相等，用 ？?？來(lái)表示。(3)式中，？?？為內(nèi)管管內(nèi)徑，m； ?為傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度,由熱量衡算式：？?？ = ?(?2 - ?1)其中質(zhì)量流量由右式求得：？?？ =籍(5)? = n ?m。式中，？?？為冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，？?3? ； ?為冷流體的定壓比熱,kJ?(kg?C) ； ?為冷流體的密度，祠。?和?可根據(jù)定性溫度？?查得，？?？=?1；?2為冷流體進(jìn)出口平均溫度。?1、?2、？?、?可采取一定的測(cè)量手段得到。?= ?2. 對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的實(shí)驗(yàn)確定流體在管內(nèi)做強(qiáng)制湍流，被加熱狀

4、態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:(6)?CC?CC?cc?CC?CC其中，？= x，?= r?？，？=二?嚴(yán)物性數(shù)據(jù)？?、？?、？?、?可根據(jù)定性溫度？?？查得。經(jīng)計(jì)算可知，對(duì)于管內(nèi) 被加熱的空氣，普蘭特常數(shù)？?變化不大，可認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡(jiǎn)化為:?= ?04(7) /這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的?與？?？，然后用線性回歸方法確定A、m的值。（二）強(qiáng)化管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)計(jì)的傳熱面積，以減小 換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作； 并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，更有效

5、地利用能源和資金。強(qiáng) 化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來(lái)強(qiáng)化傳E-螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱的螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，螺旋線圈由直徑 3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋 線圈插入并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。 在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋 轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制 線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺 旋線圈是以線圈節(jié)距H與管內(nèi)徑d的比值技術(shù)參數(shù)，且長(zhǎng)徑比是影響傳熱效果和阻力 系數(shù)的重要因素。科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為? = B?的經(jīng)

6、驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同采用和光滑套管同樣的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下得Rei和?，用線性回歸方法可確定B和m的值。單純研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評(píng) 判準(zhǔn)則，它的形式是：？?，其中？?是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，？?o是普通管 的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比？?o 1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好、實(shí)驗(yàn)流程設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)1. 設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表:表1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di (mm20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do( mm22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑D (mm50實(shí)驗(yàn)外管外徑DO( mm57.0測(cè)量段(紫銅內(nèi)管)長(zhǎng)度l( m1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物(螺

7、旋線圈)尺寸絲徑h( mm1節(jié)距H( mm40加熱釜操作電壓 200 伏操作電流 10安2. 實(shí)驗(yàn)的測(cè)量手段（1）空氣流量的測(cè)量空氣流量計(jì)由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計(jì)在20 C時(shí)標(biāo)定的流 量 和 壓 差 的 關(guān) 系 為： 血 22.694（ P）05（8）其中，V為20r下的體積流量，mVh ; ?為孔板兩端壓差，？?； ?1為空氣入口 溫度（及流量計(jì)處溫度），C。由于換熱器內(nèi)溫度的變化，傳熱管內(nèi)的體積流量需進(jìn)行校正：?v 273+ ? = ?20 % 273+?1（9）（2）溫度的測(cè)量空氣進(jìn)出口溫度采用Cu50銅電阻溫度計(jì)測(cè)得，由多路巡檢表以數(shù)值形式顯示（1- 普通管空氣進(jìn)

8、口溫度，2-普通管空氣出口溫度；3-強(qiáng)化管空氣進(jìn)口溫度，4-強(qiáng)化管空 氣出口溫度）。壁溫采用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量，光滑管的壁溫由顯示表的上排數(shù)據(jù)讀出， 強(qiáng)化管的壁溫由顯示管的下排讀數(shù)讀出。（3）電加熱釜是產(chǎn)生水蒸汽的裝置，使用體積為7升（加水至液位計(jì)的上端紅線）,？?jī)?nèi)裝有一支 2.5kw的螺旋形電熱器，當(dāng)水溫為30C時(shí)，用200伏電壓加熱，約25分鐘后水便沸騰，為 了安全和長(zhǎng)久使用，建議最高加熱（使用）電壓不超過(guò)200伏（由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。（4）氣源（鼓風(fēng)機(jī)）又稱旋渦氣泵，XGB-2型,由無(wú)錫市儀表二廠生產(chǎn),電機(jī)功率約0.75 KW（使用三相 電源）,在本實(shí)驗(yàn)裝置上，產(chǎn)生的最大和最小空氣流量基本

9、滿足要求 ，使用過(guò)程中,?輸出 空氣的溫度呈上升趨勢(shì)。3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程圖141012hr111518E 35i圖2空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1-普通套管換熱器；2-內(nèi)插有螺旋線圈的強(qiáng)化套管換熱器；3-蒸汽發(fā)生器;4-旋渦氣泵；5-旁路調(diào)節(jié)閥；6-孔板流量計(jì)；7-風(fēng)機(jī)出口溫度（冷流體入口溫度）測(cè)試點(diǎn)；8 9-空氣支路控制閥；10、11-蒸汽支路控制閥；12、13-蒸汽放空口;14-蒸汽上升主管路；15-加水口； 16-放水口； 17-液位計(jì)；18-冷凝液回流口四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1. 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備，檢查工作。（1）向電加熱釜加水至液位計(jì)上端紅線處。（2）向冰水保溫瓶中加入適量的冰水，并將

10、冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中。（3）檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi)。（4）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開(kāi)。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（5）接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開(kāi)關(guān)，開(kāi)始加熱。2. 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始。(1) 關(guān)閉通向強(qiáng)化套管的閥門11,打開(kāi)通向光滑套管的閥門10,當(dāng)光滑套管換 熱器的放空口 12有水蒸氣冒出時(shí)，可啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，此時(shí)要關(guān)閉閥門 8,打開(kāi)閥門9。在 整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。(2) 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后用放空閥5來(lái)調(diào)節(jié)流量，調(diào)好某一流量后穩(wěn)定 5-10分鐘后，分 別測(cè)量空氣的流量，空氣進(jìn)、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測(cè)量下組數(shù)據(jù)。 一般從小流量到最大流量之間，

11、要測(cè)量 56組數(shù)據(jù)。(3) 做完光滑套管換熱器的數(shù)據(jù)后，要進(jìn)行強(qiáng)化管換熱器實(shí)驗(yàn)。先打開(kāi)蒸汽支路閥11,全部打開(kāi)空氣旁路閥5,關(guān)閉蒸汽支路閥10,打開(kāi)空氣支路閥9,關(guān)閉空氣支路 閥8,進(jìn)行強(qiáng)化管傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法同步驟(2)。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。五、注意事項(xiàng)(1) 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下 一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過(guò)低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量。(2) 必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路閥門 之一必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開(kāi)啟和關(guān)閉 閥門必須緩慢，防止管線截

12、斷或蒸汽壓力過(guò)大突然噴出。(3) 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開(kāi)啟和關(guān)閉支路閥。（4）調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定38分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（5）實(shí)驗(yàn)中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應(yīng)改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理（一）光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理表（計(jì)算過(guò)程在下面第 2步）表2光滑管換熱器原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)整理表傳熱管內(nèi)徑?： 0.020 m有效長(zhǎng)度：1.00 m冷流體：空氣（管內(nèi)）流體：蒸汽（管外）組數(shù)1234孔板壓差？ P KPa0.2

13、21.202.233.20空氣入口溫度？?1C）30.931.531.932.4接上表空氣入口溫度？?2 CC)73.967.565.866.6壁面溫度？?？(C)99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度?(C)52.449.548.8549.5? (kg?m3)1.0851.0931.0971.093? ?(?)0.02850.02830.02820.0283?J?(kg?K)1005100510051005? ( ?)0.00001970.00001960.00001960.0000196空氣進(jìn)出口溫差? (C)433633.934.2平均溫差?(C)47.3050.2050.8550

14、.2020 C時(shí)空氣流量?20 (m3?)10.6424.8633.8940.60管內(nèi)平均流量? (m3?)11.4026.3335.7742.87平均流速？?？(?)10.0823.2831.6337.90傳熱量Q W148.45289.22371.39447.36? ?（吊？ C）49.9491.68116.23141.81?11099.2625961.4835402.3042269.99?35.0564.7982.43100.22?0.6950.6960.6990.696?0-440.5574.9095.15115.852.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程(以第1列數(shù)據(jù)為例)孔板流量計(jì)壓差 ？= 0.

15、22KPa空氣入口溫度 =30.9C、空氣出口溫度 ？?2 = 739C、壁面溫度?= 99.7 C已知數(shù)據(jù)及有關(guān)常數(shù)：(1)傳熱管內(nèi)徑？?？(mm及流通截面積？?？ (m2)? = 20.0 (mi)0.0200 (m) ?= n ?2?/4 = 3.142 X02002/4= 0.0003142m2(2) 傳熱管有效長(zhǎng)度L(m)及傳熱面積？?(&)L =1.00 (m)管內(nèi)換熱面積：？?？ = n ?= 3.142 X1.00 X0.0200 =Q06284 (n?)(3) 空氣平均物性常數(shù)的確定先算出空氣的定性溫度？?，？?？= ?1；?2= 52.4 C在此溫度下空氣的物性數(shù)據(jù)如下：平

16、均密度 ？?？= 1.085 kg?n?；平均比熱？?？= 1005 J?(kg?K);平均導(dǎo)熱系數(shù) ？?？ = 0.0285 ?(n?K);平均粘度? = 0.0000197 (?);(4) 空氣流過(guò)換熱器內(nèi)管時(shí)的平均體積流量？?？和平均流速？?？的計(jì)算在20r時(shí)標(biāo)定的孔板流量計(jì)體積流量：0022. 694 ( P)0.522. 694 (0.22)0.510.64 (?3?)因?yàn)榱髁坑?jì)處的溫度不是20r，需進(jìn)行校正，傳熱管內(nèi)的體積流量？?：?= ?20 X囂d 10.64 X；73：50.4= 11.40(?3?)平均流速？?？:11.39? = 3600 X ?= 3600 X0.000

17、3142= 10.08 (m/s)(5)壁面和冷熱流體間的平均溫度差 ?的計(jì)算:?1+ ?230.9+ 73.9? = ?-2= 99.7 - 一2= 47.3 C(6)傳熱速率? =? X?(8)傳熱準(zhǔn)數(shù)：？?？=?許?49.91 XD.0200 _ “ “0.0285- = 35-05雷諾準(zhǔn)數(shù)：? = ?10.07 X0.0200X1.0850.000019711099.26普蘭特常數(shù)：? = ?1005 X0.00001970.0285= 0.695其他組數(shù)據(jù)的處理方法同上，處理結(jié)果見(jiàn)上表2。(9)求關(guān)聯(lián)式?= ?04中的常數(shù)項(xiàng)以為?0.4縱坐標(biāo)，?為橫坐標(biāo)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪？?？?0

18、4關(guān)系，見(jiàn)圖3直線U。?11.39X1.085X1005 X(3.9- 30.9)3600?= 00? ?(?2 - ?1)= 3600= 148.45 (?)管內(nèi)傳熱系數(shù)148359 o473X006284 =49.94?(m?C )由圖得線性回歸方程如下：y = 0.0317X 07667 , R2 = 0.9956即？?？= 0.0317?卩7667?o.4（二）強(qiáng)化管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理表（計(jì)算過(guò)程在下面第2步）表3強(qiáng)化管換熱器原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)整理表傳熱管內(nèi)徑？?： 0.020 m 有效長(zhǎng)度：1.00 m冷流體：空氣（管內(nèi)）流體：蒸汽（管外）組數(shù)

19、1234孔板壓差？ P KPa0.200.721.191.72空氣入口溫度？?iC）37.439.141.644.1空氣入口溫度？?2（C）91.787.785.183.9壁面溫度？?？（C）99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度?（C）64.5563.4063.3564.00? （kg?m）1.0441.0491.0491.045? ?（?）0.02930.02920.02920.0293接上表?J?（kg?K）1007100710071007?（ ?）0.00002030.00002020.00002020.0000203空氣進(jìn)出口溫差? (C)54.348.643.539.8平均溫

20、差?(C)35.1536.3036.3535.7020 r時(shí)空氣流量?20 （m3?）10.1519.2624.7629.76管內(nèi)平均流量? (m3?)11.0420.7626.4731.63平均流速？?？(?)9.7618.3523.4027.96傳熱量Q (W175.01295.99337.84367.99? ?(m2? C)79.23129.76147.90164.03?10036.1719058.3324303.1628790.59?54.0888.88101.30111.97?0.6980.6970.6970.698?0462.46102.70117.06129.31?o32.115

21、2.4763.2272.03?01.681.691.601.552.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程(1) 重復(fù)光滑管數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程中的(1) (8)步，并將數(shù)據(jù)結(jié)果填到表 3。(2) 求強(qiáng)化套管換熱器關(guān)聯(lián)式?= ?04中的常數(shù)項(xiàng)以？?？?4為縱坐標(biāo)，?為橫坐標(biāo)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪？?？?04 ?關(guān)系，見(jiàn)圖3直線I。由圖得線性回歸方程如下：y = 0.1032x 0.6967，R2 = 0.9938即？?？=0.1032?卩6967?04(3)強(qiáng)化比？?？?o的計(jì)算將強(qiáng)化套管換熱器求得的？?？數(shù)代入光滑套管換熱器所得的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中，可以得到?0 。如表 3 中第 1 組數(shù)據(jù)：?= 10036.17，?= 0.698, ? = 54.08?0 = 0.0317?分