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)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)i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 nu=arempr0.4 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 nunu0，了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。二、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

2、氣間的傳熱過(guò)程由三個(gè)傳熱環(huán)節(jié)組成：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) i 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) i 可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實(shí)驗(yàn)測(cè)定 i=qi tm si （1）式中，i 為管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)， w(m2)；qi 為管內(nèi)傳熱速率，w；si 管內(nèi)換熱面積，m2 ；tm 為內(nèi)壁面與流體間的溫差， 。tm 由右式確定：tm=tw-t1+t22 （2）式中，t1 和 t2 分別為冷流體的入口、出口溫度，

3、；tw 為壁面平均溫度， 。應(yīng)為換熱器內(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 tw 來(lái)表示。管內(nèi)換熱面積：si=dili （3）式中，di 為內(nèi)管管內(nèi)徑， m ；li 為傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度， m 。由熱量衡算式：qi=wmcpm(t2-t1) （4）其中質(zhì)量流量由右式求得：wm=vmm3600 （5）式中，vm 為冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3h ；cpm 為冷流體的定壓比熱，kjkg；m 為冷流體的密度，kgm3。cpm和 m 可根據(jù)定性溫度 tm 查得，tm=t1+t22 為冷流體進(jìn)出口平均溫度。t1、t2、tw、vm 可采取一定的

4、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，被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為： nu=aremprn （6）其中，nu=idii，re=umdimm ，pr=cpmmm 物性數(shù)據(jù)m、cpm、 m、m可根據(jù)定性溫度 tm 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) pr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：nu=arempr0.4 （7）這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的re與 pr，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；

5、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

6、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nu=brem 的經(jīng)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 nu ，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： nunu0，其中nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比 nunu01，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。三、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（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑d

7、i（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長(zhǎng)度l（m）1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節(jié)距h（mm）40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時(shí)標(biāo)定的流量和壓差的關(guān)系為： （8）其中，為20下的體積流量，m3/h；p為孔板兩端壓差，kpa；t1 為空氣入口溫度（及流量計(jì)處溫度），。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： vm=v20273+tm273+t1 （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

8、以數(shù)值形式顯示（1-普通管空氣進(jìn)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),內(nèi)裝有一支2.5kw的螺旋形電熱器,當(dāng)水溫為30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,xgb2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

9、最小空氣流量基本滿足要求,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,并將冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中。（3）

10、檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。（4）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開。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)電加熱器開關(guān)，開始加熱。 2. 實(shí)驗(yàn)開始。（1）關(guān)閉通向強(qiáng)化套管的閥門11，打開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，要測(cè)量56組數(shù)據(jù)。（3）做完光滑套管換熱器的數(shù)

11、據(jù)后，要進(jìn)行強(qiáng)化管換熱器實(shí)驗(yàn)。先打開蒸汽支路閥11，全部打開空氣旁路閥5，關(guān)閉蒸汽支路閥10，打開空氣支路閥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。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉閥門必須緩慢，防止管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^(guò)大突然噴出。（3）必須保證空氣管線的暢通。即在接通

12、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。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(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di：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 (kpa)0.221.202.233.20空氣入口溫度 t1 ()30.9

13、31.531.932.4接上表空氣入口溫度 t2 ()73.967.565.866.6壁面溫度 tw ()99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度 tm ()52.449.548.8549.5m (kgm3)1.0851.0931.0971.093m w(mk)0.02850.02830.02820.0283cpm jkgk1005100510051005m ( pas)0.00001970.00001960.00001960.0000196空氣進(jìn)出口溫差 t () 433633.934.2平均溫差 tm ()47.3050.2050.8550.2020時(shí)空氣流量 v20 (m3h)10.

14、6424.8633.8940.60管內(nèi)平均流量 vm (m3h)11.4026.3335.7742.87平均流速 um (ms)10.0823.2831.6337.90傳熱量 q (w)148.45289.22371.39447.36i w(m2)49.9491.68116.23141.81re11099.2625961.4835402.3042269.99nu35.0564.7982.43100.22pr0.6950.6960.6990.696nupr0.440.5574.9095.15115.852.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 p=0.22 kpa、空氣入口溫度

15、t1=30.9、空氣出口溫度 t2=73.9、壁面溫度 tw=99.7 已知數(shù)據(jù)及有關(guān)常數(shù): （1）傳熱管內(nèi)徑 di (mm)及流通截面積 fi (m2) di20.0 mm0.0200 (m) fi=di2/4=3.1420.2002/4=0.0003142 m2（2）傳熱管有效長(zhǎng)度 l()及傳熱面積 si(m2) l1.00（)管內(nèi)換熱面積：si=dili=3.1421.000.02000.06284 (m2)（3）空氣平均物性常數(shù)的確定先算出空氣的定性溫度 tm， tm=t1+t22=52.4 在此溫度下空氣的物性數(shù)據(jù)如下：平均密度 m=1.085 kgm3； 平均比熱 cpm=1005

16、 jkgk； 平均導(dǎo)熱系數(shù) m=0.0285 wmk； 平均粘度 m0.0000197 (pas)； （4）空氣流過(guò)換熱器內(nèi)管時(shí)的平均體積流量 vm 和平均流速 um 的計(jì)算 在20時(shí)標(biāo)定的孔板流量計(jì)體積流量： (m3h ) 因?yàn)榱髁坑?jì)處的溫度不是20，需進(jìn)行校正，傳熱管內(nèi)的體積流量 vm： vm=v20273+tm273+t1=10.64273+52.4273+30.9=11.40 (m3h ) 平均流速 um ： um =vm3600 fi=11.39 36000.0003142=10.08 (m/s)（5）壁面和冷熱流體間的平均溫度差 tm 的計(jì)算: tm=tw-t1+t22=99.7-

17、30.9+73.92=47.3 （6）傳熱速率 q=vmm3600cpmt2-t1=11.391.0851005(73.9-30.9)3600=148.45 (w)（7）管內(nèi)傳熱系數(shù) i=qi tmsi =148.3547.30.06284=49.94 w(m2)（8）傳熱準(zhǔn)數(shù)： nu=idii=49.91 0.02000.0285=35.05 雷諾準(zhǔn)數(shù)：re=umdimm=10.070.02001.0850.0000197=11099.26 普蘭特常數(shù)：pr=cpmmm=10050.00001970.0285=0.695 其他組數(shù)據(jù)的處理方法同上，處理結(jié)果見上表2。 （9）求關(guān)聯(lián)式nu=ar

18、empr0.4 中的常數(shù)項(xiàng) 以為 nupr0.4 縱坐標(biāo)，re 為橫坐標(biāo)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪 nupr0.4 re 關(guān)系，見圖3直線。 由圖得線性回歸方程如下：y = 0.0317x0.7667，r = 0.9956 即nu=0.0317re0.7667pr0.4（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di：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 (kpa)0.200.721.191.72空氣入口溫度 t1 ()37.43

19、9.141.644.1空氣入口溫度 t2 ()91.787.785.183.9壁面溫度 tw ()99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度 tm ()64.5563.4063.3564.00m (kgm3)1.0441.0491.0491.045m w(mk)0.02930.02920.02920.0293接上表cpm jkgk1007100710071007m ( pas)0.00002030.00002020.00002020.0000203空氣進(jìn)出口溫差 t () 54.348.643.539.8平均溫差 tm ()35.1536.3036.3535.7020時(shí)空氣流量 v20 (m

20、3h)10.1519.2624.7629.76管內(nèi)平均流量 vm (m3h)11.0420.7626.4731.63平均流速 um (ms)9.7618.3523.4027.96傳熱量 q (w)175.01295.99337.84367.99i w(m2)79.23129.76147.90164.03re10036.1719058.3324303.1628790.59nu54.0888.88101.30111.97pr0.6980.6970.6970.698nupr0.462.46102.70117.06129.31nu032.11 52.47 63.22 72.03 nunu01.68 1

21、.69 1.60 1.55 2.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 nu=arempr0.4 中的常數(shù)項(xiàng) 以 nupr0.4 為縱坐標(biāo)，re 為橫坐標(biāo)，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪 nupr0.4 re 關(guān)系，見圖3直線。 由圖得線性回歸方程如下：y = 0.1032x0.6967，r = 0.9938 即nu=0.1032re0.6967pr0.4（3）強(qiáng)化比 nunu0 的計(jì)算將強(qiáng)化套管換熱器求得的 re 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 nu0 。如表3中第1組數(shù)據(jù)：re=10036.17，pr=0.698， nu=54.08 nu0=0.0317re0.7667pr0.4=0.