傳熱綜合試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)五傳熱綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .通過(guò)對(duì)空氣一水蒸氣簡(jiǎn)單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究,掌握對(duì)流傳熱系數(shù) a i的測(cè)定方 法,加深對(duì)其概念和影響因素的理解.并應(yīng)用線性回歸分析方法,確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARiPr04 中常數(shù)A m的值.2 .通過(guò)對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣一水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)定 其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BR時(shí)常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nn, 了解強(qiáng)化傳熱的根本理論和基 本方式.二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 .測(cè)定56個(gè)不同流速下普通套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù) 5 ,對(duì)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn) 行線性回歸,求關(guān)聯(lián)式 Nu=ARiPr0.4中常數(shù)A m的值.2 .測(cè)定56個(gè)不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱

2、系數(shù) 外 ,對(duì)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行 線性回歸,求關(guān)聯(lián)式Nu=BR3中常數(shù)B、m的值.3 .同一流量下,按實(shí)驗(yàn)1所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu,計(jì)算傳熱強(qiáng)化比Nu/Niho三、實(shí)驗(yàn)原理一普通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)叫的測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)必可以根據(jù)牛頓冷卻定律,用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定.由于 <<.° ,所以： W/m C-Ki =Qi / .,tmi Si式中：叫一管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù),w/m?c；q一換熱器傳熱速率,wSi管內(nèi)換熱面積,m2;tmi一對(duì)數(shù)平均溫差,.對(duì)數(shù)平均溫差由下式確定：,tmi = 一.InTw - 3 Tw -ti2式中：ti1, ti2冷流體的

3、入口、出口溫度,C；T w一壁面平均溫度,C；由于換熱器內(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 溫度和壁面平均溫度近似相等,用 Tw來(lái)表示,管外為蒸汽冷凝,因此,將壁面平均溫度 近似視為蒸汽的溫度,且保持不變.傳熱面積內(nèi)：Si =叼上式中：d一傳熱管內(nèi)徑,m；L i一傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度, m由熱量衡算式：Qi =WfCpiti2 -其中質(zhì)量流量由下式求得：wVi：iVVi 二3600式中：v冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量,m/h ；Cpi冷流體的定壓比熱,kJ / kg ;P i 冷流體的密度,kg /m 3.Cpi和pi可根據(jù)定性溫度t mi查得,tmi旦口2為冷流

4、體進(jìn)出口平均溫度.t 口,t i2 , 2Tw, Vi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)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定空氣在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流,且被加熱,準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:其中：Nu i物性數(shù)據(jù)入i、- idi二. ,iCpi、pi、c pi 口 i,Pri =D可根據(jù)定性溫度t,"imi查得.這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的Re與Nuj,再用線性回歸方法即可確定 A和m的值.二、強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(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),它能減小換熱器的傳熱面積,以減小換 熱器的體積和重量；提升現(xiàn)有換熱器的換熱水平；使換熱器能在較低溫差下工作；并且 能夠減少換熱器

5、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.圖5-1螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示,螺 旋線圈由直徑3mmz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的比值以及管壁粗糙度為主要技術(shù)參數(shù),長(zhǎng)徑比H/d是影響傳熱效

6、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.在本實(shí)驗(yàn)中,采用普通管中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下的Re與Nui,用線性回歸方法可確定B和m的值.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)那么, 它的形式是：Nu/Nu.,其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù),Nu是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù),顯 然,強(qiáng)化比Nu/Nu.1,而且它的值越大,強(qiáng)化效果越好.需要說(shuō)明的是,如果評(píng)判強(qiáng) 化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益,那么必須考慮阻力因素,阻力系數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而 增加,從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加,只有強(qiáng)化比擬高

7、,且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式,才是最正確的強(qiáng)化方法.四、實(shí)驗(yàn)流程1.實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖5-2.實(shí)驗(yàn)裝置的主體是兩根平行的換熱套管,空氣由旋渦氣泵吹 出,由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié),經(jīng)孔板流量計(jì),由支路限制閥選擇不同的支路進(jìn)入不同的換熱 管的內(nèi)管.蒸汽由加熱釜產(chǎn)生后由蒸汽上升管上升,經(jīng)支路限制閥選擇不同的支路進(jìn)入 套管殼程.裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5-1所示圖52 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.空氣支路限制閥；10、11.蒸汽支路限制I12、

8、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.冷凝液回流口表51實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑d (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lm1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物螺旋線圈尺寸絲徑h (mm1節(jié)距H (mm40加熱釜操作電壓W200 伏操作電流W10安2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段流量的測(cè)定：孔板流量計(jì)與壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計(jì).空氣流量由下式計(jì)算：Vt0 =18.113 ：p 0.6203式中：Vo20c下的體積流量；A P一孔板兩端壓差,KPa 即數(shù)字顯示儀表讀數(shù)

9、由于被測(cè)管段內(nèi)溫度的變化,還需對(duì)體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正：式中：v實(shí)驗(yàn)條件下管內(nèi)平均溫度下的空氣流量,m/h；t mi 一換熱器管內(nèi)平均溫度,C溫度測(cè)量：a空氣進(jìn)、出傳熱管測(cè)量段的溫度由電阻溫度計(jì)測(cè)量,可由數(shù)字顯示儀表直接讀出.b管外壁面平均溫度TM C ,由數(shù)字式毫伏計(jì)測(cè)出與該溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)Emv,熱電偶是由銅一康銅組成,將E值代入公式：T?C=1.2705+23.518 X Emv計(jì)算得到. 五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1 .實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備檢查工作向蒸汽發(fā)生器中加水至液位計(jì)上端紅線處.向冰水保溫瓶中參加適量的冰水,并將冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中.檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi).檢查蒸汽管支路各限制閥是否

10、已翻開(kāi),保證蒸汽和空氣管線暢通.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)操作A.人工實(shí)驗(yàn)操作合上電源總開(kāi)關(guān).翻開(kāi)加熱電源開(kāi)關(guān),設(shè)定加熱電壓不得大于200V,直至有水蒸氣冒出,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.啟動(dòng)風(fēng)機(jī),用放空閥來(lái)調(diào)節(jié)流量,在一定的流量下 ,穩(wěn)定510分鐘后分別測(cè)量空 氣的流量、空氣進(jìn)出口溫度、壁面溫度.改變流量,待流量穩(wěn)定后再分別測(cè)量空氣的流量、空氣進(jìn)、出口溫度、壁面溫度 后繼續(xù)實(shí)驗(yàn).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.B.使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)限制試驗(yàn)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)并根據(jù)操作說(shuō)明進(jìn)行操作；合上電源總開(kāi)關(guān)、加熱電源開(kāi)關(guān),設(shè)定加熱電壓

11、不得大于200V,直至有水蒸氣冒出,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；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集a.用放空閥調(diào)節(jié)流量,待操作穩(wěn)定后,用計(jì)算機(jī)分別對(duì)空氣流量、空氣進(jìn)出口溫 度、換熱器水蒸氣溫度進(jìn)行采集；b.改變空氣流量,待操作穩(wěn)定后,分別用計(jì)算機(jī)測(cè)量空氣流量、 空氣進(jìn)出口溫度、 水蒸氣溫度；c.用計(jì)算機(jī)對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并通過(guò)顯示器顯示 或打印出來(lái).六、實(shí)驗(yàn)考前須知1 .剛剛開(kāi)始加熱時(shí),加熱電壓可在180V左右,但不能過(guò)大；2 .由于采用熱電偶測(cè)溫,所以實(shí)驗(yàn)前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存,檢查熱電偶的冷端是否全部浸沒(méi)在冰水混合物中；3 .檢查蒸汽發(fā)生器中的水位是否在

12、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 個(gè)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；4 .必須保證蒸汽上升管線的暢通.在給蒸汽發(fā)生器電壓之前,兩蒸汽支路限制閥之一 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)閉限制 閥要緩慢,預(yù)防管線截?cái)嗷蛘羝麎毫^(guò)大忽然噴出；5 .必須保證空氣管線的暢通.在接通風(fēng)機(jī)電源之前,兩個(gè)空氣支路限制閥之一和旁 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)閉限制閥；6 .調(diào)節(jié)流量后,應(yīng)至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理1 .將普通管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表一.并以一組數(shù)據(jù)為例寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程；2 .將粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填

13、入表二.并以一組數(shù)據(jù)為例寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程；3 .以Re為橫坐標(biāo),以Nu/Pr0.4為縱坐標(biāo),將上述表中數(shù)據(jù)繪制在同一雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖 中；4.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論表1普通管實(shí)驗(yàn)記錄1234567傳熱管內(nèi)徑d m0.0020.0020.0020.00 20.00 20.0020.00 2流通截面積A, m43.14孔板壓差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.95空氣入口溫度t(c)26.232.334.736.838.940.842.4空氣出口溫度ti2( C)75.173.973.172.272.372.472.6壁面熱電勢(shì)

14、E(mv)14.10表2普通管數(shù)據(jù)整理1234567壁面溫度Tw( C)98.998.498.298.297.997.797.4平均溫差t?c)43.841.941.441.240.038.937.3管內(nèi)平均溫度tmi( C)50.653.153.954.555.656.657.5八,3、p (kg/m )1.09 11.0831.0861.0781.0751.07 11.06 8Cp1.00 51.0051.0051.0051.0051.00 51.00 5Pr0.69 80.6970.6970.6970.6970.6970.696入 *1002

15、.83 02.8472.8542.8582.8462.87 22.87 8w *1000001.961.971.981.981.991.992.00流通截面積A, m2*10八-43.14管內(nèi)流量6.1712.7919.0625.7 131.0335.8839.9 73V(m/h)空氣流速u(mài)(m/s)5.4611.3 116.8622.7427.4531.7435.36管內(nèi)傳熱面積Siitf*10八-26.286.286.286.286.286.286.28傳熱量Q(W)0.09 20.16 10.22 20.2740.3110.3390.36“

16、(w/mC)0.0330.0660.0850.1060.1240.1390.15 1Re6078 .412435.318494.924761.32965734164.437764.5Nu0.0230.0460.0590.0740.0860.09 70.10 5Nu/(Pr0.4)0.0260.0530.06 80.0850.0990.11 20.12 1表3強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)整理1234567傳熱管內(nèi)徑di,m0.00 20.00 20.00 20.00 20.0020.00 20.00 2孔板壓差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88空氣入口溫度tM C)78.

17、275.074.272.773.073.774.4空氣出口溫度ti2( C)78.275.074.272.773.073.774.4壁面熱電勢(shì)E(mv)34.13表4強(qiáng)化管數(shù)據(jù)整理1234567管內(nèi)傳熱面積Si, itf*10八-26.286.286.286.286.286.286.28管內(nèi)平均溫度tmi( C)54.6553.6554.1554.5555.9557.4558.7 5八.3、p (kg/m )1.07 81.08 11.0791.07 81.0731.06 81.063Cp1.00 51.0051.0051.00 51.0051.0

18、0 51.00 5Pr0.69 70.69 70.69 70.69 70.6970.6960.696入 *1002.85 82.85 12.8542.85 72.8682.8782.88 5w *1000001.98 21.9871.98 01.98 21.9901.99 82.00 2壁面溫度Tw( C)98.698.698.498.498.498.498.4平均溫差tm( C)41.841.341.041.340.138.737.5管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.2412.8 119.0725.7 131.0635.9 739.53流通截面積A, m2*10-43.14空氣流速u(mài)(m/s)5.5211.316.7 822.7427.4831.8234.97傳熱量Q(W)0.08 80.1650.23 00.28 10.3170.3480.36 72°%i (W/m- C)0.0340.0640.0890.1080.1260.1430.156Re6004 .612383.918386.624736.329634 .234017.837135.9Nu0.0240.0480.06 20.0760.0880.09