傳熱綜合實驗

1、實驗五 傳熱綜合實驗一、實驗?zāi)康?.通過對空氣水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法，加深對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=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。2.通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值和強化比Nu/Nu0，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗內(nèi)容1. 測定56個不同流速下普通套管換熱器的對流傳熱系數(shù)，對的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。2.測定56個不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)，對的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性

2、回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。3.同一流量下，按實驗1所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu0，計算傳熱強化比Nu/Nu0。三、實驗原理（一） 普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測定1.對流傳熱系數(shù)的測定對流傳熱系數(shù)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定。因為<< ,所以： （W/m2·）式中：管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Qi換熱器傳熱速率，W； Si管內(nèi)換熱面積，m2； 對數(shù)平均溫差，。對數(shù)平均溫差由下式確定： 式中：ti1，ti2冷流體的入口、出口溫度，； Tw壁面平均溫度，；因為換熱器內(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

3、平均溫度近似相等，用Tw 來表示，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))： 式中：di傳熱管內(nèi)徑，m； Li傳熱管測量段的實際長度，m。由熱量衡算式： 其中質(zhì)量流量由下式求得： 式中：Vi冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3 / h； cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg·)； i冷流體的密度，kg /m3。cpi和i可根據(jù)定性溫度tmi查得，為冷流體進(jìn)出口平均溫度。ti1，ti2，Tw， Vi可采取一定的測量手段得到。2.對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實驗確定空氣在管內(nèi)作強制湍流，且被加熱，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為： 其中： ， ， 物性數(shù)據(jù)i、c

4、pi、i、i可根據(jù)定性溫度tmi查得。這樣通過實驗確定不同流量下的Rei與，再用線性回歸方法即可確定A和m的值。（二）、強化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強化比的測定強化傳熱又被學(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力消耗，更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱的。圖5-1 螺旋線圈強化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖5-1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

5、并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強化傳熱管。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，因而可以使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強度也較弱，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)，長徑比H/d是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素?？茖W(xué)家通過實驗研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實驗中，采用普通管中的實驗方法確定不同流量下的Rei與，用線性回歸方法可確定B和m的值。研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為評判準(zhǔn)則，它的形

6、式是：，其中Nu是強化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強化比1，而且它的值越大，強化效果越好。需要說明的是，如果評判強化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，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，只有強化比較高，且阻力系數(shù)較小的強化方式，才是最佳的強化方法。四、實驗流程1.實驗流程實驗流程圖見圖52。實驗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，由支路控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)支路控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51所示。

7、圖52 空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1.普通套管換熱器；2.內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器；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；7.風(fēng)機出口溫度（冷流體入口溫度）測試點； 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； 18.冷凝液回流口表51 實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實驗內(nèi)管外徑do（mm）22.0實驗外管內(nèi)徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內(nèi)管）長度l（m）1.00強化內(nèi)管內(nèi)插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h

8、（mm）1節(jié)距H（mm）40加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安2.實驗測量手段 流量的測定：孔板流量計與壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計。空氣流量由下式計算： 式中：Vt020下的體積流量； P孔板兩端壓差，KPa（即數(shù)字顯示儀表讀數(shù)）由于被測管段內(nèi)溫度的變化，還需對體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正： 式中：Vi實驗條件下（管內(nèi)平均溫度）下的空氣流量，m3/h; tmi 換熱器管內(nèi)平均溫度，溫度測量：a) 空氣進(jìn)、出傳熱管測量段的溫度由電阻溫度計測量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。b) 管外壁面平均溫度Tw( )，由數(shù)字式毫伏計測出與該溫度對應(yīng)的熱電勢E(mv,熱電偶是由銅康銅組成),將E值代入

9、公式:Tw()=1.2705+23.518×E(mv)計算得到。五、實驗方法及步驟1. 實驗前的準(zhǔn)備檢查工作向蒸汽發(fā)生器中加水至液位計上端紅線處。向冰水保溫瓶中加入適量的冰水,并將冷端補償熱電偶插入其中。檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。檢查蒸汽管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線暢通。接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。2. 實驗操作A. 人工實驗操作合上電源總開關(guān)。打開加熱電源開關(guān),設(shè)定加熱電壓(不得大于200V)，直至有水蒸氣冒出，在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。啟動風(fēng)機，用放空閥來調(diào)節(jié)流量，在一定的流量下,穩(wěn)定510分鐘后分別測量空氣的

10、流量、空氣進(jìn)出口溫度、壁面溫度。改變流量，待流量穩(wěn)定后再分別測量空氣的流量、空氣進(jìn)、出口溫度、壁面溫度后繼續(xù)實驗。實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機和總電源。一切復(fù)原。B. 使用計算機自動控制試驗啟動計算機并按照操作說明進(jìn)行操作；合上電源總開關(guān)、加熱電源開關(guān)，設(shè)定加熱電壓（不得大于200V）,直至有水蒸氣冒出，在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣；計算機數(shù)據(jù)采集a. 用放空閥調(diào)節(jié)流量，待操作穩(wěn)定后，用計算機分別對空氣流量、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，分別用計算機測量空氣流量、空氣進(jìn)出口溫度、水蒸氣溫度；c.用計算機對所得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和

11、整理，得出實驗結(jié)果，并通過顯示器顯示或打印出來。六、實驗注意事項1.剛剛開始加熱時，加熱電壓可在180V左右，但不能過大；2.由于采用熱電偶測溫，所以實驗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在冰水混合物中；3.檢查蒸汽發(fā)生器中的水位是否在正常范圍內(nèi)，特別是每個實驗結(jié)束后，進(jìn)行下一個實驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時補給水量；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，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時，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)閉控制閥要緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出；5.必須保證空氣管線的暢通。在接通風(fēng)機電源之前，

12、兩個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，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥；6.調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。七、實驗數(shù)據(jù)整理1.將普通管實驗數(shù)據(jù)填入表一。并以一組數(shù)據(jù)為例寫出計算過程；2.將粗糙管實驗數(shù)據(jù)填入表二。并以一組數(shù)據(jù)為例寫出計算過程；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)繪制在同一雙對數(shù)坐標(biāo)圖中；4. 對實驗結(jié)果進(jìn)行分析與討論。表1 普通管實驗記錄1234567傳熱管內(nèi)徑di m0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002流通截面積A,3.143.143.143.143.143.143.14孔

13、板壓差（Kpa)0.150.480.911.471.982.492.95空氣入口溫度ti1(）26.232.334.736.838.940.842.4空氣出口溫度ti2(）75.173.973.172.272.372.472.6壁面熱電勢E(mv)4.154.134.124.124.124.114.10表2普通管數(shù)據(jù)整理1234567壁面溫度Tw (）98.998.498.298.297.997.797.4平均溫差tm(）43.841.941.441.240.038.937.3管內(nèi)平均溫度tmi(）50.653.153.954.555.656.657.5 (kg/ m3)1.0911.0831

14、.0861.0781.0751.0711.068Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6980.6970.6970.6970.6970.6970.696*1002.8302.8472.8542.8582.8462.8722.878*1000001.961.971.981.981.991.992.00流通截面積A，*10-43.143.143.143.143.143.143.14管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.1712.7919.0625.7131.0335.8839.97空氣流速u(m/s)5.4611.3116.8622.7427.4531.7435.

15、36管內(nèi)傳熱面積Si *10-26.286.286.286.286.286.286.28傳熱量Q(W)0.0920.1610.2220.2740.3110.3390.36i（W/m2·）0.0330.0660.0850.1060.1240.1390.151Re6078.412435.318494.924761.32965734164.437764.5Nu0.0230.0460.0590.0740.0860.0970.105Nu/(Pr0.4)0.0260.0530.0680.0850.0990.1120.121表3 強化管實驗記錄及數(shù)據(jù)整理1234567傳熱管內(nèi)徑di,m0.0020

16、.0020.0020.0020.0020.0020.002孔板壓差（Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88空氣入口溫度ti1(）78.275.074.272.773.073.774.4空氣出口溫度ti2(）78.275.074.272.773.073.774.4壁面熱電勢E(mv)4.144.144.134.134.134.134.13表4 強化管數(shù)據(jù)整理1234567管內(nèi)傳熱面積Si,*10-26.286.286.286.286.286.286.28管內(nèi)平均溫度tmi(）54.6553.6554.1554.5555.9557.4558.75 (kg/ m3)1.07

17、81.0811.0791.0781.0731.0681.063Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6970.6970.6970.6970.6970.6960.696*1002.8582.8512.8542.8572.8682.8782.885*1000001.9821.9871.9801.9821.9901.9982.002壁面溫度Tw (）98.698.698.498.498.498.498.4平均溫差tm(）41.841.341.041.340.138.737.5管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.2412.8119.0725.7131.0635.97

18、39.53流通截面積A,*10-43.143.143.143.143.143.143.14空氣流速u(m/s)5.5211.316.7822.7427.4831.8234.97傳熱量Q(W)0.0880.1650.2300.2810.3170.3480.367i（W/m2·）0.0340.0640.0890.1080.1260.1430.156Re6004.612383.918386.624736.329634.234017.837135.9Nu0.0240.0480.0620.0760.0880.0990.108Nu/Nu01.0431.0431.0511.0271.0231.0211.029l