化工原理、氣-汽傳熱綜合實驗資料

1、氣- 汽傳熱綜合實驗一、實驗目的掌握傳熱系數(shù) K 的測定原理；掌握傳熱系數(shù) K 的測定方法及數(shù)據(jù)處理。二、實驗原理根據(jù)傳熱基本方程，已知傳熱設備的結(jié)構(gòu)尺寸，只要測得傳熱速度，以及各有關溫度，即可算出傳熱系數(shù)。三、套管換熱器實驗簡介（一）實驗裝置的功能和特點本實驗裝置是由光滑套管換熱器和強化內(nèi)管的套管換熱器組成的，以空氣和水蒸汽為傳熱介質(zhì)，可以測定對流傳熱系數(shù)，用于教學實驗和科研。通過對本換熱器的實驗研究，可以掌握對流傳熱系數(shù)i 的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解；并應用線性回歸分析方法，確定關聯(lián)式NuA Rem Pr 0.4 中常數(shù) A、m的值；通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣- 水蒸氣

2、強化套管換熱器的實驗研究，測定其強化比Nu Nu0 ，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。實驗裝置的主要特點如下： 實驗操作方便，安全可靠。 數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，強化效果明顯，用圖解法求得的回歸式與經(jīng)驗公式很接近。 水、電的耗用小，實驗費用低。 傳熱管路采用管道法蘭連接, 不但密封性能好,? 而且拆裝也很方便。 箱式結(jié)構(gòu)，外觀整潔，移動方便。（二）光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準數(shù)關聯(lián)式的測定 對流傳熱系數(shù)i 的測定在該傳熱實驗中，空氣走內(nèi)管，蒸氣走外管。對流傳熱系數(shù)i 可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定iQi（ 1）t mSi式中：i 管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m 2?)；Qi管內(nèi)傳熱速率，W ；Si

3、管內(nèi)換熱面積，m2；tm 內(nèi)壁面與流體間的溫差，。t m 由下式確定：t1t2t m tw（ 2）2式中： t1， t2 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，其導熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw 來表示 。管內(nèi)換熱面積：Si di Li（ 3）式中： di內(nèi)管管內(nèi)徑，m；L i傳熱管測量段的實際長度，m。由熱量衡算式：Qi WmCpm (t2 t1 )（ 4）其中質(zhì)量流量由下式求得：W mV mm（ 5）3600式中： Vm 冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3 / h ；Cpm 冷流體的定壓比熱，kJ / (kg

4、 )；m 冷流體的密度， kg /m3。Cpm 和 m 可根據(jù)定性溫度tm 查得， t mt1t2 為冷流體進出口平均溫度。t1，t2， t w， Vm2可采取一定的測量手段得到。 對流傳熱系數(shù)準數(shù)關聯(lián)式的實驗確定流體在管內(nèi)作強制湍流，被加熱狀態(tài)，準數(shù)關聯(lián)式的形式為NuA Re m Pr n.（6）其中： Nui d i，Reum d i m，Cp m mP rimm物性數(shù)據(jù)m 、 Cpm 、m 、m 可根據(jù)定性溫度tm 查得。經(jīng)過計算可知，對于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準數(shù) Pr 變化不大，可以認為是常數(shù)，則關聯(lián)式的形式簡化為：NuA Re mPr0. 4（7）這樣通過實驗確定不同流量下的Re

5、與Nu，然后用線性回歸方法確定A 和 m的值。（三） 強化套管換熱器傳熱系數(shù)、準數(shù)關聯(lián)式及強化比的測定強化傳熱又被學術界稱為第二代傳熱技術，它能減小初設計的傳熱面積，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。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

6、性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以圖 1螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細，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 的比值技術參數(shù)，且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。科學家通過實驗研究總結(jié)了形式為NuB Re m 的經(jīng)驗公式， 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驗方法確定不同流量下得Rei 與 Nu，用線性回歸方法可確定B 和 m的值。單純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則，它的形式是： Nu Nu0 ，其中 Nu 是強化管的努塞爾準

7、數(shù)，Nu 0 是光滑管的努塞爾準數(shù)，顯然，強化比 Nu Nu 0 1，而且它的值越大，強化效果越好。（四）實驗流程和設備主要技術數(shù)據(jù) 設備主要技術數(shù)據(jù)見表1表 1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D i（mm）50實驗外管外徑D o（ mm）57.0測量段（紫銅內(nèi)管）長度L （ m）1.20強化內(nèi)管內(nèi)插物絲徑 h（ mm）1（螺旋線圈）尺寸節(jié)距 H（ mm）40加熱釜操作電壓200 伏操作電流10 安 實驗流程如圖2 所示圖 2空氣 - 水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1-液位管 ; ；2-儲水罐； 3- 排水閥；4-蒸汽發(fā)生器；5-

8、強化套管蒸汽進口閥;； 6-普通套管蒸汽進口閥；7-普通套管換熱器； 8-內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器;9- 普通套管蒸汽出口；10-強化套管蒸汽出口;11- 普通套管空氣進口閥；12-強化套管空氣進口閥、13-孔板流量計；14-空氣旁路調(diào)節(jié)閥；15-旋渦氣泵加水口；（1） 溫度的測量空氣進出口溫度采用電偶電阻溫度計測得，由多路巡檢表以數(shù)值形式顯示（1 普通管空氣進口溫度； 2 普通管空氣出口溫度；3 強化管空氣進口溫度；4 強化管空氣出口溫度；）。壁溫采用熱電偶溫度計測量，光滑管的壁溫由顯示表的上排數(shù)據(jù)讀出，強化管的壁溫由顯示表的下排數(shù)據(jù)讀出。（2） 電加熱釜是產(chǎn)生水蒸汽的裝置，使用體積為

9、7 升 ,? 內(nèi)裝有一支2.5kw 的螺旋形電熱器，當水溫為30時，用 (120 180) 伏電壓加熱， 約 15 分鐘后水便沸騰，為了安全和長久使用，建議最高加熱( 使用 )電壓不超過200 伏 ( 由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)) 。（3） 氣源 ( 鼓風機 )又稱旋渦氣泵，XGB 2 型，由無錫市儀表二廠生產(chǎn)，電機功率約0.75 KW（使用三相電源），在本實驗裝置上，產(chǎn)生的最大和最小空氣流量基本滿足要求，使用過程中， 輸出空氣的溫度呈上升趨勢。 實驗的測量手段 空氣流量的測量空氣流量計由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計在20時標定的流量和壓差的關系式為：V2013.909(P) 0.648

10、（ 8）流量計在實際使用時往往不是20，此時需要對該讀數(shù)進行校正：273t1Vt 1 V20（ 9）27320式中：P 孔板流量計兩端壓差， KPa；V20 20時體積流量， m3/h；Vt1 流量計處體積流量，也是空氣入口體積流量，m3/h；t1 流量計處溫度，也是空氣入口溫度，。由于換熱器內(nèi)溫度的變化，傳熱管內(nèi)的體積流量需進行校正：VmVt 1273tm（ 10）273t1Vm 傳熱管內(nèi)平均體積流量，m3 /h；tm 傳熱管內(nèi)平均溫度，。四、實驗方法及步驟 實驗前的準備，檢查工作。 向儲水罐中加水至液位計上端處。 檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。 檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開。保證蒸汽

11、和空氣管線的暢通。 接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。2.實驗開始。 關閉通向強化套管的閥門5，打開通向簡單套管的閥門6，當簡單套管換熱器的放空口9 有水蒸氣冒出時，可啟動風機，此時要關閉閥門12，打開閥門11。在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。 啟動風機后用放空閥14 來調(diào)節(jié)流量，調(diào)好某一流量后穩(wěn)定3-8 分鐘后，分別測量空氣的流量，空氣進、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測量下組數(shù)據(jù)。一般從小流量到最大流量之間，要測量 56 組數(shù)據(jù)。 做完簡單套管換熱器的數(shù)據(jù)后，要進行強化管換熱器實驗。先打開蒸汽支路閥5，全部打開空氣旁路閥14，關閉蒸汽支路閥6，

12、打開空氣支路閥12,關閉空氣支路閥11，進行強化管傳熱實驗。實驗方法同步驟。 實驗結(jié)束后，依次關閉加熱電源、風機和總電源。一切復原。五、實驗數(shù)據(jù)記錄光滑套管換熱器數(shù)據(jù)表1光滑套管換熱器原始數(shù)據(jù)表序號12345678空氣入口 t 1( )空氣出口 t 2( )壁溫 tw ( )壓 差P(KPa)2光滑套管換熱器物性數(shù)據(jù)表序 號12345678定性溫度 t m( )密度 (kg/m3)黏度 (Pa s )比熱 Cp (J Kgk)導熱系數(shù) ( K)3光滑套管換熱器數(shù)據(jù)處理表序號12345678流 量v(m3/h)q流 速 u（ m/s ）傳熱系數(shù)2( W/m )雷諾數(shù) Re努塞爾數(shù) Nu普朗特數(shù)

13、Pr強化套管換熱器數(shù)據(jù)表1強化套管換熱器原始數(shù)據(jù)表序號12345678空氣入口 t 1( )空氣出口 t 2( )壁溫 tw ( )壓 差P(KPa)2強化套管換熱器物性數(shù)據(jù)表序 號12345678定性溫度 t m( )密度 (kg/m3)黏度 (Pa s )比熱 Cp (J Kgk)導熱系數(shù) ( K)3強化套管換熱器數(shù)據(jù)處理表序號12345678流 量v(m3/h)q流 速 u（ m/s ）傳熱系數(shù)2( W/m )雷諾數(shù) Re努塞爾數(shù) Nu普朗特數(shù) Pr六、數(shù)據(jù)處理與分析七、實驗注意事項 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個實驗結(jié)束后，進行下一實驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應及時補給水量。 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，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側(cè)，且開啟和關閉閥門必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，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，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉支路