氣-氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)操作講義

氣—?dú)鈧鳠峋C合實(shí)驗(yàn)操作講義氣—?dú)鈧鳠峋C合實(shí)驗(yàn)操作講義氣—?dú)鈧鳠峋C合實(shí)驗(yàn)操作講義資料僅供參考文件編號：2022年4月氣—?dú)鈧鳠峋C合實(shí)驗(yàn)操作講義版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：氣—?dú)鈧鳠峋C合實(shí)驗(yàn)講義一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．通過對空氣—水蒸氣簡單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對流傳熱系數(shù)的測定方法，加中常數(shù)A、m的值；2．通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈和采用螺旋扁管為內(nèi)管的空氣—水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的傳熱的基本理論和基本方式；3．了解套管換熱器的管內(nèi)壓降p和Nu之間的關(guān)系；二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)一：①測定5~6個不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。③測定5~6個不同流速下簡單套管換熱器的管內(nèi)壓降p。實(shí)驗(yàn)二：①測定5~6個不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)。③測定5~6個不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的管內(nèi)壓降p。并在同一坐標(biāo)系下繪制普通管p~Nu與強(qiáng)化管p~Nu的關(guān)系曲線。比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。④同一流量下，按實(shí)驗(yàn)一所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu，計算傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu。三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)來測定。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NuARe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NuARePr實(shí)驗(yàn)研究，測定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式NuBRe中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu，了解強(qiáng)化②對的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr中常數(shù)A、m的值。②對的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRe中常數(shù)B、m的值。＝

QtS（2-1）Q—管內(nèi)傳熱速率，W；t—內(nèi)管壁面溫度與內(nèi)管流體溫度的平均溫差，℃。平均溫差由下式確定：tmitw()（2-2）2式中：t，t—冷流體的入口、出口溫度，℃；t—壁面平均溫度，℃；因?yàn)閾Q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t來表示。管內(nèi)換熱面積：SdL（2-3）式中：d—內(nèi)管管內(nèi)徑，m；L—傳熱管測量段的實(shí)際長度，m；由熱量衡算式：QiWicpi(ti2ti1)（2-4）其中質(zhì)量流量由下式求得：W（2-5）3600cp—冷流體的定壓比熱，kJ/(kg·℃)；cp和ρ可根據(jù)定性溫度t查得，t為冷流體進(jìn)出口平均溫度。t、t、2tw、V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(shí)驗(yàn)確定式中：—管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m?℃)；S—管內(nèi)換熱面積，m；ti1ti2V式中：Vi—冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m/h；ρ—冷流體的密度，kg/m。式中：—管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，W/(m?℃)；S—管內(nèi)換熱面積，m；ti1ti2V式中：Vi—冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m/h；ρ—冷流體的密度，kg/m。tt流體在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，處于被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為（2-6）物性數(shù)據(jù)λ、cp、ρ、μ可根據(jù)定性溫度t查得。經(jīng)過計算可知，對于管內(nèi)被加熱的空氣，普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pri變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡化為：通過實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的Re與Nu，然后用線性回歸方法確定A和m的值。實(shí)驗(yàn)二、強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測定強(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(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強(qiáng)化傳熱。螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1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，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的比值為主要技術(shù)參數(shù)，且節(jié)距與管內(nèi)徑經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。圖2-1螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)NuARePr.其中：Nu，Re，PrNuNuARePr.其中：Nu，Re，PrNuARePr（2-7）比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為NuBRe的在本實(shí)驗(yàn)中，采用實(shí)驗(yàn)2-1中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下的Re與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)化比的概念作為評判準(zhǔn)則，它的形式是：NuNu，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NuNu＞1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說明的是，如果評判強(qiáng)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(qiáng)化比高且阻力系數(shù)小的強(qiáng)化方式，才是最佳的強(qiáng)化方法。四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程1．實(shí)驗(yàn)流程圖及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)：如圖2-2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主體是兩根平行的套管換熱器，內(nèi)管為紫銅材質(zhì)，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。實(shí)驗(yàn)的蒸汽發(fā)生釜為電加熱釜，內(nèi)有2根螺旋形電加熱器，用200伏電壓加熱（可由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。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)入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經(jīng)支路控制閥選擇逆流進(jìn)入換熱器殼程，由另一端蒸汽出口自然噴出，達(dá)到逆流換熱的效果。2021東圖2-2空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖（A型）實(shí)驗(yàn)裝置：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；7、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—傳熱系數(shù)分布實(shí)驗(yàn)套盒（本實(shí)驗(yàn)不使用）；15—紫銅管；16—加水口；17—放水口；18—液位計；19—熱點(diǎn)偶溫度測量實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)接口；20—普通管測壓口；21—強(qiáng)化管測壓口2．實(shí)驗(yàn)的測量手段1)空氣流量的測量空氣主管路由孔板與差壓變送器和二次儀表組成空氣流量計，孔板流量計為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，其流量計的計算式為：P式中：P—孔板流量計兩端壓差，KPa；t—流量計處溫度(本實(shí)驗(yàn)裝置為空氣入口溫度)，℃；—t溫度下的空氣密度，kg/m；實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)見下面說明：東東實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑d(mm)第①實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑d(mm)第①~④套16第⑤~⑧套20實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑d第①~④套第⑤~⑧套22實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑D(mm)20實(shí)驗(yàn)外管外徑D(mm)22總管長（紫銅內(nèi)管）L(m)測量段長度l(m)加熱釜操作電壓≤200伏加熱釜操作電流≥200伏VV由于被測管段內(nèi)溫度的變化，還需對所測得體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正：（2-8）273t2)溫度的測量實(shí)驗(yàn)中壁面溫度是用銅-康銅熱電偶測量的，溫度與熱電勢的關(guān)系為：T(℃)=+×E(mv)（2-9）冷流體進(jìn)出口溫度是用Cu50熱電阻溫度計測量得到的。五、注意事項(xiàng)1．由于采用熱電偶測溫，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，是否全部浸沒在冰水混合物中。2．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(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時補(bǔ)給水量。3．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，兩蒸汽支路控制閥（見圖2-2）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)閉控制閥必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。4．必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機(jī)電源之前，三個空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥（見圖2-2所示）必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥。5．調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定5~10分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6．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)報告1．實(shí)驗(yàn)一的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)結(jié)果表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準(zhǔn)數(shù)以及重要的中間計算結(jié)果）、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的回歸過程、結(jié)果與具體的回歸方差分析，并以其中一組數(shù)據(jù)的計算舉例。2．實(shí)驗(yàn)二的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)整理表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準(zhǔn)數(shù)、Nu和強(qiáng)化比，還包括重要的中間計算結(jié)果）、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的回歸結(jié)果。3．在同一雙對數(shù)坐標(biāo)系中繪制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二的Nu~Re的關(guān)系圖。4．在同一坐標(biāo)系中繪制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)二的東P~Nu的關(guān)系圖。5．對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。VV273VV273tVt0—冷流體進(jìn)入換熱器時的體積流量，m/h；七、實(shí)驗(yàn)步驟傳熱實(shí)驗(yàn)仿真主要設(shè)備介紹圖如下圖2-3所示：真仿傳熱實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)備介紹圖真普通套管實(shí)驗(yàn)操作：⑴檢查水槽液位計，若發(fā)現(xiàn)水量較少，打開注水閥VA102，補(bǔ)充水量至2/3處；⑵打開連通閥VA101，使水槽與蒸汽發(fā)生器相通；⑶打開普通套管蒸汽開關(guān)閥VA104，確保蒸汽管路暢通；⑷打開電源總開關(guān)，啟動蒸汽發(fā)生器開關(guān)，加熱蒸氣；⑸等待若干秒，待水蒸氣進(jìn)入套管換熱器外管，當(dāng)蒸氣排出口有恒量蒸汽排出時，標(biāo)志實(shí)驗(yàn)可以開始；⑹打開漩渦風(fēng)機(jī)旁路閥VA106至最大；⑺打開普通套管空氣開關(guān)閥VA107，確?？諝夤苈窌惩?；⑻啟動漩渦風(fēng)機(jī)開關(guān)；⑼通過調(diào)節(jié)漩渦風(fēng)機(jī)旁路閥VA106的開度，調(diào)節(jié)流量所需值，待數(shù)值穩(wěn)定后，到“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一”面板點(diǎn)擊“普通套管數(shù)據(jù)記錄”按鈕，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至“實(shí)驗(yàn)報表”⑽按照閥門VA106開度由大到小的順序，記錄5~6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)化套管實(shí)驗(yàn)操作：⑾關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源；⑿緩慢開啟強(qiáng)化管道蒸汽開關(guān)閥VA105，再關(guān)閉普通套管蒸汽開關(guān)閥VA104，使強(qiáng)化管路蒸圖2-3圖2-3汽暢通；待蒸氣排出口有恒量蒸汽排出，標(biāo)志強(qiáng)化套管傳熱實(shí)驗(yàn)可以開始；⒀將漩渦風(fēng)機(jī)旁通閥VA106開至最大，接通漩渦風(fēng)機(jī)開關(guān)；⒁調(diào)節(jié)漩渦風(fēng)機(jī)旁通閥VA106的開度，調(diào)節(jié)流量至所需值，帶數(shù)值穩(wěn)定后，倒“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二”面板點(diǎn)擊“強(qiáng)化套管數(shù)據(jù)記錄”按鈕，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至“實(shí)驗(yàn)報表”⒂按照閥門VA106開度由大到小的順序，記錄5~6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)⒃關(guān)閉蒸汽發(fā)生器加熱電源，待蒸氣放空口沒有蒸汽逸出，將漩渦風(fēng)機(jī)旁通閥VA106至全開，并關(guān)閉漩渦氣泵開關(guān)，關(guān)閉總電源開關(guān)⒄實(shí)驗(yàn)結(jié)束參數(shù)設(shè)置：到“參數(shù)設(shè)置”面板，改變強(qiáng)化套管、普通套管的半徑、長度、蒸汽溫度，重復(fù)以上步驟；八、思考題1．下列屬于傳熱基本形式有:A.間壁換熱B.混合換熱C.輻射答案：C2．"熱能"總是:A.由熱能高的物體傳向熱能低的物體B.由溫度高的物體傳向溫度低的物體C.由比熱大的物體傳向比熱小的物體答案：B3．間壁換熱時,壁溫總是:A.接近溫度高的流體B.接近溫度低的流體C.接近傳熱系數(shù)大的流體答案：C4．在本實(shí)驗(yàn)中的管壁溫度Tw應(yīng)接近蒸汽溫度，還是空氣溫度可能的原因是：A.接近空氣溫度，這是因?yàn)榭諝馓幱诹鲃訝顟B(tài),即強(qiáng)制湍流狀態(tài)，a(空氣)↑B.接近蒸汽溫度，這是因?yàn)檎羝淠齻鳠崮は禂?shù)，a(蒸)>>a(空)。C.不偏向任何一邊，因?yàn)檎羝淠齛和空氣溫度a均對壁溫有影響。答案：B5．以空氣為被加熱介質(zhì)的傳熱實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)空氣流量Va增大時，壁溫如何變化A.空氣流量Va增大時，壁溫Tw升高。B.空氣流量Va增大時，壁溫Tw降低。C.空氣流量Va增大時，壁溫Tw不變。答案：B6．下列諸溫度中，哪個做為確定物性參數(shù)的定性溫度A.介質(zhì)的入口溫度B.介質(zhì)的出口溫度C.蒸汽溫度D.介質(zhì)入口和出口溫度的平均值E.壁溫答案：D7．管內(nèi)介質(zhì)的流速對傳熱膜系數(shù)a有何影響A.介質(zhì)流速u增加，傳熱膜系數(shù)a增加B.介質(zhì)流速u增加，傳熱膜系數(shù)a降低C.介質(zhì)流速u增加，傳熱膜系數(shù)a不變答案：A8．管內(nèi)介質(zhì)流速的改變，出口溫度如何變化A.介質(zhì)流速u升高，出口溫度t2升高B.介質(zhì)流速u升高，出口溫度t2降低C.介質(zhì)流速u升高，出口溫度t2不變答案：B9．蒸汽壓強(qiáng)的變化，對a關(guān)聯(lián)式有無影響A.蒸汽壓強(qiáng)P↑