傳熱綜合實驗

1、實驗五傳熱綜合實驗一、實驗?zāi)康?. 通過對空氣一水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，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(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARePr0.4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一水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實驗研究，測定其 準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRe中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Ns, 了解強(qiáng)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)i，對i的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARe?r0.4中常數(shù)A、m的值。2. 測定56個不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)i，對i的

2、實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BR?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Nu,計算傳熱強(qiáng)化比Nu/Ns。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)i的測定對流傳熱系數(shù)i可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定。因為i o ,所以：（W/mC）i Ki Qi / tmi Si式中：i 管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)， W/（m?C）;Q 換熱器傳熱速率,WSi管內(nèi)換熱面積，2m；tmi 對數(shù)平均溫差，C。對數(shù)平均溫差由下式確定：tmi(T wti 1 )(T wti 2 )(Twti1)In(Tw ti 2 )式中：，ti2 冷流體的入口、出口

3、溫度，C； T w 壁面平均溫度，C；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)）：SdiLi式中：di 傳熱管內(nèi)徑，m L i傳熱管測量段的實際長度，m由熱量衡算式：Qi WCpi（ti2 ti）其中質(zhì)量流量由下式求得：Wi衛(wèi)3600式中：V 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 C）； P i冷流體的密度，kg /m3。Cpi和p i可根據(jù)定性溫度t mi查得，tmi 3 t2為冷流

4、體進(jìn)出口平均溫度。t i1 , t i2 , Tw,2V可米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(qiáng)制湍流，且被加熱，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:其中：Nu iidi，Re,uidi 1，PriCpi i物性數(shù)據(jù)入i、Cpi、Pi、卩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

5、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，本實驗裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強(qiáng)化傳熱的。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。圖5-1螺旋線圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)由于繞制線圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋構(gòu)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)，長徑比H/d是影響傳熱效果和阻力

6、系數(shù)的重要因素。 科學(xué)家通過實驗研究總結(jié)了形式為 Nu BRem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 Re與Nu：，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)化比的概念作為評判準(zhǔn)則， 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)化比較高，

7、且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式, 才是最佳的強(qiáng)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5 1所示。 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(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.風(fēng)機(jī)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

8、；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5 1實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑d (mrh20.00實驗內(nèi)管外徑do( mrh22.0實驗外管內(nèi)徑D( mrh50實驗外管外徑DO( mrh57.0測量段(紫銅內(nèi)管)長度1( m1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物 (螺旋線圈)尺寸絲徑h( mrb1節(jié)距H (mrb40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： Vt0 18.113 P 0.6203式中：Vto20C下的體積流量； P孔板

9、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：V實驗條件下（管內(nèi)平均溫度）下的空氣流量，mVh;t mi 換熱器管內(nèi)平均溫度，C 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（ C ） ，由數(shù)字式毫伏計測出與該溫度對應(yīng)的熱電勢 E（mv, 熱電偶是由銅一康銅組成）,將E值代入公式：TwC ）=1.2705+23.518 X 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

10、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。 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(jī)， 用放空閥來調(diào)節(jié)流量， 在一定的流量下 , 穩(wěn)定 5 1 0分鐘后分別測量空氣 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(jī)和總電源。

11、一切復(fù)原。B. 使用計算機(jī)自動控制試驗 啟動計算機(jī)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(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， 用計算機(jī)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(jī)測量空氣流量、空氣進(jìn)出口溫度、 水蒸氣溫度；c. 用計算機(jī)對所得實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和整理，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

12、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(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(jī)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(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開啟和關(guān)閉控制閥；6. 調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)

13、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dm0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002流通截面積A, m23.143.143.143.143.143.143.14孔板壓差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.95空氣入口溫度tfC)26.232.33

14、4.736.838.940.842.4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 ( C)98.998.498.298.297.997.797.4平均溫差厶t r( C)43.841.941.441.240.038.937.3管內(nèi)平均溫度tm( C)50.653.153.954.555.656.657.5p (kg/m )1.091.081.081.071.0751.071.06 136818Cp1.001.001.001.001.00

15、51.001.005555550.690.690.690.690.690.69Pr0.6978777762.832.842.852.852.872.87入 *1002.846074828卩 *1000001.961.971.981.981.991.992.00流通截面積A,tf*10A-43.143.143.143.143.143.143.1412.719.025.735.839.9 管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.1796131.038711.316.822.731.735.3空氣流速u(m/s)5.4616427.4546管內(nèi)傳熱面積Sim2*10A-26.286.286.286.286.28

16、6.286.280.090.16:0.220.270.33 :傳熱量Q(W)21240.31190.360.030.060.080.100.130.15a i (W/rfrC)0.124365691607812431849247634163776Re29657.45.34.91.34.44.50.020.040.050.070.090.10Nu0.086369475、i g/r-0.4、0.020.050.060.080.11 :0.121Nu/(Pr )63850.09921表3強(qiáng)化管實驗記錄及數(shù)據(jù)整理1234567傳熱管內(nèi)徑d,m0.000.000.000.000.0020.000.002

17、22222孔板壓差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88空氣入口溫度ti1( C)78.275.074.272.773.073.774.4空氣出口溫度ti2( C)78.275.074.272.773.073.774.4壁面熱電勢E(mv)4.144.144.134.134.134.134.13表4強(qiáng)化管數(shù)據(jù)整理1234567管內(nèi)傳熱面積Si, m6.286.286.286.286.286.286.28*10A-2管內(nèi)平均溫度tm( C)54.653.654.154.557.458.7555555.9555P (kg/m )1.071.081.071.071.073

18、1.061.06819883CpP 1.001.00 :1.001.001.0051.001.00555555Pr0.690.690.690.690.6970.690.69777766入 *1002.8582.8512.852.852.8682.8782.88475卩 *1000001.981.981.981.981.9901.992.00270282壁面溫度Tw ( C)98.698.698.498.498.498.498.4平均溫差厶t r( C)41.841.341.041.340.138.737.56.2412.819.025.731.0635.939.5管內(nèi)流量Vi(m3/h)17173流通截面積A, m2*10-43.143.143.143.143.143.143.14空氣流速u(m/s)16.722.731.834.95.5211.38427.4827傳熱量Q(W)0.080.160.230.280.340.3685010.31787a i( W/吊C)0.030.060.080.100.1260.140.15449836Re60041238；183824732963434013713.63.96.66.3.27.85.9Nu0.020.040.060.070.0880.090.10482698Nu/Ns1.041.041.051.021.0231.