雙套管傳熱實驗講義(共11頁)

1、雙套管傳熱實驗講義2016年5月雙套管傳熱實驗一、實驗目的1、了解氣汽對流傳熱的機理；2、熟悉實驗組織流程及各設備（風機、蒸汽發(fā)生器、套管換熱器）的結構；3、用實測法和理論計算法給出管內(nèi)傳熱膜系數(shù)測、計、Nu測、Nu計及總傳熱系數(shù)K測、K計的值進行比較；并對光滑管與螺紋管的結果進行比較；4、在雙對數(shù)坐標紙上標出Nu測、Nu計與Re關系，學會用最小二乘法回歸出Nu測與Re關系，并給出回歸的精度（相關系數(shù)R）；并對光滑管與螺紋管的結果進行比較；5、獲得K更接近i或o的信息，了解給熱系數(shù)的影響因素和工程上強化傳熱的措施。二、實驗原理對于流體在圓形直管中作強制湍流時的對流傳熱系數(shù)的準數(shù)關聯(lián)式可以表示成

2、： （1）系數(shù)A與指數(shù)m和n則需由實驗加以確定。當流體被加熱時n = 0.4， 式中： 通過實驗測得不同流速下孔板流量計的壓差，空氣的進、出口溫度和換熱器的壁溫（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)、外壁溫度與壁面的平均溫度近似相等），根據(jù)所測的數(shù)據(jù)，經(jīng)過查物性數(shù)據(jù)和計算，可求出不同流量下的Nu和Re，然后將式（1）變形 （2）式（2）兩邊同時取對數(shù) （3）用線性回歸方法（最小二乘法）確定關聯(lián)式（3）中常數(shù)A、m的值。1、管內(nèi)Nu、i的測定計算1)管內(nèi)空氣質(zhì)量流量的計算G kg/s 孔板流量計的標定條件：P0 = 101325 Pa T0 = 273 + 20 K 0

3、= 1.205 kg/m3 孔板流量計的實際條件：P1 = P0 + P Pa P為進氣壓力表讀數(shù) T1 = 273 + t1 K t1為進氣溫度 kg/m3 則實際風量為： m3/h C0孔流系數(shù)，= 0.9A0孔面積，= 1.518 × 10-4 m2，do = 0.0139 mP2孔板壓差，Pa管內(nèi)空氣的質(zhì)量流量為：G=V11 kg/s2)管內(nèi)雷諾數(shù)Re的計算因為空氣在管內(nèi)流動時，其溫度、密度、風速均發(fā)生變化，而質(zhì)量流量卻為定值，因此，其雷諾數(shù)計算按下式進行：上式中的物性數(shù)據(jù)可按管內(nèi)定性溫度t定 = (t2 + t4)/2求出。3)熱負荷計算套管換熱器在管外蒸汽和管內(nèi)空氣的換熱

4、過程中，管外蒸汽冷凝釋放出潛熱傳遞給管內(nèi)空氣，我們以空氣為恒算物料流進行換熱器的熱負荷計算：根據(jù)熱量衡算式：q = Gcptt空氣的溫升 t = t4 - t2 oCcp定性溫度下的空氣恒壓比熱kJ/kg×KG空氣的質(zhì)量流量kg/s管內(nèi)定性溫度t定 = (t2 + t4)/24)測定、努塞爾特準數(shù)Nu測定值又由傳熱速度方程：q = iAtm式中：A 管內(nèi)表面積 A = diL m2 di = 18 mm L = 1000 mmtm管內(nèi)平均溫度差5)經(jīng)驗計算、努塞爾特準數(shù)Nu計算值：上式中的物性數(shù)據(jù)，Pr均按管內(nèi)定性溫度求出。2、管外的測定計算1)管外測定值已知管內(nèi)熱負荷q管外蒸汽冷凝

5、傳熱速率方程為：q = oAtm式中：A管外表面積 A = doL m2 do = 22 mm，L = 1000 mmtm管外平均溫度差2)管外的計算值根據(jù)蒸汽在單根水平圓管外按膜狀冷凝傳熱膜系數(shù)計算公式計算出：上式中有關水的物性數(shù)據(jù)均按管外膜平均溫度查取。3、總傳熱系數(shù)K的測定1）K測定：已知管內(nèi)熱負荷q，又據(jù)總傳熱方程：q = KAtm式中：A管外表面積 A = doL m2tm管外平均溫度差2）K計算：（以管外表面積為基準）式中：Ri，Ro管內(nèi)外污垢熱阻，可忽略不計。銅導熱系數(shù)380 W/m2×K由于污垢熱阻可忽略，而銅管管壁熱阻也可忽略（銅導熱系數(shù)很大且銅壁不厚，若同學有興趣

6、完全可以計算出來此項比較），上式可簡化為：三、實驗裝置、流程及操作說明1、傳熱裝置 雙套管傳熱實驗流程圖溫度：t1風機出口氣溫（校正用）；t12光滑管進氣溫度 t22螺紋管進氣溫度t13光滑管進口截面壁溫 t23螺紋管進口截面壁溫t14光滑管出氣溫度 t24螺紋管出氣溫度t15光滑管出口截面壁溫 t25螺紋管出口截面壁溫t6蒸汽發(fā)生器內(nèi)水溫=管外蒸汽溫度說明1：因為蒸汽與大氣相通，蒸汽發(fā)生器內(nèi)接近常壓，因此t6也可看作管外飽和蒸汽溫度。壓力：PI1蒸汽發(fā)生器壓力（控制蒸氣量用），PI2進氣壓力傳感器（校正流量用）；壓差：DP1孔板流量計差壓傳感器；閥門：V1-放空閥，V2-螺紋管冷空氣進口閥，

7、V3-光滑管冷空氣進口閥，V4-螺紋管蒸汽進口閥，V5-光滑管蒸汽進口閥，V6-加水口閥門，V7-蒸汽發(fā)生器排水口閥門，V8-液封排水口閥門。說明2：風機啟動時，必須保證V1是全開狀態(tài)，V2或V3有一個是全開，一個是全關閉。加熱啟動時，必須保證V4或V5有一個是全開，一個是全關閉。2、流程說明本裝置主體套管換熱器內(nèi)為一根紫銅管，外套管為不銹鋼管。兩端法蘭連接，外套管設置有兩對視鏡，方便觀察管內(nèi)蒸汽冷凝情況。管內(nèi)銅管測點間有效長度1000 mm。下套管換熱器內(nèi)有彈簧螺紋，作為管內(nèi)強化傳熱與上光滑管內(nèi)無強化傳熱進行比較?？諝庥娠L機送出，經(jīng)孔板流量計后進入被加熱銅管進行加熱升溫，自另一端排出放空。在

8、進出口兩個截面上銅管管壁內(nèi)和管內(nèi)空氣中心分別裝有2支熱電阻，可分別測出兩個截面上的壁溫和管中心的溫度；一個熱電阻t1可將孔板流量計前進口的氣溫測出，另一熱電阻可將蒸汽發(fā)生器內(nèi)溫度t6測出，其分別用1、2、3、4、5、6來表示，如圖示。蒸汽來自蒸汽發(fā)生器，發(fā)生器內(nèi)裝有兩組2 kW加熱源，由調(diào)壓器控制加熱電壓以便控制加熱蒸汽量。蒸汽進入套管換熱器的銅管外套，冷凝釋放潛熱，為防止蒸汽內(nèi)有不凝氣體，本裝置設置有放空口，不凝氣體排空，而冷凝液則回流到蒸汽發(fā)生器內(nèi)再利用。3、設備儀表參數(shù) 套管換熱器：內(nèi)加熱紫銅管：f22×2 mm，有效加熱長1000 mm 外拋光不銹鋼套管：f100×

9、2 mm 旋渦氣泵：風壓18 kPa， 風量140 m³/h，750 W 蒸汽發(fā)生器：容積20 L，電加熱：4 kW 操作壓力：常壓（配0-2500 Pa壓力傳感器） 孔板流量計：DN20 標準環(huán)隙取壓，m = (12.65/20)2 = 0.4，C0 = 0.9 熱電阻傳感器：Pt100差壓壓力傳感器：0-5 kPa 本實驗消耗和自備設施：電負荷：2.75 kW四、實驗步驟1、實驗前準備工作1）檢查水位。通過蒸汽發(fā)生器液位計觀察蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位是否處于液位計的70-80%，少于70-80%需要補充蒸餾水；通過加水口，開啟V6，補充蒸餾水。檢查安全水封內(nèi)水位是否能達到70%-80%，

10、少于70%-80%需要補充蒸餾水。2）檢查電源。檢查裝置外供電是否正常供電（空開是否閉合等情況）；檢查裝置控制柜內(nèi)空開是否閉合（首次操作時需要檢查，控制柜內(nèi)多是電氣原件，建議控制柜空開可以長期閉合，不要經(jīng)常開啟控制柜）；3）啟動裝置控制柜上面“總電源”和“控制電源”按鈕，啟動后，檢查觸摸屏上溫度、壓力等測點是否顯示正常；是否有壞點或者顯示不正常的點；4）檢查閥門。風機放空閥V1是否處于全開狀態(tài)；若先作上邊光滑管，則V3全開、V5全開，其它閥門關閉；2、開始實驗光滑管實驗1）蒸汽發(fā)生器加熱時間較長，同時啟動觸摸屏面板上面的“固定加熱”按鈕和“調(diào)節(jié)加熱”按鈕，并點擊蒸汽發(fā)生器“SV_%功率”數(shù)值，

11、打開“壓力控制設置面板”，如顯示“功率模式”，直接點擊“功率定值”數(shù)值，打開數(shù)值設定窗口，設定100，如打開“壓力控制設置面板”當前顯示“壓力模式”，則點擊“壓力模式”，切換到“功率模式”，操作步驟同功率模式；2）當t6 98 oC時，關閉“固定加熱”，點擊“泵啟動”啟動氣泵開關，并點擊蒸汽發(fā)生器“SV_%功率”數(shù)值，打開“壓力控制設置面板”，設置為“壓力模式”，點擊“壓力定值”數(shù)值，打開數(shù)值設定窗口，設定1.01.5 kPa（建議1.0 kPa），調(diào)節(jié)放空閥V1控制風量至預定值，當t6 98 oC時，穩(wěn)定約2分鐘時間，即可記錄數(shù)據(jù)。 建議風量調(diào)節(jié)按如下孔板壓差計DP1kPa顯示記錄：0.4、

12、0.5、0.7、0.9、1.1、1.4、1.7、2.0 kPa 共8-10個點即可。切換閥門進行螺紋管實驗1）閥門切換 蒸汽轉(zhuǎn)換：全開V4關閉V5； 風量切換：全開V1，全開V2，關閉V3。2）當t6 98 oC時，調(diào)節(jié)放空閥V1控制風量至預定值，當t6 98 oC時，穩(wěn)定約2分鐘時間，即可記錄數(shù)據(jù)。 建議風量調(diào)節(jié)按如下孔板壓差計DP1kPa顯示記錄： 0.4、0.5、0.7、0.9、1.1、1.4、1.7、2.0 kPa 共8-10個點即可。3）實驗結束時，點擊“調(diào)節(jié)加熱”按鈕，使其關閉。開啟V1放空閥，最后點擊“泵啟動”關閉氣泵電源，關閉裝置外供電。如長期不使用需放凈蒸汽發(fā)生器和液封中的水

13、，并用部分蒸餾水沖洗蒸汽發(fā)生器2-3次，保持裝置凈度。五、注意事項1、在啟動風機前，應檢查三相動力電是否正常，若缺相，及易燒壞電機；為保證安全，檢查接地是否正常；2、每組實驗前應觀察蒸汽發(fā)生器內(nèi)合適的水位，水位過低或無水，電加熱一定會燒壞。因為電加熱是濕式，嚴禁干燒。3、長期不用時，應將設備內(nèi)水放凈。4、使用前，可用部分蒸餾水沖洗蒸汽發(fā)生器2-3次。5、嚴禁學生進入操作面板后，以免發(fā)生觸電。六、思考題1、為什么向電加熱釜中加水至液位計液面應處于液位計的70-80%？2、光滑管和螺紋管的給熱系數(shù)，哪種管的傳熱效率高？3、如何確定螺紋列管式換熱器的傳熱面積？4、什么情況下用雙對數(shù)坐標系作圖？5、氣-汽換熱的結果是什么？6、當空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度是升高還是降低？7、準數(shù)關聯(lián)式Nu = ARemPr0.4應用范圍？8、實驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響? 9、螺紋管傳熱效率高的原因？10、蒸汽冷凝過程中，若存在不冷凝氣體，對傳熱有何影響、應采取什么措施？11、實驗過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？12、實驗中，所測定的壁溫是靠近蒸汽側(cè)還是冷流體側(cè)溫度？為什么？傳熱系數(shù)K接近于哪種流體的？13、如果采用不同壓強的蒸汽進行實驗，對關聯(lián)式有何影響？七、實驗報告表1 原始數(shù)據(jù)：管內(nèi)徑= 18 mm 管外徑=