傳熱綜合試驗(yàn)試驗(yàn)報(bào)告

傳熱綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握傳熱系數(shù)K、傳熱膜系數(shù)匕的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解；2、掌握用最小二乘法確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARm中常熟a、指數(shù)m的值；3、通過對(duì)普通套管換熱器和強(qiáng)化套管換熱器的比較，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施；4、掌握孔板流量計(jì)的原理；5、掌握測(cè)溫?zé)犭娕嫉氖褂梅椒?。二、?shí)驗(yàn)原理（一）無量綱準(zhǔn)則數(shù)對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式是無量綱準(zhǔn)則數(shù)之間的方程，主要是有關(guān)Nu、Re、Pr等數(shù)據(jù)組的關(guān)系。dup雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=N、,ad努賽爾特準(zhǔn)數(shù)Nu=—ACN普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=「盧A式中：d——換熱器內(nèi)管內(nèi)勁，m；a——空氣傳熱膜系數(shù)，W?m-2?℃；P——空氣密度，kg-m-3；A——空氣的傳熱系數(shù),W-m-i?℃；Cp——空氣定壓比熱，J-kg-i?℃；N——空氣的動(dòng)力粘度，Pa?S。實(shí)驗(yàn)中用改變空氣的流量來改變準(zhǔn)數(shù)Re之值。根據(jù)定性溫度計(jì)算對(duì)應(yīng)的Pr準(zhǔn)數(shù)值。同時(shí)由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)a值，進(jìn)而算得Nu準(zhǔn)數(shù)值。（二）對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)于流體在圓形直管中作強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可以表示成：Nu=CRemPrn系數(shù)C、指數(shù)m和n則需由實(shí)驗(yàn)加以確定。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同流速下孔板流量計(jì)的壓差，空氣的進(jìn)、出口溫度和換熱器的壁溫，根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過差物性數(shù)據(jù)和計(jì)算，可求出不同流量下的Nu和Re,然后用線性回歸方法（最小二乘法）確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARm中常數(shù)A、m的值。（三）線性回歸

用圖解法對(duì)多變量方程進(jìn)行關(guān)聯(lián)時(shí)，要對(duì)不同變量Re和vPr分別回歸。為了便于掌握這類方程的關(guān)聯(lián)方法，可去n=0.4。這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對(duì)數(shù)，得到直線方程lgN"=1gC+m1gRePr0.4在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點(diǎn)的函數(shù)值帶入方程中得到系數(shù)C，即NuC= Pr0.4Rem用圖解法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)確定直線位置，有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關(guān)聯(lián)結(jié)果。應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)多變量方程進(jìn)行一次回歸，就能同時(shí)得到C、m、n。(四)空氣傳熱膜系數(shù)因?yàn)榭諝鈧鳠崮は禂?shù)a1遠(yuǎn)小于蒸汽傳熱膜系數(shù)a2,所以傳熱管內(nèi)的對(duì)流傳熱系數(shù)a約等于冷熱流體間的總傳熱系數(shù)人則有 2(1)傳熱速率方程：Q=a1AAtm；式中：A——傳熱面積(內(nèi)管內(nèi)表面積)，m2；Atm——管內(nèi)外流體的平均溫差，。C。At

1n—1At2AtAt

1n—1At2m其中，At=T—t,At=T—tT——蒸汽側(cè)的溫度，可近似用傳熱管的外壁面平均溫度Tw表示，Tw=1.2705+23.518XEE——熱電偶測(cè)得的熱電勢(shì)，mV。(2)傳熱量Q可由熱平衡方程求得：Q=wCp(12—11)/3600=V-p-Cp(12—11)/3600w——空氣質(zhì)量流量，kg/h；V——空氣體積流量，m3/h；%t2——空氣進(jìn)出口溫度，℃。(3)實(shí)驗(yàn)條件下的空氣流量V,需按下式計(jì)算273+1273+11式中：V——20C下的體積流量；t0t——空氣進(jìn)出口平均溫度，℃。(五)強(qiáng)化傳熱機(jī)理

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(jì)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(dòng)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(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(dòng)，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 圖1強(qiáng)化管內(nèi)部螺旋線內(nèi)部結(jié)構(gòu)H與管內(nèi)徑d的比值以及管壁粗糙度（2d/h）為主要技術(shù)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?？茖W(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為NuBRem的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。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(píng)判準(zhǔn)則，它的形式是：NU；：NU0，其中Nu是強(qiáng)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(qiáng)化比NUNU0>1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。三、實(shí)驗(yàn)裝置與流程:（一）流程圖2空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1圖2空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)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(jì)；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(jì);18、冷凝液回流口；19—普通管測(cè)壓口；20一強(qiáng)化管測(cè)壓口來自鼓風(fēng)機(jī)的空氣通過調(diào)節(jié)閥1轉(zhuǎn)子流量計(jì)2和換熱管3,經(jīng)換熱后排空。熱量由纏繞在換熱管表面的電熱絲4供給；空氣流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)2測(cè)定；進(jìn)、出口空氣溫度由溫度計(jì)讀取，其進(jìn)口壓強(qiáng)由U形管液柱壓差計(jì)顯示；壁溫由熱電偶測(cè)量。（二）實(shí)驗(yàn)裝置主要參數(shù)表1實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑d.（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長度l（m）1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物尺寸絲徑h（mm）1節(jié)距H(mm)40加熱釜操作電壓（V）<200操作電流（A）<10四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（一）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備及檢查工作.向電加熱釜加水至液位計(jì)上端紅線處。.向冰水保溫瓶中加入適量的冰水，將熱電偶的補(bǔ)償冷端插入其中。.檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開，電壓調(diào)節(jié)電位器是否旋至最左端。.檢查普通管支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線的暢通。.檢查強(qiáng)化管支部各控制閥是否已關(guān)閉。.接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開關(guān)，開始加熱。（二）實(shí)驗(yàn)開始.一段時(shí)間后水沸騰，水蒸氣自行充入普通套管換熱器外管，觀察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)可以開始。.約加熱10min后，可提前啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，保證實(shí)驗(yàn)開始時(shí)空氣入口溫度t1比較穩(wěn)定。.調(diào)節(jié)空氣流量旁路閥的開度，使壓差計(jì)的讀數(shù)為所需的空氣流量值。.穩(wěn)定5-8min可轉(zhuǎn)動(dòng)各儀表選擇開關(guān)讀取t1、t2和E值。.重復(fù)（3）和（4），共做5-7個(gè)空氣流量值。.最小最大流量值一定要做。.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，加熱電壓可以保持不變，也可隨空氣流量的變化作適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。（三）實(shí)驗(yàn)過程

轉(zhuǎn)換支路，重復(fù)步驟2的內(nèi)容，進(jìn)行強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)。測(cè)定5-6組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)束.關(guān)閉加熱開關(guān)。.過5min后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，并將旁路閥全開。.切斷總電源。.若需幾天后再做實(shí)驗(yàn)，則應(yīng)將電加熱釜和冰水保溫瓶中的水放干凈。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理表2普通套管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表格普通管123456AP/kpa3.352.682.061.450.730.24tj℃43.643.842.340.83937.7t2/r66.867.467.367.468.169.6E/mV4.064.064.064.064.064.06tw/℃96.753696.753696.753696.753696.753696.7536t/℃55.255.654.854.153.5553.65pt1/(kg-m-3)1.11761.11681.12261.12841.13541.1404p/(kg-m-3)1.07271.07111.07421.07691.07911.078710A2以/(W-m-1-℃-1)2.86012.86282.85732.85252.84872.8494Cp/(kJ-kg-1-℃-1)1.0051.0051.0051.0051.0051.005g/(gPa-s)19.814719.834419.795119.760619.733619.7385At/℃23.223.62526.629.131.9Atm/℃40.450839.999940.681341.233441.517641.0587Vt0/(m3-h-1)34.700530.615726.323521.539014.58557.7777V/(m3.h-1)35.971931.756127.367122.451915.26578.1769u/(m-s-1)31.806128.078524.197919.851913.49787.2300Q/w249.9074224.0989205.1746179.5492133.818378.5472a/W-m-2-K98.326989.166380.269269.303451.298330.4471Re34436.338130326.521326262.781321637.892814761.50527902.0549Nu68.758562.292656.185148.591536.015221.3709Pr0.69630.69630.69630.69620.69620.6962Nu/Pro.479.472271.998064.940456.164641.629024.7020Ln(Re)10.446910.319810.17599.98229.59988.9749Ln(Nu)4.23064.13184.02873.88343.58393.0620Ln(Nu/Pro.4)4.37544.27664.17354.02833.72883.2069表3強(qiáng)化套管換熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表

強(qiáng)化管i23456AP/kpa2.72.23i.7i.220.760.i4t1/r4i.84i.339.537.435.733.5t2/r77.277.477.377.i77.379.4E/mV4.054.054.054.054.044.04tw/℃96.5i8496.5i8496.5i8496.5i8496.283296.2832t/℃59.559.3558.457.2556.556.45pt1/(kg-m-3)i.i245i.i265i.i334i.i4i6i.i48ii.i566p/(kg-m-3)i.0560i.0566i.0603i.0647i.0676i.067810A2以/(W-m-1-℃-i)2.88972.88862.882i2.87422.86902.8687Cp/(kJ-kg-i-℃-i)i.005i.005i.005i.005i.005i.005g/(gPa-s)20,026220.0i88i9.972ii9.9i56i9.8787i9.8762At/℃35.436.i37.839.74i.645.9Atm/℃34.00ii34.035934.758435.659i35.847834.9483Vt0/(m3-h-i)30.624827.472i23.4980i9.4i6ii4.82635.6964V/(m3-h-i)32.346729.049824.9i9220.6577i5.82536.i229u/(m-s-i)28.600825.685622.0334i8.2655i3.99275.4i39Q/w337.576i309.3329278.8iii243.7684i96.2i5283.7793a/W-m-2-Ki58.0i5ii44.6469i27.6645i08.799787.ii4538.i53iRe30i63.633927ii4.036923394.2097i9530.2864i5030.244i58i7.0698Nui09.3654i00.i48888.59i375.708360.727826.5999Pr0.69650.69650.69640.69640.69630.6963Nu/Pro.4i26.3902ii5.7394i02.385687.499570.i87430.7434Ln(Re)i0.3i44i0.2078i0.06029.87979.6i788.6686Ln(Nu)4.69474.60674.48404.32694.i0643.2809Ln(Nu/Pro.4)4.83944.75i34.62874.47i64.25i23.4257.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程以普通管第一組數(shù)據(jù)為例孔板流量計(jì)壓差A(yù)P=3.35kPa,進(jìn)口溫度t1=43.6℃,出口溫度t2=66.8℃,壁面溫度熱電勢(shì)4.06mV.已知數(shù)據(jù)及有關(guān)常數(shù)：(1)傳熱管內(nèi)徑di及流通段面積Fdi=20.0mm=0.0200mF=Ji(di2)/4=3.142*0.02002/4=0.0003142m2(2)傳熱管有效長度L及傳熱面積SiL=1.00mSi=JLdi=3.142*1.00*0.0200=0.06284nP3)%為孔板處空氣的溫度，為由此值查得空氣的平均密度P當(dāng)t1=43.6℃時(shí)，P=1.1176kg/m3(4)傳熱管，測(cè)量段上空氣平均物性常數(shù)的確定先算出測(cè)量段上空氣的定性溫度t/rt=(t1+t2)/2=(43.6+66.8)/2=55.2℃查得：測(cè)量段上空氣的平均密度P=1.0727(kg/m3)測(cè)量段上空氣的平均比熱Cp=1005(J/kg-k)測(cè)量段上空氣的平均導(dǎo)熱系數(shù)入=0.028601(W/m-k)測(cè)量段上空氣的平均黏度u=19.8147也Pa?s)測(cè)量段上空氣的平均普朗特準(zhǔn)數(shù)的0.4次方為：Pr0+0.69630.4=0.8652(5)空氣流過測(cè)量段上平均體積V(m3/h)的計(jì)算：/AP、0.563V=18.703X一 =34.7005(iWh)， I。J273+1一V=Vx =35.9719(m3/h)10273+11(6)冷熱流體間的平均溫度差A(yù)t/℃的計(jì)算：mT=1.2705+23.518x4.06=96.7536℃At=40.4508℃m(7)其余計(jì)算傳熱速率Q=VPCp(12—t1)/3600==35.9719x1.0727x1005x(66.8-43.6):249.9074Wa=Q/(AtmSi)=249.9074/(40.4508x0.06284)=98.3269(W/m2?r)傳熱準(zhǔn)數(shù)Nu=axdi/人=98.3269x0.0200/0.028601=68.7585測(cè)量段上空氣的平均流速u=V/(Fx3600)=35.9719/(0.0003142x3600)=31.8061(m/s)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=dixuxp/u=0.0200x1.0727x1.097/0.0000198147=34436.3381(8)作圖，回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=ARem中的系數(shù)回歸圖如圖3所示。(分析見2.Ln(Nu)-Ln(Re回歸圖及對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式)由Nu=ARem,可得lnNu=lnA+mlnRe所以以lnNu——lnRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnA.作圖得，m=0.7922,lnA=-4.036,R2=0.9991所以A=0.01767即Nu=0.01767Re0.7922(9)作圖，回歸得到準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=CRemPrn中的系數(shù)(n=0.4)回歸圖如圖5所示。(分析見3.Ln(Nu/Pr0.4)-Ln(Re)回歸圖及對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式)由NuCRemPrn,可得ln(Nu/Pr0.4)=lnC+mlnRe所以以ln(Nu/Pr0.4)——InRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnC.作圖得，m=0.7922，lnC=-3.891，R2=0.9991所以C=0.02043即Nu=0.02043Re0.7922Pr0.42.Ln(Nu)-Ln(Re)回歸圖及對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式可得lnNu=lnA+mlnRe由Nu=ARem,所以以lnNu-lnRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnA.作圖得，m=0.7922，lnA=-4.036，R2=0.9991所以A=0.01767即Nu=0.01767Re0.7922

圖4強(qiáng)化套管換蟠&Ln(R哥tn(Nu㈣歸圖由Nu=ARem,可得lnNu=lnA+mlnRe所以以InNu-lnRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnA.作圖得，m=0.8603,lnA=-4.173,R2=0.9999所以A=0.01541即Nu=0.01541Re0.8603.Ln(Nu/Pr0.4)-Ln(Re)回歸圖及對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式「「4d'z3Nc,由NuCRemPrn,可得ln(Nu/Pr0.4)=lnC+mlnRe所以以ln(Nu/Pr0.4)-lnRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnC.作圖得，m=0.7922，lnC=-3.891，R2=0.9991所以C=0.02043即Nu=0.02043Re0.7922Pr0.4

8.5 S,O 95 10.0 10.5Ln(Re]圖6強(qiáng)化套管Ln{R旬-Ln倒uPr"。回歸圖由NuCRemPrn,可得ln(Nu/Pr0.4)=lnC+mlnRe所以以ln(Nu/Pr0.4)-lnRe作圖，可得一直線，直線的斜率是m,截距是lnC.作圖得，m=0.8602,lnC=-4.028,R2=0.9999所以C=0.01781即Nu=0.01781Re0.8602Pr0.4.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的Nu—Re的關(guān)系圖:—■—普逋套管Ln(Re)圖7普通套管和播化套管換物器Ln|RM-LMN川國婦圖

類別Nu=ARemNuCRemPrn普通套管Nu=0.01767Re0.7922Nu=0.02043Re0.7922Pr0.4強(qiáng)化套管Nu=0.01541Re0.8603Nu=0.01781Re0.8602Pr0.4結(jié)論對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中，強(qiáng)化套管的系數(shù)A和C都比普通套管的小，強(qiáng)化套管的系數(shù)m比普通套管的大。這些系數(shù)的差另IJ,表明了強(qiáng)化套管傳熱能力與普通套管的明顯不同，強(qiáng)化套管提高了換熱器的換熱能力。.強(qiáng)化比的計(jì)算同一流量下，強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nu與普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)Nuo之比，即Nu/Nuo.當(dāng)流量等于28.0785m3/h時(shí)，Nu=62.2926o當(dāng)流量等于28.6008m3/h時(shí)，Nu=109.3654由于28.0785m3/hW28.6008m3/h所以強(qiáng)化比Nu/Nu近似等于109.3654/62.2926口1.756o.其他強(qiáng)化傳熱的措施1）翅片：在管子表面加裝翅片，增加傳熱面積。2）改變殼程擋板結(jié)構(gòu)：盡可能將原折流板的流體橫向流動(dòng)變?yōu)槠叫杏趽Q熱管的縱向流動(dòng)，以消除死區(qū)。3）改變管束支承結(jié)構(gòu)：將管殼式換熱器中折流板改成折流桿。殼程流動(dòng)方向呈軸向；流動(dòng)阻力減小，為弓形折流板的50%；結(jié)垢速率變慢；消除弓形折流板造成的局部腐蝕和磨損，減少管子的振動(dòng)，延長使用壽命。六、思考題.管內(nèi)空氣流動(dòng)速度對(duì)傳熱膜系數(shù)有何影響？當(dāng)空氣速度增大時(shí)，空氣離開熱交換器時(shí)的溫度將升高還是降