换热器传热系数的测定指导书.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除实验三 换热器传热系数的测定指导书一、实验目的 1.通过对空气水蒸汽简单换热管的实验研究，掌握对流传热系数的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；并应用线性回归分析方法，确定关联式中常数A、m的值。2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其系数准数关联式中常数B、m的值和强化比，了解强化传热的基本理论和基本方式。3.了解热电偶温度计的使用方法。二、实验内容1.测定5-6个不同空气流速下简单套管换热器的对流传热系数。2.对的实验数据进行线性回归，求关联式中常数A、m的值。3.测定5-6个不同空气流速下强化套管换热

2、器的对流传热系数。4.对的实验数据进行线性回归，求关联式中常数B、m的值。5.同一流量下，根据所得准数关联式求，计算传热强化比。三、实验原理 光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 对流传热系数的测定在该传热实验中，空气走内管，蒸气走外管。对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定 （1）式中：管内流体对流传热系数，W/(m2)； Qi管内传热速率，W； Ai管内换热面积，m2； 内壁面与流体间的温差，。 由下式确定： （2）式中：t1，t2 冷流体的入口、出口温度，； tw 壁面平均温度，； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近

3、似相等，用tw 来表示。 管内换热面积： （3）式中：di内管管内径，m； Li传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式： （4）其中质量流量由下式求得： （5）式中：冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； 冷流体的比定压热容，kJ / (kgK)； 冷流体的密度，kg /m3。 和可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw， 可采取一定的测量手段得到。 对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 . （6） 其中： ， ， 物性数据、可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数变化不大，可以认

4、为是常数，则关联式的形式简化为： （7）这样通过实验确定不同流量下的与，然后用线性回归方法确定A和m的值。 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定图1 螺旋线圈内部结构强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构图如图1所示，螺旋线圈由直径3mm以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种

5、强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H与管内径d的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Re与Nu，用线性回归方法可确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是光滑

6、管的努塞尔准数，显然，强化比1，而且它的值越大，强化效果越好。四、实验流程与装置 1. 实验流程实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生器为电加热器，内有2根2.5kW螺旋形电热器、用160V电压加热。 空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器器。管程蒸汽由加热器发生后自然上升，经支路控制阀选择与空气呈逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热效果。图1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-普通套管换热器；2-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3-蒸汽发生器；4-旋

7、涡气泵；5-旁路调节阀；6-孔板流量计；7-风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9-空气支路控制阀；10、11-蒸汽支路控制阀；12、13-蒸汽放空口；14-蒸汽上升主管路；15-加水口；16-放水口；17-液位计；18-冷凝液回流口2.实验装置设备主要技术数据见表1 表1 实验装置结构参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L（m）1.00强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）1节距H（mm）40加热釜操作电压200伏 操作电流10安 实验的测量手段 空气流量的测量空气

8、流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20时标定的流量和压差的关系式为： （8）流量计在实际使用时往往不是20，此时需要对该读数进行校正： （9）式中：孔板流量计两端压差，KPa； 20时体积流量， m3/h；流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m3/h； 流量计处温度，也是空气入口温度，。由于换热器内温度的变化，传热管内的体积流量需进行校正： （10）传热管内平均体积流量，m3/h；传热管内平均温度，。 温度的测量空气进出口温度采用Cu50铜电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示（1普通管空气进口温度；2普通管空气出口温度；3强化管空气进口温度；4强化管空气出口温度；

9、5 加热釜水温）。壁温采用热电偶温度计测量，光滑管的壁温由显示表的上排数据读出，强化管的壁温由显示表的下排数据读出。 电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),内装有一支2.5kw的螺旋形电热器加热。 气源(鼓风机) 又称旋涡气泵，XGB2型，电机功率约0.75 KW（使用三相电源），使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。五、实验方法及步骤 实验前的准备，检查工作。 向电加热釜加水至液位计上端红线处。 检查空气流量旁路调节阀是否全开。 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验开始

10、. 关闭通向强化套管的阀门11，打开通向简单套管的阀门10，当简单套管换热器的放空口12有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门8，打开阀门9。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。 启动风机后用放空阀5来调节流量，调好某一流量后稳定5-10分钟后，分别测量空气的流量，空气进、出口温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。 做完简单套管换热器的数据后，要进行强化管换热器实验。先打开蒸汽支路阀11，全部打开空气旁路阀5，关闭蒸汽支路阀10，关闭空气支路阀9，打开空气支路阀8，进行强化管传热实验。实验方法同步骤。 实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。注意事项:1.

11、必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。2.必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭支路阀。3.调节流量后，应至少稳定510分钟后读取实验数据。4.实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、实验数据1. 数据整理表表2 光滑套管换热器原始数据及数据整理表装置编号： 传热管内径：0.020m 有效长度：1.00

12、m 冷流体：空气（管内） 流体：蒸汽（管外）123456孔板压差（KPa）空气入口温度t1（）（kg/m3）空气出口温度t2（）壁面温度（）管内平均温度（）（kg/ m3）*100（W/m）（kJ/ kg）*10000（Pas）空气进出口温差t（）平均温差tm（）20时空气流量（m3/h）流量计处空气流量（m3/h）管内平均流量（m3/h）平均流速u（m/s）传热量（W）（W/m2）ReNuNu / Pr0.4表3 强化套管换热器原始数据及数据整理表装置编号： 传热管内径：0.020m 有效长度：1.00m 冷流体：空气（管内） 流体：蒸汽（管外）123456孔板压差（KPa）空气入口温度t1

13、（）（kg/m3）空气出口温度t2（）壁面温度（）管内平均温度（）（kg/ m3）*100（W/m）（kJ/ kg）*10000（Pas）空气进出口温差t（）平均温差tm（）20时空气流量（m3/h）流量计处空气流量（m3/h）管内平均流量（m3/h）平均流速u（m/s）传热量（W）（W/m2）ReNuNu / Pr0.4Nu0Nu / Nu02.实验数据的计算过程 ( 光滑套管第1列数据为例) 孔板流量计压差计读数 =5.30KPa，空气进口温度41.8出口温度66.4()，传热管壁面温度=100.3(1)传热管内径及流通截面积 20.00(),0.0200 (); 3.142(0.0200

14、) 240.0003142（m2).(2)传热管有效长度 及传热面积 1.00 3.1420.021.000.06284(m2). (3)空气平均物性常数的确定先算出空气的定性温度， = 54.1（）在此温度下空气物性数据如下：平均密度 m 1.08(kg/m3)； 平均比热1005 (JKgk)；平均导热系数 m0.0285(K)； 平均粘度 m0.0000198 ()； 空气流过换热器内管时平均体积流量和平均流速的计算20时对应的孔板流量计体积流量= 22.6965.300.5 = 52.25（m3/h）因为流量计处温度不是20，故需校正：（m3/h） 传热管内平均体积流量: （m3/h）

15、平均流速:=49.78（m/s） 壁面和冷流体间的平均温度差的计算: = 100.354.1 = 46.2（） 传热速率418（W） 管内传热系数 144 （W/m2） 各准数101其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。 求关联式中的常数项以为纵坐标，为横坐标，在对数坐标系上标绘关系，见图3中直线。由图线回归出如下结果： 即 强化套管换热器数据重复上面步骤，同样可以得到强化套管换热器的实验数据，数据结果见表3。其中强化比的计算如下：将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中，可以得到。如表3中第1组数据：= 15659= 72/54.1 = 1.33 强化套管换热器的关联式见图3中直线，由图线回归结果，得出： 关系曲线 图3 关系曲线【精品文档】第 8 页