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1、.v .实验五 传热综合实验 一、实验目的 1.通过对空气水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数i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Nu=ARemPr0.4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，测定其准数关联式Nu=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的根本理论和根本方式。二、实验内容 1.测定 56 个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数i，对i的实验数据进展线性回归，求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。2.测定 56 个不同流速下强化套管换热器的对流传热
2、系数i，对i的实验数据进展线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。3.同一流量下，按实验 1 所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理 一 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 1.对流传热系数i的测定 对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为io,所以：W/m2 式中：i管内流体对流传热系数，W/(m2)；Qi换热器传热速率，W；Si管内换热面积，m2；mit对数平均温差，。对数平均温差由下式确定：式中：ti1，ti2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
3、度和壁面平均温度近似相等，用Tw来表示，管外为蒸汽冷凝，因此，将壁面平均温度近似视为蒸汽的温度，且保持不变。传热面积()：iiiLdS)()(ln)()(2121iwiwiwiwmitTtTtTtTtimiiiiStQK/.v .式中：di传热管内径，m；Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：其中质量流量由下式求得：式中：Vi冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；cpi冷流体的定压比热，kJ/(kg)；i冷流体的密度，kg/m3。cpi和i可根据定性温度tmi查得，221iimittt为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2，Tw，Vi可采取一定的测量手段得到。2.对流传热系数准数关联
4、式的实验确定 空气在管内作强制湍流，且被加热，准数关联式的形式为：其中：iiiidNu，iiiiiduRe ，iipiicPr 物性数据i、cpi、i、i可根据定性温度tmi查得。这样通过实验确定不同流量下的Rei与iNu，再用线性回归方法即可确定A和m的值。二、强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小换热器的传热面积，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
5、强化传热的。螺旋线圈的构造图如图5-1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图 5-1 螺旋线圈强化管内部构造)(12iipiiittcWQ3600iiiVW4.0PrReimiiANu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的值的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
6、实验研究测定其准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .与管内径d的比值以及管壁粗糙度为主要技术参数，长径比 H/d 是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通
7、过实验研究总结了形式为mBNuRe的经历公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。在本实验中，采用普通管中的实验方法确定不同流量下的Rei与iNu，用线性回归方法可确定B和m的值。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那么，它的形式是：0NuNu，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比0NuNu1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，那么必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比拟高，且阻力系数较小的强化方式，才是最正确的强化方法
8、。四、实验流程 1.实验流程 实验流程图见图 52。实验装置的主体是两根平行的换热套管，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不同的换热管的内管。蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升，经支路控制阀选择不同的支路进入套管壳程。装置构造参数如表 51 所示。图 52 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；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的值的通过对管程内部插有螺旋线圈的空气水蒸
9、气强化套管换热器的实验研究测定其准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .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
10、升主管路；15.加水口；16.放水口；17.液位计；18.冷凝液回流口 表 51 实验装置构造参数 实验内管内径dimm 20.00 实验内管外径domm 22.0 实验外管内径Dimm 50 实验外管外径Domm 57.0 测量段紫铜内管长度lm 1.00 强化内管内插物 螺旋线圈尺寸 丝径hmm 1 节距Hmm 40 加热釜 操作电压 200伏 操作电流 10安 2.实验测量手段 流量的测定：孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由下式计算：6203.00113.18PVt 式中：Vt020下的体积流量；P孔板两端压差，KPa即数字显示仪表读数 由于被测管段内温度的变
11、化，还需对体积流量进展进一步的校正：2932730mititVV 式中：Vi实验条件下管内平均温度下的空气流量，m3/h;tmi 换热器管内平均温度，温度测量：a)空气进、出传热管测量段的温度由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。b)管外壁面平均温度 Tw()，由数字式毫伏计测出与该温度对应的热电势 E(mv,热电偶是由铜康铜组成),将 E 值代入公式:Tw()=1.2705+23.518E(mv)计算得到。五、实验方法及步骤 1.实验前的准备检查工作 向蒸汽发生器中加水至液位计上端红线处。向冰水保温瓶中参加适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。检查空气流量旁路调节阀是否全开。检查蒸汽
12、管支路各控制阀是否已翻开，保证蒸汽和空气管线畅通。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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似
13、相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开场加热。2.实验操作 A.人工实验操作 合上电源总开关。翻开加热电源开关,设定加热电压(不得大于 200V)，直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。启动风机，用放空阀来调节流量，在一定的流量下,稳定 510分钟后分别测量空气的流量、空气进出口温度、壁面温度。改变流量，待流量稳定后再分别测量空气的流量、空气进、出口温度、壁面温度后继续实验。实验完毕后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。B.使用计算机自动控制试验 启动计算机并按照操作说明进展操作；合上电
14、源总开关、加热电源开关，设定加热电压不得大于 200V,直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气；计算机数据采集 a.用放空阀调节流量，待操作稳定后，用计算机分别对空气流量、空气进出口温度、换热器水蒸气温度进展采集；b.改变空气流量，待操作稳定后，分别用计算机测量空气流量、空气进出口温度、水蒸气温度；c.用计算机对所得实验数据进展计算和整理，得出实验结果，并通过显示器显示或打印出来。六、实验考前须知 1.刚刚开场加热时，加热电压可在 180V左右，但不能过大；2.由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存，检查热电偶的冷端是否全部浸没在冰水混合物中；3
15、.检查蒸汽发生器中的水位是否在正常范围内，特别是每个实验完毕后，进展下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量；4.必须保证蒸汽上升管线的畅通。在给蒸汽发生器电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀要缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出；5.必须保证空气管线的畅通。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，然后开启和关闭控制阀；6.调节流量后，应至少稳定 510分钟后读取实验数据。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的值的通过对管程内部插有
16、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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .七、实验数据整理 1.将普通管实验数据填入表一。并以一组数据为例写出计
17、算过程；2.将粗糙管实验数据填入表二。并以一组数据为例写出计算过程；3.以 Re为横坐标，以 Nu/Pr0.4为纵坐标，将上述表中数据绘制在同一双对数坐标图中；4.对实验结果进展分析与讨论。表 1 普通管实验记录 1 2 3 4 5 6 7 传热管内径 di m 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 流通截面积 A,3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 孔板压差Kpa)0.15 0.48 0.91 1.47 1.98 2.49 2.95 空气入口温度ti1(26.2 32.3 34.7 36.8 38.9 40.8
18、42.4 空气出口温度ti2(75.1 73.9 73.1 72.2 72.3 72.4 72.6 壁面热电势 E(mv)4.15 4.13 4.12 4.12 4.12 4.11 4.10 表 2 普通管数据整理 1 2 3 4 5 6 7 壁面温度 Tw(98.9 98.4 98.2 98.2 97.9 97.7 97.4 平均温差 tm(43.8 41.9 41.4 41.2 40.0 38.9 37.3 管内平均温度tmi(50.6 53.1 53.9 54.5 55.6 56.6 57.5 (kg/m3)1.091 1.083 1.086 1.078 1.075 1.071 1.06
19、8 Cp 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平温度因为换热器内管为紫铜管其导热系数很大且管
20、壁很薄故认为内壁温度外壁温度和壁面平温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .Pr 0.698 0.697 0.697 0.697 0.697 0.697 0.696 *100 2.830 2.847 2.854 2.858 2.846 2.872 2.878 *100000 1.96 1.97 1.98 1.98 1.99 1.99 2.00 流通截面积A，*10-4 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 管内流量 Vi(m3/h)6.17 12.79 19.06 25.71 31.03 35.88 39.97 空气流速 u(m/
21、s)5.46 11.31 16.86 22.74 27.45 31.74 35.36 管内传热面积Si *10-2 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 传热量 Q(W)0.092 0.161 0.222 0.274 0.311 0.339 0.36 iW/m2 0.033 0.066 0.085 0.106 0.124 0.139 0.151 Re 6078.4 12435.3 18494.9 24761.3 29657 34164.4 37764.5 Nu 0.023 0.046 0.059 0.074 0.086 0.097 0.105 Nu/(Pr0.4
22、)0.026 0.053 0.068 0.085 0.099 0.112 0.121 表 3 强化管实验记录及数据整理 1 2 3 4 5 6 7 传热管内径 di,m 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 孔板压差Kpa)0.15 0.48 0.91 1.47 1.98 2.49 2.88 空气入口温度ti1(78.2 75.0 74.2 72.7 73.0 73.7 74.4 空气出口温度ti2(78.2 75.0 74.2 72.7 73.0 73.7 74.4 壁面热电势 E(mv)4.14 4.14 4.13 4.13 4.13 4.13
23、 4.13 表 4 强化管数据整理 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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管
24、外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .1 2 3 4 5 6 7 管内传热面积 Si,*10-2 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 6.28 管内平均温度tmi(54.65 53.65 54.15 54.55 55.95 57.45 58.75 (kg/m3)1.078 1.081 1.079 1.078 1.073 1.068 1.063 Cp 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 1.005 Pr 0.697 0.697 0.697 0.697 0.697 0.696 0.696 *100 2.858 2.851 2.
25、854 2.857 2.868 2.878 2.885 *100000 1.982 1.987 1.980 1.982 1.990 1.998 2.002 壁面温度 Tw(98.6 98.6 98.4 98.4 98.4 98.4 98.4 平均温差 tm(41.8 41.3 41.0 41.3 40.1 38.7 37.5 管内流量 Vi(m3/h)6.24 12.81 19.07 25.71 31.06 35.97 39.53 流通截面积 A,*10-4 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 3.14 空气流速 u(m/s)5.52 11.3 16.78 22.74
26、27.48 31.82 34.97 传热量 Q(W)0.088 0.165 0.230 0.281 0.317 0.348 0.367 iW/m2 0.034 0.064 0.089 0.108 0.126 0.143 0.156 Re 6004.6 12383.9 18386.6 24736.3 29634.2 34017.8 37135.9 Nu 0.024 0.048 0.062 0.076 0.088 0.099 0.108 Nu/Nu0 1.043 1.043 1.051 1.027 1.023 1.021 1.029 Nu/(Pr0.4)0.028 0.052 0.072 0.08
27、8 0.102 0.114 0.125 lnNu/(Pr0.4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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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
28、面平温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .8.59.09.510.010.5-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6-2.4-2.2-2.0 普通管 lnNu/(pr0.4)lnRe 曲线 由直线得出 k=0.8226 即 m=0.8226 代入式中算出 lnA=3.69*10-6 所以直线方程：lnNu/(Pr0.4)=3.69*10-6+0.8226lnRe lnRe 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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热
29、的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .强化管 lnNu/(pr0.4)lnRe 曲线 lnNu/(Pr0.4)8.59.09.510.010.5-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6-2.
30、4-2.2-2.0 lnRe 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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸
31、汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的.v .由直线得出 k=0.8104 即 m=0.8104 代入式中算出 lnA=3.37*10-6 所以直线方程：lnNu/(Pr0.4)=3.37*10-6+0.8104lnRe 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的值的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准数关联式中常数的值和强化比了解强化传热的根本理论和根本方式二实验内流速下强化套管换热器的对流传热系数数据进展线性回归求关联式中常数的值同一流量下按实验所得准数关联式求得计算传热强化比对的实验三实验原理一普通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对流传平温差所对数平温差由下式确定式中冷流体的入口出口温度壁面平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温度近似相等用来表示管外为蒸汽冷凝因此将壁面平温度近似视为蒸汽的