化工传热综合实验.docx

化工传热综合实验装置说明书化学与生物工程学院环境工程实训室2016. 11一、实验目的：1. 通过对空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数ai的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。2. 通过对管程内部插有螺旋线圈的空气一水蒸气强化套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数ai的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。3. 学会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。4. 由实验数据及关联式Nu=ARemPr0.4计算出NmNu。，求出强化比Nu/Nu。，加深理解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验内容：1. 测定5-6组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数ai。2. 测定5-6组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数ai。3. 对ai的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPro.4中常数A、m的数值。4. 通过关联式Nu=ARemPro.4计算出Nu、Nu。，并确定传热强化比Nu/Nu。三、实验原理：1. 普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定：(1)对流传热系数ai的测定：对流传热系数ai可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定。因为a i <<a o ,所以传热管内的对流传热系数a . K，K(W/m2"C)为热冷流体间的总传热系数， i且K = Q /(Al x s ) 所以：a 浇£ (1)i m ii At x S式中：ai-管内流体对流传热系数，W/(m2C)；Q管内传热速率，W； i§管内换热面积，m2；At 管内平均温度差，C。平均温度差由下式确定：At i = t - t(2)式中：tm 一冷流体的入口、出口平均温度，°c； tw一壁面平均温度，°c；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似相等，用tw来表示，由于管外使用蒸汽，所以tw 近似等于热流体的平均温度。管内换热面积：S.=兀d.L.(3)式中：4内管管内径，m；七一传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：Q_ - W.cpi(ti2 _匕1)(4)其中质量流量由下式求得：W = ViP i(5)i 3600式中：七一冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；"一冷流体的定压比热，kJ / (kg°C)；Pj一冷流体的密度，kg /m3。c和P可根据定性温度t查得，t = 'n + L2为冷流体进出口平均温度。t，t， piimm2i1 i2tw，*可采取一定的测量手段得到。(2)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)Nu = A Re m Pr其中：Nu =%£，Re =当史i 入i 日物性数据% 管内被加热的空气C 四Pr.=<-i经过计算可知，对于c、P、u可根据定性温度t查得。pi i im普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为:(7)Nu = A Re m Pr o.4这样通过实验确定不同流量下Rei与Nut，然后用线性回归方法确定A和m的值。2. 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定:强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重 量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较 低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能 源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了多种强化方式，具体见下表。其中螺旋线圈的结构图如图一所示，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，即卜 r可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一火叩T火面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周救Fj1期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可魅宓枭了 Ji以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很 图一螺旋线圈强化管内部结构细，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的比值以及管壁粗糙度（2d/h）为主要技术参数，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Nu A Re m的经验公式，其中A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Rex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：Nu/Nu0，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NuNu0 >1，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，则必须考虑 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，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置的基本情况：1. 实验装置流程示意图（如图二所示）：ID21图二传热综合实验装置流程图1-光滑管空气进口阀；2-光滑管空气进口温度；3-光滑管蒸汽出口； 4-光滑套管 换热器；5-光滑管空气出口温度；6-强化管空气进口阀；7-强化管空气进口温度; 8-强化管蒸汽出口； 9-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；10-光滑套管蒸汽进 口阀；12-孔板流量计；13-强化套管蒸汽进口阀；14-空气旁路调节阀；15-旋涡 气泵；16-储水罐17-液位计；18-蒸汽发生器；19-排水阀；20-散热器；其中2, 5，7，11，12为测试点2. 实验设备主要技术参数（如表一所示）：表一实验装置结构参数实验内管内径门（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Dj（mm）50实验外管外径D°（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度L （m）1.20强化内管内插物丝径h (mm)1（螺旋线圈）尺寸节距H （mm）40孔板流量计孔流系数及孔径c0=0.65、d0 =0.017 m旋涡气泵XGB12 型加热釜操作电压<200 伏操作电流W10安3. 实验装置面板图（如图三所示）：】-光滑曾空入口沮度g） 卜光滑管空气出口温度CTC） 3强化管盈气入I 期 也） 4-强化管空气出11温度e）3孚-3上-光滑管堡面温废g下十翳化管壁而温换（T?）孔板Zk差（KPa）址热电压（WO O O O出电廊昆机加翅图三传热过程综合实验面板图五、实验操作步骤：1. 实验前的检查准备 向水箱16中加水至液位计上端。 检查空气流量旁路调节阀14是否全开（应全开）。 检查蒸气管支路各控制阀10、13和空气支路控制阀1、6是否已打开（应 保证有一路是开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。 合上电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。加热系统 处于完好状态。2. 开始实验 合上电源总开关。打开加热开关，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蒸汽放空口 3或8处有水蒸气冒 出，经过风冷散热器20将水蒸气冷凝下来，并流回到水箱17中循环使用。加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的凶键，在仪表的SV显示窗中 右下方出现一闪烁的小点，每按一照键，小点便向左移动一位，小点在哪个位 子上就可以利用、键调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键 的情况下30秒后仪表自动确认，并按所设定的数值应用。 合上面板上风机开关启动风机并用旁路调节阀14来调节空气的流量，在 一定的流量下稳定35分钟后分别测量空气的流量，空气进、出口的温度，由温 度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-粗糙管空气 入口温度；4-粗糙管空气出口温度），换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（上- 光滑管壁面温度；下-粗糙管壁面温度）测得。然后,在改变流量稳定后分别测量 空气的流量，空气进，出口的温度，壁面温度后继续实验。 实验结束后，依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。六、实验注意事项：1. 实验前将加热器内的水要加到指定位置，防止电热器干烧损坏电器。特别 是每次实验结束后，进行下次实验之前，一定检查水位，及时补充。2. 计算机数据采集和过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算 机.采集数据和控制过程中要注意观察实验现象。3. 开始加热时，加热电压控制在（160V）左右为宜。4. 加热约十分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度七（。0 比较稳定，可节省实验时间。5. 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 控制阀之一必须全开。转换支路时，应先开启需要的支路阀门，再关闭另一侧阀 门，且开启和关闭控制阀门时动作要缓慢，防止管线骤然截断使蒸汽压力过大而 突然喷出。6. 保证空气管线畅通，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。转换支路时，应先关闭风机电源然后再开启或关闭控制阀。7. 注意电源线的相线、零线、地线不能接错。七、实验数据记录及数据处理过程举例：1.实验数据的计算过程简介(以光滑管第一组数据为例)。孔板流量计压差 p =0.9Kpa壁面温度Tw =99.4°C进口温度t=14.4C 出口温度t2 =63.5C 传热管内径4 (mm)及流通断面积F(m2):di=20.0(mm),=0.0200 (m);F= n (di2) / 4 = 3.142X (0.0200)2 / 4 = 0.0003142( m2).传热管有效长度L(m)及传热面积si(m2)：L=1.200 (m)s=nL q = 3.142X1.200X0.0200 = 0.075394(m2). 传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t (C)为简化计算，取t值为空气进口温度t1(C) 及出口温度t2(C)的平均值：即t = htL = 14.4 + 63.5 =38.95 (C) m 22据此查得：测量段上空气的平均密度P=1.23 (Kg/m3)；测量段上空气的平均比热Cp=1005 (J/Kg-K)；测量段上空气的平均导热系数入=0.0274 (W/mK)；测量段上空气的平均粘度U=1.91X( Pa - s )； 传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为：Pr0.4=0.86 空气流过测量段上平均体积V ( m3/h )的计算:孔板流量计体积流量:2 xAPV = c x A x ' P ti二0.65*3.14*0.0172*3600/4* 2 x 0.9 x 10001.23= 13.97 (m3/h)传热管内平均体积流量V : mk =SM = 13.97X 273 + 38.95 二林() mti 273 +1273 +14.4平均流速u : u = V /(F x3600)= 15.16/(0.0003142 x3600) =13.4 (m/s) 冷热流体间的平均温度差Atm (°C)的计算：测得tw= 99.4(°C)At = t «)+ «)= 99.4-38.95 = 60.45(C)其他项计算:传热速率(w) Q =xpx Cp_ x At) t360015.16 X1.14 X1005 x (63.5-14.4)二237 (W)3600a . = Q/(At xs )= 237/(60.45x0.07539) = 52(W/皿C)传热准数 Nu 二以 x d / X= 52 x 0.0200/0.0274 二 38测量段上空气的平均流速：u = 12.98 (m/s)雷诺准数 Re = d x u xp / r = 0.0200 x 12.98 x 1.14/0.0000191 =15571 作图、回归得到准数关联式Nu = A Re m Pr 0.4中的系数。Nu = 0.0185Re0-8022 Pr0-4重复步骤(1) - (8)，处理强化管的实验数据。作图回归得到准数关联式Nu = BRem中的系数。Nu = O.0309 Re°-7884 Pr°-4表二、实验装置1数据记录及整理表(普通管换热器)No.1234567流量(Kpa)t1(C)P t1(Kg/m3)t2(C)Tw(C)tm (C)P tm(kg/m3)入 tmX100Cp tmU tmX100000 t(°C)A tm(C)Vt1(m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)a , (W/m2. C)1 ReNuNu/(Pr0.4)表三、实验装置1数据记录及整理表（强化管换热器）No.1234567流量（Kpa）t1(C)P t1 (Kg/m3)t,(C)Tw(C)tm (C)P tm(kg/m3)入 tmX100Cp tmU tmX100000At(C)A tm(C)Vt1 (m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)a .(W/m2. C)1 ReNuNu/(Pr0.4)i rifun -vO1-乙IL*考丑E昼ftttty = tLQ 耕"*1Q0 -y - i：i 01：Ks- J-JU1QWirom 队图四传热实验装置实验准数关联图表四、实验装置2数据记录及整理表（普通管换热器）No.1234567流量（Kpa）t(C)P t1(Kg/m3)t2(C)Tw(C)tm (C)P tm(kg/m3)入 tmX 100Cp tmU tmX 100000 t(C)A tm(C)Vt1 (m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)a.(W/mz C) iReNuNu/(Pr0.4)表五、实验装置2数据记录及整理表（强化管换热器）No.1234567流量（Kpa）t(C)P t1 (Kg/m3)t2(C)Tw(C)tm (C)P tm(kg/m3)入 tmX 100Cp tmU tmX100000 t(C)A tm(C)Vt1 (m3/h)V(m3/h)u(m/s)qc(W)a.(W/mz C) iReNuNu/(Pr0.4)图五传热实验装置实验准数关联图