化工传热综合实验1

化工传热综合实验

一、实验目的：

1.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。 2.通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，应用线性回归分析方法，确定其准数关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

3.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，测定关联式Nu=BRem Pr0.4中常数B、m的值。

4. 测定强化比Nu/Nu0，了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个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

2. 测定5—6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。

3.同一流量下，按实验所得准数关联式求得Nu、Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。 三、实验原理：

1.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i<<o ,所以传热管内的对流传热系数iK，K（W/m2·℃）为热冷流体间的总传热系数，且Ki/tmsi，所以： ii （1）

tmSi式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)； Φi—管内传热速率，W；

Si—管内换热面积，m2； tm—管内平均温差，℃。

平均温度差由下式确定： tmtwtm （2）

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式中：tm—冷流体的入口、出口平均温度，℃；

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： SidiLi （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： iWicpi(ti2ti1) （4） 其中质量流量由下式求得： WiVii （5） 3600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·℃)； ρi—冷流体的密度，kg /m3。 cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tmti1ti2为冷流体进出口平均温度。ti1，2ti2， 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

NuiARei其中： NuimnPri （6）

cudidi Reiiii Pripii iii物性数据λi、cpi、ρi、μi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Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

0.4 NuiAReiPr （7） im这样通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m值。

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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，本实验装置是采用了实验导管内部添加螺旋线圈的强化方式。

其中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

图1 螺旋线圈强化管内部结构

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。 其他强化方式请参见相关文献！

科学家通过实验研究总结了形式为NuBRem Pr0.4的经验公式，其中B和

m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，采用实验1中的实验方法确定不同流量下的Rei与Nui，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：NuNu0，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、实验装置及设备参数

1.实验设备流程示意图见图-2

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图-2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

1- 液位计；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；6- 光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热 器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀； 12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵 ； 16-蒸汽冷凝器 实验装置流程简介：

如图-2所示，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。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5Kw U型电加热器，用200伏电压加热（可由仪表调节）。气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。

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。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。 2．实验设备主要技术参数

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表1 实验设备主要技术参数

实验内管内径di（mm） 实验内管外径do（mm） 实验外管内径Di（mm） 实验外管外径Do（mm） 测量段（紫铜内管）长度l（m） 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 加热釜

（1）空气流量计:

①由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式(1)计算。

Vt1c0A0丝径h（mm） 节距H（mm） 操作电压 操作电流 20.00 22.0 50 57.0 1.20 3 40 ≤200伏 ≤10安 2Pt1 （1）

其中：c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65； A0-孔的面积， m2 A0=

 d02 4d0-孔板孔径， d0 =0.0165 m ； P-孔板两端压差，Kpa；

t1-空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m3。 ②实验条件下的空气流量V (m3/h)需按下式换算: VVt1273t （2）

273t1其中，V -实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h；

t -换热器管内平均温度，℃；

t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。 （2）温度测量:

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①空气进、出传热管测量段的温度t ( ℃ )均由Pt100铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

②管外壁面平均温度tw( ℃ )由数字温度计测出,（热电偶为铜─康铜)。 （3）蒸汽发生器：

是产生水蒸汽的装置,使用体积为5升,•内装有一支2.5kw的电热器,用165伏电压加热约15分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热电压不超过200伏(由加热电压表调节)。旁边配有方型水箱，为连续向蒸汽发生器给水用，每次实验前先检查水箱中液位，水箱中水不可低于水箱高度的四分之三，否则容易导致加热器干烧。

（4）气源(鼓风机): 旋涡气泵XGB─12型。

（5）稳定时间:是指在外管内充满饱和蒸汽,空气流量调节好后,过3--5分钟,空气进出口的温度可基本稳定。这段时间称为稳定时间。 3.实验装置面板图：

图3 仪表面板示意图

五、实验方法及步骤： 1.实验前的检查准备

(1)向水箱中加水至液位计上端。

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(2)检查空气流量旁路调节阀14是否全开(应全开)。

(3)检查蒸气管支路各控制阀5（6）和空气支路控制阀12（11）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。

(4)合上总电源开关，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。 2. 实验操作

①打开加热开关,仪器按设定好的加热电压自动控制加热电压,蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸气,并经过空气冷却器冷凝后冷凝液回到储水槽中。

加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的键，在仪表的SV 显示窗中右下方出现一闪烁的小点，每按一次键，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。

②换热器壁温上升并稳定后，打开旁路调节阀14后启动风机（一般开到最大），用旁路调节阀14来调节空气的流量并在一定的流量下稳定3—5分钟后分别测量空气的流量,空气进、出口的温度和管壁温度，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-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度）,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-强化管壁面温度）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。

③实验结束后,依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。 六.实验数据记录 No. 普流量计压差（Kpa) 通T1(℃） 管换T2(℃） 热器 Tw(℃） 强流量计压差（Kpa) 化T1(℃） 管换T2(℃） 热器 Tw(℃）

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1 2 3 4 5 6 7

七.数据处理： 1.实验数据处理

实验数据计算过程 (以一组数据为例)。 实验数据计算过程示例。

孔板流量计压差P=0.54Kpa、壁面温度tw=100.8℃。 进口温度t1 =22.9℃、 出口温度 t2 =69.5℃ 已知数据及有关常数: (1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2)： di＝20.0(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);

F＝π(di2)／4＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142( m2). (2)传热管有效长度 L(ｍ)及传热面积si(m2)： L＝1.200（ｍ) si＝πL di＝3.142×1.200×0.0200＝0.075394(m2). (3) t1 ( ℃ )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度t，

1例如：t1=22.9℃，查得

t=1.12 Kg/m3。

1(4)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 (℃)为简化计算,取t值为空气进口温度t1(℃)及出口温度t2(℃)的平均值：

即tmt1t222.969.5=46.2（℃） 22 据此查得: 测量段上空气的平均密度 ρ＝1.12 (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 λ＝0.0279（W／ｍ·K)； 测量段上空气的平均粘度 μ＝0.0000194(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＝0.6960.4＝0.865 (5)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：

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Vt1c0A02Pt1

20.5410001.12=0.65*3.14*0.01652*3600/4*=15.02（m3/h）

传热管内平均体积流量Vm: VmVt1平均流速um:

273t27346.215.02=16.2（m3/h）

273t127322.916.2/(0.0003142umVm/F36003600)=14.32（m/s）

(6)冷热流体间的平均温度差Δtm (℃)的计算: tw= 100.9(℃)

tmtw(7)其余计算: 传热速率(W)

t1t2100.846.254.62（℃）

VQmtCptt3600

16.21.121005(69.522.9)236（W）

3600 iQ236/(54.60.07539)57 （W/m2·℃）

tmSi传热准数 Nuidi/570.0200/0.027941

测量段上空气的平均流速：um雷诺准数 Re

14.32（m/s）

0.020014.321.12 =1.6518×104

0.0000194diu（8）作图、回归得到准数关联式NuARemPr0.4中的系数。

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Nu0.0221Re0.7911Pr0.4

（9）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 Pr0.4中的系数。

Nu0.0153Re0.8662Pr0.4

2.作图、回归得到准数关联式NuARemPr0.4中的系数。 作图、回归得到准数关联式NuBRem Pr0.4中的系数。 3. 数据结果整理

数 据 整 理 表 （普通管换热器） No. 流量（Kpa) T1(℃） ρT1(Kg/m^3) T2(℃） Tw(℃） at(℃） ρat(kg/m^3) λat*100 Cp at μat*100000 dt(℃） dat(℃） Vt1(m^3/h) V(m^3/h) u(m/s) qc(W) αi(w/m2·℃) 1 2 3 4 5 6 7 10

Re Nu Nu/(Pr^0.4) 数 据 整 理 表 （强化管换热器） No. 流量（Kpa) T1(℃） ρT1(Kg/m^3) T2(℃） Tw(℃） at(℃） ρat(kg/m^3) λat*100 Cp at μat*100000 dt(℃） dat(℃） Vt1(m^3/h) V(m^3/h) u(m/s) qc(W) αi(w/m2·℃) Re Nu Nu/(Pr^0.4)

1 2 3 4 5 6 7 11