气-汽对流传热综合实验

气-汽对流传热综合实验一、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.确定强制对流传热准数关联式中常数；3.通过对强化套管换热器的实验研究，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理本实验采用套管换热器,以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。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。三、实验装置实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示。壁温采用热电偶温度计测量；3、旋涡气泵型号为XGB─2，由无锡市仪表二厂生产，图1螺旋线圈内部结构电机功率约0.75KW（使用三相电源），在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。图2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-液位管;；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-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）1.20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安四、实验方法及步骤1.实验前的准备，检查工作：⑴向储水罐中加水至液位计上端处。⑵检查空气流量旁路调节阀是否全开。⑶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。⑷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：（1）关闭通向强化套管的阀门5，打开通向光滑套管的阀门6，当光滑套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门12，打开阀门11。在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气冒出。（2）启动风机后用放空阀14来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别测量空气的流量，空气进、出口的温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量5～6组数据。（3）做完光滑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5，全部打开空气旁路阀14，关闭蒸汽支路阀6，打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11，进行强化管传热实验。实验方法同步骤（2）。（4）实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。3.注意事项（1）检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。（2）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。（3）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。（4）调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。（5）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。五、实验数据记录将实验过程中所得数据记录在表2中，然后将数据整理后，记录在表3中，并说明其中一组数据的计算过程，即计算示例。10012ttPAcV表1实验记录：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)t1(℃）进口温度t2(℃）出口温度tw(℃）壁温表1实验记录：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)t1(℃）进口温度t2(℃）出口温度tw(℃）壁温表1实验记录：光滑管No.123456流量（Kpa)1.55t1(℃）进口温度17.7t2(℃）出口温度51.7tw(℃）壁温99.3表1实验记录：强化管No.123456流量（Kpa)1.00t1(℃）进口温度24.7t2(℃）出口温度68.9tw(℃）壁温99.4表2数据整理：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)1.55t1(℃）17.7ρt1(Kg/m3)1.185t2(℃）51.7tw(℃）99.3tm(℃）34.7ρtm(kg/m3)1.141λtm(×10-2)2.71Cp(tm)1005μ1.88*510t2-t1(℃）34mt(℃）64.6Vt1(m3/h)9.35V(m3/h)9.90u(m/s)8.75Q(W)107α（W/m2℃）21.98Re10621Nu16.22Pr0.6970277.0/0200.040/iidNu290277.0/0200.040/iidNu29699.00277.01093.11005Pr5pC六、11273273ttVVmtm实验数据处理(一)光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的确定表2数据整理：光滑管（或强化管）No.123456流量（Kpa)1.00t1(℃）24.7ρt1(Kg/m3)1.405t2(℃）68.9tw(℃）99.4tm(℃）46.8ρtm(kg/m3)1.111λtm(×10-2)2.80Cp(tm)1005μ1.94*510t2-t1(℃）44.2mt(℃）52.6Vt1(m3/h)8.79V(m3/h)9.44u(m/s)8.35Q(W)129.41α（W/m2℃）32.65Re9564Nu23.32Pr0.696No.123456流量（Kpa)1.00t1(℃）进口温度24.7t2(℃）出口温度68.9tw(℃）壁温99.41.对流传热系数i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i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定imiiStQ（1）式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)；Qi—管内传热速率，W；Si—管内换热面积，m2；mt—内壁面与流体间的温差，℃。mt由下式确定：221ttttwm（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似相等，用tw来表示。管内换热面积：iiiLdS（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：)(12ttCpWQmmi（4）其中质量流量由下式求得：3600mmmVW（5）式中：mV—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；mCp—冷流体的定压比热，kJ/(kg·℃)；m—冷流体的密度，kg/m3。mCp和m可根据定性温度tm查得，221tttm为冷流体进出口平均温度。t1，t2，tw，mV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nmANuPrRe.（6）其中：iiidNu，mmimduRe，mmmCpPr物性数据m、mCp、m、m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Pr变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：4.0PrRemANu（7）这样通过实验确定不同流量下的Re与Nu，然后在lgNu~lgRe双对数坐标系中用线性回归方法确定A和m的值。3.空气流量的测量：10012ttPAcV（8）其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65A0-孔的面积m2d0-孔板孔径，d0=0.014mP-孔板两端压差，Kpa1t-空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m3。（9）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：11273273ttVVmtm（10）mV—传热管内平均体积流量，m3/h；mt—传热管内平均温度，℃。(二)强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定采用和光滑套管同样的处理数据方法，确定传热系数和准数关联式。为研究强化传热效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，其形式为：0NuNu，其中Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是光滑管的努塞尔准数，显然，强化比0NuNu＞1，而且它的值越大，强化效果越好。七、思考题1、比较强化管和光滑管的努塞尔准数（计算强化比），并说明强化管强化传热的原因。2总传热速率方程为，其中总传热系数K与空气对流传热系数、蒸汽对流传热系数和内管导热系数都有关（忽略污垢热阻），但在本实验中：。说明原因。3、管内空气流动速度增大时，α有何变化？说明原因。八、附录实验数据的计算过程举例：1、光滑套管数据处理孔板流量计压差计读数P=0.40KPa，空气进口温度1t＝20.7℃出口温度2t＝65.4℃，传热管壁面温度wt=99.7℃(1)传热管内径id及流通截面积iFid＝20.00(ｍｍ),＝0.0200(ｍ);4/2iidF＝3.142×(0.0200)2／4＝0.0003142（m2).(2)传热管有效长度L及传热面积iSL＝1.20ｍLdSii＝3.142×0.02×1.20＝0.07536(m2).(3)空气平均物性常数的确定先算出空气的定性温度mt，221tttm=43.5（℃）在此温度下空气物性数据如下：平均密度ρm＝1.21(kg/m3)；平均比热Cpm＝1005(J／Kg·k)；平均导热系数λm＝0.0277(Ｗ／ｍ·K)；平均粘度μm＝0.0000193(sPa)；⑷空气流过换热器内管时平均体积流量mV和平均流速的计算孔板流量计体积流量（空气入口的体积流量）：mtKAQiK10012ttPAcV=0.65*3.14*0.0142*3600/4*1100040.02t=9.27（m3/h）其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65A0-孔的面积m2d0-孔板孔径，d0=0.014mP-孔板两端压差，pa1t-空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m3。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，则传热管内平均体积流量为：7.202735.4327327.927327311ttVVmtm=10.00（m3/h）mV—传热管内平均体积流量，m3/h；mt—传热管内平均温度，℃。平均流速mu:)36000003142.0/(00.103600/FVumm=8.85（m/s）⑸壁面和冷流体间的平均温度差mt的计算:221ttttwm=99.7－43.5=56.65（℃）⑹传热速率3600)7.204