传热实验教案

教案一、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.应用线性回归分析方法，确定关联式4.0PrRemANu中常数A、m的值；二、实验原理本实验装置是光滑套管换热器，以空气和水蒸汽为传热介质。本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的，以空气和水蒸汽为传热介质。⒈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）教案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。⒉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，然后用线性回归方法确定A和m的值。三、实验流程和设备主要技术数据⒈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）1.20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安教案⒉实验流程如图2所示⒊实验的测量手段⑴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，℃。图1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-光华套管换热器；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-旋涡气泵加水口；教案⑵温度的测量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（1—光滑管空气进口温度；2—光滑管空气出口温度；3—强化管空气进口温度；4—强化管空气出口温度；）。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。⑶电加热釜蒸汽发生器的使用体积为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），刚开始实验时用低电压（130伏左右），加热10分钟后可以相应的加高电压(150伏—180伏)，约15分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由仪表调节电压)。⑷气源(鼓风机)又称旋涡气泵，XGB─2型，由无锡市仪表二厂生产，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。四、实验方法及步骤⒈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.实验步骤⑴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。⑵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。⑶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⑵。⒊实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。五、注意事项⒈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。教案⒉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。⒊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。⒋调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。⒌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、附录⒈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P=0.62KPa，空气进口温度1t＝18℃出口温度2t＝62.9℃，传热管壁面温度wt=99.5℃(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=40.45（℃）在此温度下空气物性数据如下：平均密度ρm＝1.14(kg/m3)；平均比热Cpm＝1005(J／Kg·k)；平均导热系数λm＝0.0275(Ｗ／ｍ·K)；平均粘度μm＝0.0000191(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：10012ttPAcV=0.65*3.14*0.0142*3600/4*21.1100062.02=11.5（m3/h）传热管内平均体积流量mV:1827345.4027353.1127327311ttVVmtm=12.31（m3/h）平均流速mu:)36000003142.0/(31.123600/FVumm=10.88（m/s）⑸壁面和冷流体间的平均温度差mt的计算:221ttttwm=99.5－40.45=59.05（℃）⑹传热速率3600)189.62(100514.131.123600)(12ttCpVQmmm176（W）⑺管内传热系数)07536.005.59/(176/imiStQ39（W/m2·℃）⑻各准数0275.0/0200.039/iidNu290000191.0/14.188.100200.0/Remmmiud=12946698.00275.01091.11005Pr5pC其它组数据处理方法同上，数据结果见表2。⑼求关联式4.0PrRemANu中的常数项以4.0PrNu为纵坐标，Re为横坐标，在对数坐标系上标绘4.0PrNu～Re关系，见图3中直线Ⅱ。由图线回归出如下结果：y=0.0322x0.7331即4.073317.0PrRe0322.0Nu⑽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。⑾第一套套管换热器实验准数关联图见图3套管换热器实验准数关联图y=0.0303x0.7902y=0.0322x0.7331101001000100010000100000ReNu/Pr^0.4普通管强化管乘幂(普通管)图34.0PrNu～Re关系曲线附:数据记录表：表1光滑套管换热器原始数据记录表数据整理表（1）（普通）装置编号：普通管No.123456流量（kPa)t1(℃）t2(℃）Tw(℃）ρt1(Kg/m3)tm(℃）ρm(kg/m3)λm×100Cpmμm×10000△tm(℃)Vt1(m3/h)Vm(m3/h)um(m/s)Q(W)αi（W/m2·℃ReNuNu/(Pr0.4)