CB-3热力学实验报告

CB-3传热系数测定实验报告一、实验目的1.了解套管换热器的结构，了解强化传热的方法。2.了解热电阻温度计的使用方法。3．分别测定空气～水蒸汽在普通套管换热器与强化套管换热器内做强制对流时的总传热系数K计传热膜系数αi，并把测定的数据整理成准数方程式。4．在同一流量下对普通套管换热器与强化套管换热器传热系数的测定并求得传热强化比Nu/Nu0。二、实验原理1.对流传热系数αi的测定在套管换热器中，环隙通以水蒸汽，内管管内通以空气，水蒸汽冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定后，有如下热量衡算关系式（忽略热损失）：mWiimiipttStSKttCVQ12由此可得总传热系数miPitSttCVK)(12空气在管内的对流传热系数（传热膜系数）mwiPittSttCV)()(12上式中Q：传热速率，w；V：空气体积流量（以进口状态计），m3/s；ρ：空气密度（以进口状态计），kg/m3；CP：空气平均比热，J/(kg·℃)；Ki：以内管内表面积计的总传热系数，W/(m2·℃)；αi：空气对内管内壁的对流传热系数，W/(m2·℃)；t1、t2：空气进、出口温度，℃；Si：内管内壁传热面积，m2；Δtm：水蒸气与空气间的对数平均温度差，℃；2121ln)()(tTtTtTtTtmzT：蒸汽温度（取进、出口温度相同），℃。(tw－t)m：空气与内管内壁间的对数平均温度差，℃；22112211ln)()()(tttttttttttw1、tw2：内管内壁上进、出口温度，℃。当内管材料导热性能很好，且管壁很薄时，可认为内管内外壁温度相同，即测得的外壁温度视为内壁温度。流体在圆形直管内作强制湍流（流体流动的雷诺数Re＞10000）时，对流传热系数αi与雷诺数Re的关系可近似写成niARe式中A和n为常数。两边取对数得：RelnlnlnnAi根据原始实验数据计算出不同雷诺数Re（要求Re＞10000）下的对流传热系数i，以Reln为横坐标，iln为纵坐标，作图得一直线，其斜率即为n。2.对流传热准数关联式流体在管内作强制湍流，被加热状态，n取0.4，准数关联式的形式为：（2-42）其中：努塞尔准数雷诺准数Re=普兰特准数物理数据、、、可根据定性温度查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数变化不大，可视为常数，则关联式的形式简化为：Nu=ARemPr0.4（2-43）在双对数坐标纸上画出Re～的关联图，并整理成准数方程。3.强化套管换热器及强化比强化传热能减少传热面积和换热器的体积和重量；提高换热器的换热能力；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。强化传热有多种方式，本实验装置采用在换热器内管插入螺线圈的方式达到强化传热的目的。强化套管换热器内插螺旋线圈的结构如图2—39所示。螺旋线圈内径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构成的强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用发生旋转，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。由于螺旋金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋圈是以线圈节距H与管内径d的比值以及管壁粗糙度为主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。若不考虑阻力的影响，可用强化比作为评价指标，即Nu/Nu0，其中：Nu是强化管的努塞尔准数，Nu0是普通管的塞努尔准数，其比值越大，强化效果越好。由于阻力系数随换热系数的增加而增大，从而导致换热性能的降低和能耗的增加。强化比大，阻力系数小的强化方式才是最佳的强化方式。3．实验装置简介图2—39螺旋线圈强化管内部结构（1）流程简介来自蒸汽发生器的水蒸汽进入套管换热器，与来自风机的空气进行热交换，冷凝蒸汽经管道排入水盆冷却成水。冷空气经转子流量计进入套管换热器内管，热交换后放空。CB-3热力学实验流程图注：TT101-TT107为热电阻测量点，它们风别在配电柜面板上显示，学生可参照仪表下的小标牌进行数据记录(2)实验设备与参数1.套管换热器:换热紫铜管直径φ22×1.5mm，长度L=1200mm2.电加热器总功率：9Kw3、风机允许工作温度：≤80℃最大流量：50m³/h电机电压：380V电机功率：0.55Kw4、蒸汽发生器最大容积25L，四、实验步骤（1）检查仪表、风机、测温点是否正常，打开总电源开关，（2）打开球阀Q107、Q103、微开蒸汽出口阀J102向蒸汽发生器中注水1/2~2/3为止，然后关闭Q107,打开预热器开关，然后在蒸汽温控仪表上输入指定的蒸汽出口温度（不超过105℃），温度设置过程中必须由老师监督完成，考虑到实验的安全性，建议蒸汽温度调整到略高于100°，蒸汽加热温控采用脉冲控制，即温度低于设定值，继电器通电加热，温度高于设定值，继电器断电停止加热，蒸汽发生器压力越高，蒸汽温度越高，实验过程中只要微微开启J102，让整个蒸汽系统形成一个通路，即可防止蒸汽发生器压力升高。（3）等蒸汽温度和压力稳定后，启动风机，全开风量调节阀J101，打开普通套管空气出口阀Q104，等空气出口温度稳定后，记录实验所需的温度值，根据测试要求，由大到小调节空气流量手动调节阀J101的开度，建议每次调节流量在3-5m³/h之间，合理确定6~10个实验点，待稳定后从控制面板上读取实验所需数据。（4）普通套管测完可根据（3）中相同的方法，切换空气出口阀和蒸汽进口阀对强化套管进行实验，操作方法如下，开启Q101、Q102，关闭Q103、Q104，操作中一定要遵循先开后关的原则。（5）实验结束，关闭风机、预热器后再关闭总电和仪表开关，放尽实验系统中的水。注意事项1.实验之前必须做好预习工作，加深对设备的了解，为了防止实验误操作，老师可以通过提问的方式，让学生明白实验的整个操作流程，防止实验实验事故的发生。2.为防止蒸汽大量外泄，蒸汽出口阀J102一定要调节至适当位置，一般为1/4圈，以伸入水盆的蒸汽排出管刚好有气泡冒出为止。3.实验过程中蒸汽温控调节需在老师监督下完成，防止学生误操作，不可超过110℃，安全操作温度为100-105℃。4.实验过程中，蒸汽发生器液位显示管可能有气泡产生，对液位的显示造成影响，解决方法是用手指轻弹液位显示管，至没有气泡，液位显示正常位置，以避免实验时误以为蒸汽发生器缺水。5.实验过程中由于风机长时间运转会导致风机出口温度上升至40°左右，所以请同学们注意。6.实验过程中由于阀门的切换不当，或者误操作，会造成实验数据的不准确，或者实验事故的发生，所以实验之前必须做好预习工作，做到对设备各部分充分了解方可实验。五、实验数据记录及处理实验日期：实验人员：学号：装置号：紫铜管尺寸规格：Φ22*1.5mm长度：1200mmCB-3给热系数实验记录表格强化套管序号蒸汽压力蒸汽温度T(℃)空气流量空气入空气出壁温入壁温出空气密度总传热系数K1kPaV(m3/h)t1(℃)t2(℃)tW1(℃)tW2(℃)㎏/m³w/m2*℃1234567普通套管序号蒸汽压力蒸汽温度T(℃)空气流量空气入空气出壁温入壁温出空气密度总传热系数K2kPaV(m3/h)t1(℃)t2(℃)tW1(℃)tW2(℃)㎏/m³w/m2*℃1234567六、实验注意事项（1）算出空气－水蒸汽在套管换热器中的总传热系数及空气在圆形直管内强制对流时的传热膜系数，给出计算示例。（2）按管内强制湍流（Re＞10000）时传热膜系数的模型式niARe，利用直线图解法或最小二乘法求出常数n。七、思考题（1）实验中空气和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?（2）蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？（3）实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？（4）实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是空气侧温度？为什么？