实验四、换热

实验五换热器传热系数的测定实验（气——汽对流传热）一、实验目的1、通过对本换热器的实验研究，掌握对流传热系数αi测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。2、通过实验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。3、通过对管程内部插有螺旋线圈的空气—水蒸汽强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式NU=BRemPr0.4中常数B、m的值和强化比NU／NU0。4、了解强化传热的基本理论和基本方式。5、掌握换热器的操作方法。二、实验内容1、测定5~6个不同空气流速下普通套管换热器的对流传热系数αi。2、应用线性回归的方法，求普通套管换热器准数关联式NU=ARemPr0.4中常数A、m的值。3、测定5~6个不同空气流速下强化套管换热器的对流传热系数αi。4、应用线性回归的方法，求强化套管换热器准数关联式中NU=BRemPr0.4常数B、m的值。5、同一流量下，根据所得准数关联式NU=ARemPr0.4求NU0,计算传热强化Nu／Nu0。6、在同一流量下分别求取普通套管换热器、强化套管换热器的总传热系数K0。三、实验原理1、对流传热系数i的测定：imiiStQ（4-1）式中：i—管内流体对流传热系数，w/（m2·℃）;Qi—管内传热速率，w；Si—管内传热面积，m2；Δtm—管内流体空气与管内壁面的平均温度差，℃；传热速率：3600tCpVQatati（4-2）式中：V—空气流过测量段上平均体积，m3/h；ρat—测量段上空气的平均密度，kg/m3；Cpat—测量段上空气的平均比热，J/(kg•K)；Δt—传热管出口温度与空气进口温度之差，℃；mt—内壁面与流体间的温差，℃。mt由下式确定：△tm=2121ln)()(tTtTtTtTSSWW当2△t1/△t20.5时，可简化为221ttTtwm式中：t1，t2—冷流体（空气）的入口、出口温度，℃；Tw—壁面平均温度，℃；2、对流传热系数准数关联式的实验确定：流体在管内作强制对流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为：Nui=AReimPrin其中，传热准数：Nui=iiid，雷诺准数：iiiiiudRe,普朗特准数：Pri=iiipc测量段上空气的平均流速：/(3600)uVF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,普朗特准数Pri变化不大,可以认为是常数，关联式可简化为Nu=ARemPr0.4。通过实验确定不同流量下的Rei与Nui。3、求关联式Nu=ARemPr0.4中的常数项以Nu/Pr0.4为纵坐标,Re为横坐标,在对数坐标系上标绘4.0PrNu～Re关系，作图、回归得到准数关联式Nu0=ARemPr0.4中的常数。处理强化管的实验数据，以Nu/Pr0.4为纵坐标，Re为横坐标,在对数坐标系上标绘Nu/Pr0.4～Re关系，作图回归得到准数关联式Nu=BRenPr0.4中的常数。4、强化比的确定:将强化套管换热器求得的Re、Pr数值分别带入普通管和强化管换热器所得的准数关联式中，可以得到Nu及Nu0,强化比=Nu/Nu0。5、换热器总传热系数K0的确定实验中若忽略换热器的热损失，在稳态传热过程中，空气升温获得的热量与对流传递的热量及换热器的总传热量均相等，则以外表面为基准的总传热系数m0i0tQSKS0——传热管外表面传热面积(m2)因为本实验中αiα0，故传热管内的对流传热系数αi≈热冷流体间的总传热系数K。四、实验装置：如下图旋涡气泵冷流体入口测温点旁路调节阀孔板流量计加水口放水口蒸汽发生器液位计冷凝回流口蒸汽上升主管路空气支路控制阀空气支路控制阀普通套管换热器内装有螺旋线圈的强化套管换热器蒸汽放空口传热管系数实验装置结构参数：实验内管内径d1(mm)20.00实验内管外径d2(mm)22.0实验外管内径D2(mm)50实验外管外径D2(mm)57.0测量段(紫铜内管)长度L(m)第一套1.00第二套1.20强化内管内插物(螺旋线圈)尺寸丝径h(mm)1截距H(mm)40加热釜操作电压≤200伏操作电流≤10安1、温度测量(1)空气入口温度t1、空气出口温度t2，由电阻温度计测量，由数字显示仪表直接读出。第一套：切换开关挡位分别对应的测温点是：0——普通管空气入口温度、1——普通管气-气传热综合测定实验装置流程图空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度、4——釜温。第二套：数字显示仪表显示的温度分别是：0——普通管空气入口温度、1——普通管空气出口温度、2——强化管空气入口温度、3——强化管空气出口温度。(2)壁面（外管内壁）平均温度Tw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表示。第一套：由数字毫伏计测出与其对应的热电势E(mv，热电偶是由铜----康铜组成)，由公式Tw=8.5+21.26×E(mv)计算得到。切换开关挡位分别对应的测温点是：0——普通管壁面热电势、1——强化管壁面热电势。第二套：由数字显示仪表直接读取。上——普通管壁面温度，下——强化管壁面温度。2、空气流量测定V（m3/h）V=Vt1×1273273ttm(m3∕h)式中Vt1—空气入口温度（即流量计处温度）下的体积流量，m3/h；tm—测量段上空气的定性温度（即tm=221tt），℃；t1,t2——分别为空气的进口温度及出口温度，℃；Vt1的计算：第一套：t100t1P2ACV*3600ΔP—孔板两端压差，pa；ρt1—空气入口温度（即流量计处温度）下的密度，kg/m3。C0—孔板流量计孔流系数，C0=0.65A0—孔的面积，m2；d0—孔板孔径，d0=0.017m；第二套：202732731201tVVt式中:V20—20℃时体积流量,m3/hV20=13.909×(△P)0.648ΔP—孔板两端压差，kpa；3、电加热釜是生产水蒸气的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红外线)，内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，为了安全和长久使用，建议最高加热电压不超过200伏。4、气源(鼓风机)又称旋涡气泵，XGB—2型，电机功率约0.75kw，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，5、稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽，在排出口有适量的不凝汽(气)体排出，空气流量调节好后，过15分钟，空气出口的温度可基本稳定。五、实验步骤1．实验前的准备、检查工作(1)第一套向电加热釜加水至液位计上端红线处。第二套:向储水罐中加水至液位计上端处(2)（第一套）向冰水保温瓶加入适量的冰水。(3)检查空气流量旁路调节阀是否全开。(4)检查普通管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。(5)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)一段时间后水沸腾，水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。(2)约加热10分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气人口温度t1比较稳定。(3)调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的流量值(当旁路阀全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值)。(4)稳定5—8分钟左右可转动各仪表选择开关读数t1、t2、E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)。(5)重复(3)与(4)共做5~6个空气流量值。(6)最小，最大流量值一定要做。(7)整个实验过程中，加热电压可以保持不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。3．转换支路，重复步骤(2)的内容，进行强化套管换热器的实验，测定5~6组实验数据。4．实验结束(1)关闭加热器开关。(2)过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。(3)切断总电源。(4)若需几天后再做实验，则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。六、注意事项1、第一套由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存；检查热电偶的冷端，是否全部没在冰水混和物中。2、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，进行下一个实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。3、必须保证蒸汽上升管线的畅通。既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。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。4、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，然后开启和关闭控制阀。5、电源线的相线，中线不能接错，实验桌铁架一定要接地。7、调节流量后，应稳定3~8分钟后读取实验数据。七、实验数据处理表一、普通管实验数据处理表设备编号：1#传热管内径d1=20mm外径d2=22mm传热管长度：L=1.00m内传热面积S1=0.06284（m2）外传热面积S2=0.06912（m2）孔板流量计：Co=0.65do=0.017mAo=0.0002m2NO.12345678910孔板流量计压差(KPa)1.392.022.523.274.054.87t1(℃)26.3027.6030.0032.9035.6038.40t2(℃)63.1062.9063.6064.4065.4066.40Tw(mv)4.244.244.234.234.234.23Tw(℃)98.6498.6498.4398.4398.4398.43ρt1(Kg/m3)1.181.181.171.161.151.14tm(℃)44.745.2546.848.6550.552.4ρm(Kg/m3)1.121.121.121.111.101.10λm（W/m.k)0.02780.02780.02800.02810.02820.0284Cpm(J/Kg.k)100910091009100910091009μm×1000001.941.941.951.951.961.97Δtm(℃)51.7851.3949.7548.0746.3444.57V20(m3/h)Vt1(m3/h)25.7331.0734.8239.8344.5048.99Vm(m3/h)27.3132.9036.7541.8846.6451.19um(m/s)24.1429.0832.4937.0341.2445.26Q(W)316.3364.9386.2410.4430.0440.9αi(W/m2℃)97.2113.0123.5135.8147.7157.4Re287593450438185430204738450360Nu69.981.288.496.7104.6111.0Pr0.7030.7030.7020.7020.7020.702Nu/Pr0.480.593.5101.8111.4120.5127.9普通管关联式Nu=0.0249Re0.7894Pr0.4A=0.0249,m=0.7894K(W/m2℃)88.4102.7112.3123.5134.2143.1计算实例：已知：传热管内径d=0.02m，流通截面积：F=π*d2/4=3.142*0.022/4=0.0003142（m2）传热管长度L=1.00m，传热面积S=π*d*L=3.142*0.02*1.0=0.06284（m2）孔板流量计：流量系数Co=0.65，孔板直径do=0.017m，孔板截面积Ao=π*d2/4（m2）以第六组数据为例：1、空气物理性常数的确定：查表或根据回归公式计算可得：t1=38.4(℃)ρt1=1.14(Kg/m3)测量段上空气的定性温度4.5224.664.38221tttm(℃)测量段上空气的平均密度ρm=1.1(Kg/m3)。平均比热Cpm=1009(J/Kg.k)平均导热系数λm=0.0284（W/m.k)，平均粘度μm=1.97*10-5（Pa.s）2、冷热流体间的平均温差△tm=57.14