《传热学》实验指导书

《传热学》实验指导书建筑环境与设备工程教研室实验一强迫对流换热实验一、实验目的1、了解热工实验的基本方法和特点；2、学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法；3、巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；4、培养学生独立进行科研实验的能力。二、实验原理1、翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。2、空气（气体）横向流过翅片管束时的对流换热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下：Nu=f(Re、Pr、、、、、、olotoooDPDPDBDDH/n)(1)式中：Nu=0Dh为努谢尔特数；Re=mouD=moGD为雷诺数；Pr=h=C为普朗特数；H、δ、B分别为翅片高度、厚度、和翅片间距；Pt、Pl为翅片管的横向管间距和纵向管间距；n为流动方向的管排数；Do为光管外径，um、Gm为最窄流通截面处的空气流速（m/s）和质量流量（kg/m2s），且Gm=um•ρ。λ、ρ、μ、γ、α为气体的特性值。此外，换热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式，顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外换热系数会高于顺流的情况。对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：Nu=f（Re、Pr）（2）对于空气，Pr数可看作常数，故Nu=f（Re）（3）式（3）可表示成指数方程的形式Nu=CRen（4）式中，C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。3、对于翅片管，管外换热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义换热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积作为基准，即：)(woaoTTLDnQh（5）式中：Q为总放热量，（W），n为放热管子的根数，πD0L为一支管的光管换热面积（m2）,Ta为空气平均温度（℃），Two为光管外壁温度（℃），此处，h的单位为（w/m2•℃）。4、如何测求翅片管束平均管外换热系数h是实验的关键。如果直接由式（5）来测求h，势必要测量管壁平均温度Two，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外放热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外换热热阻和换热系数。即wiRhKh111（6）式中：K为翅片管的传热系数，可由实验求出)(TTLDnQKvo（7）其中：Tv代表管内流体的平均温度。ih是管内流体对管内壁的换热系数，可由已知的传热规律计算出来；Rw由管壁的导热公式计算之。应当指出，当管内换热系数ihh时，管内热阻ih1将远远地小于管外热阻h1，这时，ih的某些计算误差将不会明显地影响管外换热系数h的大小。5、为了保证ih有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝放热的换热方式。本实验系统中，采用简易热管作为传热元件，将实验的翅片管，做成简易热管的冷凝段，即简易热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，透过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内换热系数ih可用努谢尔特层流膜层凝结原理公式进行计算，即：31231)()4(88.123ghi（8）式中，iDrnQ（9）为单位冷凝宽度上的凝液量（kg/s,m）,其中，r为汽化潜热（J/kg），Di为管子内径，式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的阻合。园筒壁的导热热阻为iowwDDRln21（10）应当注意，式（6）中的各项热阻都是以光管外表面积基准的，w=70w/(m.K)。三、实验设备实验的翅片管束安装在一台低速风洞中——实验装置和测试仪表如图1所示。试验由有机玻璃风洞，加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。图1实验风洞系统简图1.风机支架2.风机3.风量调节手轮4.过渡管5.测压管6.测速段7.过渡管8.管簇后测压管9.实验管段10.管簇前测压管11.吸入管12.支架13.加热元件14.控制盘有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段，整流丝网、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300mm×300mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。试验管件由两部分组成；单纯翅片管和带翅片的试验简易热管，但外形尺寸是一样的采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1所示。表1翅片管内径翅片管外径翅片高度翅片厚度翅片间距横向管间距纵向管间距管排数DiDoHδBPtPlnmmmmmmmmmmmmmm2025.59.750.22.7758054根简易试验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的放热系数基本保持不变了。所以，这样测求的放热指数代表第3排及以后各排管的平均放热系数。简易试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。每一支热管的内部插入一支E型热电偶用以测量热管内冷凝段的蒸汽温度Tvo电加热器热的箱体上，也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势也可由UJ33a型电位差计进行测量。空气流的进出口温度由数显表配热电偶测量，也可用0.1℃的玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计测量，管束前后的静压测孔都是4个，均布在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在测速收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。四、实验步骤1、熟悉实验原理，实验设备；2、调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；3、将四排加热管上的接有热电偶的上盖拔出使其能够冒气即可。接通电加热器电源，将电功率控制在2~3KW之间，加热至四排加热管均有水蒸气冒出后，盖上接有热电偶的上盖。开动引风机。注意：（1）.盖上接有热电偶的上盖时，不要让水蒸汽汤着手！（2）.引风机需在空载或很小的开度下启动；4、调整引风机的阀门，来控制实验工况的空气流速，一般，空气风速应从小到大逐渐增加，实验中，根据毕托管压差读值，可改变6~7个风速值，这样，就有6~7个实验工况；5、在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的数值记录到先准备好的数据记录表格中。6、进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以用手算程序，也可以用先安排好的计算机程序。7、对实验结果进行分析和讨论。应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。五、实验数据整理数据的整理可按下述步骤进行：1、计算风速和风量通过便携式风速仪测量风机出口流速，再根据风机出口面积计算流量，如下式：风量：Ma=u测F测ρ测其中：测量截面积F测=0.30.3m2，测量截面处的密度由出口空气温度T2确定。2、空气侧吸热量：Ql=MaCpa(Ta2-Ta1)（12）3、电加热器功率Q2=IV4、加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算Q3=hcF测(Tω-To)此处，hc为自然对流散热系数，可近似取hc=5w/m2•℃进行计算；Tω箱体温度，To为环境温度，箱体尺寸为210*255*305。5、计算热平衡误差1321)(QQQQ（13）6、计算翅片管束最窄流通截面处的流速和质量流速窄FGumm/s测mmuGkg/m2·s7、计算Re数Re=moGD8、计算传热系数20/)(mwTTLDnQKav℃（14）9、计算管内凝结液膜放热系数由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度Tv的函数，因此，式（8）可简化为：3/12))(677.93404245623(ilvvlnDQTTh（15）10、计算管壁热阻，由式（10）计算。11、由式（6）计算管外放热系数12、计算iuhDN13、将实验测试结果与理论计算及参考资料的数据作比较，并进行分析和讨论。测试记录数据整理序号空气质量流速雷诺数管断面流速空气吸热Q1加热Q2散热损失Q3热平衡误差传热误差传热系数管外放热系数Nu123456序号规格电流电压计量温度出风口面积管内温度风机出口流速入口温度出口温度室内温度管壁温度Tv1Tv2Tv3Tv41横向5排纵向3排2横向5排纵向3排3横向5排纵向3排4横向5排纵向3排5横向5排纵向3排6横向5排纵向3排实验二换热器综合实验一、实验目的1、熟悉换热器性能的测试方法；2、了解套管式换热器，螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能的差别；3、加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识；二实验装置实验装置简图如图1所示，本实验装置冷水可用阀门换向进行顺逆流实验；工作原理如图2所示。换热形式为热水—冷水换热式。图1实验装置简图1、热水流量调节阀2、热水螺旋板、套管、列管启闭阀门组3、热水流量计4、换热器进口压力表5、数显温度计6、琴键转换开关7、电压表8、电流表9、开关组10、冷水出口压力计11、冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组12、逆顺流转换阀门组13、冷水流量调节阀图2换热器综合实验台原理图1、冷水泵2、冷水箱3、冷水浮子流量计4、冷水顺逆流换向阀门组5、列管式换热器6、电加热水箱7、热水浮子流量计8、回水箱9、热水泵10、螺旋板式换热器11、套管式换热器本实验台的热水加热采用电加热方式，冷—热流体的进出口温度用数显温度计测量，可以通过琴键开关来切换测点。实验台参数如下：1、换热器换热面积{F}：（1）套管式换热器具0.45m2（2）螺旋板式换热器0.65m2（3）列管式换热器1.05m22、电加热器总功率：9.0KW。3、冷、热水泵：允许工作温度：〈80℃；额定流量：3m3/h；扬程：12m；电机电压：220V；电机功率：370W。4、转子流量计型号：型号：LZB-15；流量：40-400升/小时；允许温度范围：0-120℃。三实验操作1、实验前准备：（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能；（2）打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门；（3）按顺流（或逆流）方式调整冷水换向阀门的开或关；（4）向冷-热水箱充水，禁止水泵无水运行（热水泵启动，加热才能供电）。2、实验操作：（1）接通电源；启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量；过十分钟后再启动冷水泵；（2）调整温控仪，使其能使加热水温控制在80℃以下的某一指定温度；（3）将加热器开关分别打开（热水泵开关与加热开关已进行连锁，热水泵启动，加热才能供电）；（4）利用数显温度计和温度测点选择琴键开关按钮，观测和检查换热器冷-热流体的进出口温度。待冷-热流体的温度基本稳定后，既可测读出相应测温点的温度数值，同时测读转子流量计冷-热流体的流量读数；把这些测试结果记录实验数据记录表中；（5）如需要改变流动方向（顺-逆流）的试验，或需要绘制换热器传热性能曲线而要求改变工况[如改变冷水（热水）流速（或流量）]进行试验，或需要重复进行试验时，都要重新做试验，试验方法与上述实验基本相同，并记录下这些试验的测试数据。（6）实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。四实验数据处理1、将实验所得测试结果记入表1中。2、数据处理热流体放热量：Q1=Cp1·m1{T1-T2}W冷流体吸热量：Q2=Cp2·m2{t1-t2}W平均换热量：221QQQW热平衡误差：%10021QQQ对数传热温差：Δ1={ΔT2-ΔT1}/In·ΔT2/ΔT1={ΔT1-ΔT2}/In·ΔT1/ΔT2[℃]传热系数：K=Q/（F·Δ1）W/（m2·K）式中：Cp1，Cp2——热，冷流体的定压比热J/Kg