换热器传热系数的测定指导书

1实验三换热器传热系数的测定指导书一、实验目的1.通过对空气—水蒸汽简单换热管的实验研究，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；并应用线性回归分析方法，确定关联式4.0PrRemANu中常数A、m的值。2.通过对管程内部插有螺旋线圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其系数准数关联式mBNuRe中常数B、m的值和强化比0NuNu，了解强化传热的基本理论和基本方式。3.了解热电偶温度计的使用方法。二、实验内容1.测定5-6个不同空气流速下简单套管换热器的对流传热系数i。2.对i的实验数据进行线性回归，求关联式4.0PrRemANu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i。4.对i的实验数据进行线性回归，求关联式mBNuRe中常数B、m的值。5.同一流量下，根据所得准数关联式4.0PrRemANu求0Nu，计算传热强化比0/NuNu。三、实验原理㈠光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定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imiiAtQ（1）式中：i—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)；Qi—管内传热速率，W；Ai—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：iiiLdA（3）2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：)(12,ttcqQmpmi（4）其中质量流量由下式求得：3600mVmqq（5）式中：Vq—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；mpc,—冷流体的比定压热容，kJ/(kg·K)；m—冷流体的密度，kg/m3。mpc,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，Vq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、pmc、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。㈡强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定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。科学家通过实验研究总结了形式为mBNuRe的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。图1螺旋线圈内部结构3采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Re与Nu，用线性回归方法可确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：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。四、实验流程与装置1.实验流程实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生器为电加热器，内有2根2.5kW螺旋形电热器、用160V电压加热。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器器。管程蒸汽由加热器发生后自然上升，经支路控制阀选择与空气呈逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热效果。图1空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-普通套管换热器；2-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3-蒸汽发生器；4-旋涡气泵；5-旁路调节阀；6-孔板流量计；7-风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9-空气支路控制阀；10、11-蒸汽支路控制阀；12、13-蒸汽放空口；14-蒸汽上升主管路；15-加水口；16-放水口；17-液位计；18-冷凝液回流口2.实验装置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）1.00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4⒊实验的测量手段⑴空气流量的测量空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20℃时标定的流量和压差的关系式为：5.020,)(696.22PqV（8）流量计在实际使用时往往不是20℃，此时需要对该读数进行校正：20273273120,1,tqqVtV（9）式中：P—孔板流量计两端压差，KPa；20,vq—20℃时体积流量，m3/h；1,tVq—流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m3/h；1t—流量计处温度，也是空气入口温度，℃。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：11,,273273ttqqmtVmV（10）mVq,—传热管内平均体积流量，m3/h；mt—传热管内平均温度，℃。⑵温度的测量空气进出口温度采用Cu50铜电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示（1—普通管空气进口温度；2—普通管空气出口温度；3—强化管空气进口温度；4—强化管空气出口温度；5—加热釜水温）。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电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),内装有一支2.5kw的螺旋形电热器加热。⑷气源(鼓风机)又称旋涡气泵，XGB─2型，电机功率约0.75KW（使用三相电源），使用过程中，输出空气的温度呈上升趋势。五、实验方法及步骤⒈实验前的准备，检查工作。⑴向电加热釜加水至液位计上端红线处。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.⑴关闭通向强化套管的阀门11，打开通向简单套管的阀门10，当简单套管换热器的放空口12有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门8，打开阀门9。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5来调节流量，调好某一流量后稳定5-10分钟后，分别测量空气的流量，空5气进、出口温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。⑶做完简单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11，全部打开空气旁路阀5，关闭蒸汽支路阀10，关闭空气支路阀9，打开空气支路阀8，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。注意事项:1.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。2.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。3.调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。4.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、实验数据1.数据整理表表2光滑套管换热器原始数据及数据整理表装置编号：传热管内径id：0.020m有效长度：1.00m冷流体：空气（管内）流体：蒸汽（管外）123456孔板压差P（KPa）空气入口温度t1（℃）1t（kg/m3）空气出口温度t2（℃）壁面温度wT（℃）管内平均温度mt（℃）m（kg/m3）m*100（W/m·℃）mpc,（kJ/kg·℃）m*10000（Pa·s）空气进出口温差Δt（℃）平均温差Δtm（℃）20℃时空气流量20,Vq（m3/h）流量计处空气流量1,tVq（m3/h）管内平均流量mVq,（m3/h）6平均流速u（m/s）传热量Q（W）i（W/m2·℃）ReNuNu/Pr0.4表3强化套管换热器原始数据及数据整理表装置编号：传热管内径id：0.020m有效长度：1.00m冷流体：空气（管内）流体：蒸汽（管外）123456孔板压差P（KPa）空气入口温度t1（℃）1t（kg/m3）空气出口温度t2（℃）壁面温度wT（℃）管内平均温度mt（℃）m（kg/m3）m*100（W/m·℃）mpc,（kJ/kg·℃）m*10000（Pa·s）空气进出口温差Δt（℃）平均温差Δtm（℃）20℃时空气流量20,Vq（m3/h）流量计处空气流量1,tVq（m3/h）管内平均流量mVq,（m3/h）平均流速u（m/s）传热量Q（W）7i（W/m2·℃）ReNuNu/Pr0.4Nu0Nu/Nu02.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=5.30KPa，空气进口温度1t＝41.8℃出口温度2t＝66.4(℃)，传热管壁面温度wt=100.3℃(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＝1.00ｍLdAii＝3.142×0.02×1.00＝0.06284(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=54.1（℃）在此温度下空气物性数据如下：平均密度ρm＝1.08(kg/m3)；平均比热mpc,＝1005(J／Kg·k)；平均导热系数λm＝0.0285(Ｗ／ｍ·K)；平均粘度μm＝0.0000198(sPa)；⑷空气流过换热器内管时平均体积流量mVq,和平均流速的计算20℃时对应的孔板流量计体积流量5.020,696.22PqV=22.696×5.300.5=52.25（m3/h）因为流量计处温度不是20℃，故需校正：16.54202738.4127325.5220273273120,1,tqqVtV（m3/h）传热管内平均体积流量mVq,:828.568.412731.5427316.5427327311,,ttqqmtVmV（m3/h）平均流速mu:)36000003142.0/(28.563600/,FqumVm=49.78（m/s）⑸壁面和冷流体间的平均温度差mt的计算:221ttttwm=100.3－54.1=46.2（℃）⑹传热速率3600)8.414.66(100508.128.563600)(12,,ttcqQmpmmV418（W）⑺管内传热系数)06284.02.46