气-气传热实验仿真

气—气传热综合实验讲义一、实验目的：1．通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究，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4.0mPrReANu中常数A、m的值；2．通过对管程内部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为内管的空气—水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式mReBNu中常数B、m的值和强化比0Nu/Nu，了解强化传热的基本理论和基本方式；3．了解套管换热器的管内压降p和Nu之间的关系；二、实验内容：实验一：①测定5~6个不同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Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。③测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管内压降1p。实验二：①测定5~6个不同流速下强化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Nu=BRem中常数B、m的值。③测定5~6个不同流速下强化套管换热器的管内压降2p。并在同一坐标系下绘制普通管1p~Nu与强化管2p~Nu的关系曲线。比较实验结果。④同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理实验一普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1.对流传热系数i的测定对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。imiiStQ＝（2-1）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；mit—内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。平均温差由下式确定：)2(21iiwmitttt（2-2）式中：ti1，ti2—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（2-3）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：)(12iipiiittcWQ（2-4）其中质量流量由下式求得：3600iiiVW（2-5）式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h；cpi—冷流体的定压比热，kJ/(kg·℃)；ρi—冷流体的密度，kg/m3。cpi和ρi可根据定性温度tm查得，221iimttt为冷流体进出口平均温度。ti1、ti2、tw、Vi可采取一定的测量手段得到。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湍流，处于被加热状态，准数关联式的形式为nimiiANuPrRe.（2-6）其中：iiiidNu，iiiiiduRe，iipiicPr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，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：4.0PrReimiiANu（2-7）通过实验确定不同流量下的Rei与iNu，然后用线性回归方法确定A和m的值。实验二、强化套管换热器传热系数及其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。螺旋线圈的结构图如图2-1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的比值为主要技术参数，且节距与管内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2-1螺旋线圈强化管内部结构在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Rei与iNu，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是普通管的努塞尔准数，显然，强化比0NuNu＞1，而且它的值越大，强化效果越好。需要说明的是，如果评判强化方式的真正效果和经济效益，则必须考虑阻力因素，阻力系数随着换热系数的增加而增加，从而导致换热性能的降低和能耗的增加，只有强化比高且阻力系数小的强化方式，才是最佳的强化方法。四、实验装置与流程1．实验流程图及基本结构参数：如图2-2所示，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。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5kW螺旋形电加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。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。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。2021图2-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（A型）实验装置：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、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—传热系数分布实验套盒（本实验不使用）；15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管测压口；21—强化管测压口2．实验的测量手段1)空气流量的测量空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，其流量计的计算式为：00ttP23.8V式中：P—孔板流量计两端压差，KPa；0t—流量计处温度(本实验装置为空气入口温度)，℃；0t—0t温度下的空气密度，kg/m3；实验装置结构参数见下面说明：实验内管内径id(mm)第①~④套16第⑤~⑧套20实验内管外径0d第①~④套17.92第⑤~⑧套22实验外管内径iD(mm)20实验外管外径0D(mm)22总管长（紫铜内管）L(m)1.20测量段长度l(m)1.20加热釜操作电压≤200伏操作电流≥200伏由于被测管段内温度的变化，还需对所测得体积流量进行进一步的校正：02732730ttVVmti（2-8）Vt0—冷流体进入换热器时的体积流量，m3/h；2)温度的测量实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的，温度与热电势的关系为：T(℃)=1.2705+23.518×E(mv)（2-9）冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。五、注意事项1．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，是否全部浸没在冰水混合物中。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。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀（见图2-2）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，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图2-2所示）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．调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。6．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、实验报告1．实验一的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。2．实验二的原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比，还包括重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。3．在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。4．在同一坐标系中绘制实验一、实验二的△P~Nu的关系图。5．对实验结果进行分析与讨论。七、实验步骤传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示：普通套管实验操作：⑴检查水槽液位计，若发现水量较少，打开注水阀VA102，补充水量至2/3处；⑵打开连通阀VA101，使水槽与蒸汽发生器相通；⑶打开普通套管蒸汽开关阀VA104，确保蒸汽管路畅通；⑷打开电源总开关，启动蒸汽发生器开关，加热蒸气；⑸等待若干秒，待水蒸气进入套管换热器外管，当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时，标志实验可以开始；⑹打开漩涡风机旁路阀VA106至最大；⑺打开普通套管空气开关阀VA107，确保空气管路畅通；⑻启动漩涡风机开关；⑼通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度，调节流量所需值，待数值稳定后，到“实验数据一”面板点击“普通套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”⑽按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据强化套管实验操作：⑾关闭风机电源；⑿缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105，再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104，使强化管路蒸图2-3传热实验仿真设备介绍图汽畅通；待蒸气排出口有恒量蒸汽排出，标志强化套管传热实验可以开始；⒀将漩涡风机旁通阀VA106开至最大，接通漩涡风机开关；⒁调节漩涡风机旁通阀VA106的开度，调节流量至所需值，带数值稳定后，倒“实验数据二”面板点击“强化套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”⒂按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据⒃关闭蒸汽发生器加热电源，待蒸气放空口没有蒸汽逸出，将漩涡风机旁通阀VA106至全开，并关闭漩涡气泵开关，关闭总电源开关⒄实验结束参数设置：到“参数设置”面板，改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度，重复以上步骤；八、思考题1．下列属于传热基本形式有:A.间壁换热B.混合换热C.辐射答案：C2．热能总是:A.由热能高的物体传向热能低的物体B.由温度高的物体传向温度低的物体C.由比热大的物体传向比热小的物体答案：B3．间壁换热时,壁温总是:A.接近温度高的流体B.接近温度低的流体C.接近传热系数大的流体答案：C4．在本实验中的管壁温度Tw应接近蒸汽温度，还是空气温度？可能的原因是：A.接近空气温度，这是因为空气处于流动状态,即强制湍流状态，a(空气)↑B.接近蒸汽温度，这是因为蒸汽冷凝传热膜系数，a(蒸)a(空)。C.不偏向任何一边，因为蒸汽冷凝a和空气温度a均对壁温有影响。答案：B5．以空气为被加热介质的传热实验中，当空气流量Va增大时，壁温如何变化？A.空气流量Va增大时，壁温Tw升高。B.空气流量Va增大时，壁温Tw降低。C.空气流量Va增大时，壁温Tw不变。答案：B6．下列诸温度中，哪个做为确定物性参数的定性温度？A.介质的入口温度B.介质的出口温度C.蒸汽温度D.介质入口和出口温度的平均值E.壁温答案：D7．管内介质的流速对传热膜系数a有何影响？A.介质流速u增加，传热膜系数a增加B.介质流速u增加，传热膜系数a降低C.介质流速u增加，传热膜系数a不变答案：A8．管内介质流速的改变，出口温度如何变化？A.介质流速u升高，出口温度t2升高B.介质流速u升高，出口温度t2降低C.介质流速u升高，出口温度t2不变答案：B9．蒸汽压强的变化，对a关联式有无影响？A.蒸汽压强P↑，a值↑，对a关联式有影响B.蒸汽压强P↑，a值不变，对a关联式无影响C.蒸汽压强P↑，a值↓，对a关联式有影响答案：B10．改变管内介质的流动方向，总传热系数K如何变化？A.改变管内介质的流动方向，总传热系数K值增加B.改变管内介质的流