实验四 气-汽对流传热综合实验报告

化学实验教学中心实验报告实验名称：气-汽对流传热综合实验报告学生姓名：学号：院（系）：年级：级班指导教师：研究生助教：实验日期：2017.05.26交报告日期：2017.06.021一、实验目的1.掌握对流传热系数𝛼𝑖的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解；2.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-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其强化比𝑁𝑢𝑁𝑢0⁄，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验原理本实验采用套管换热器,以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。（一）光滑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𝜶𝒊的测定在该实验中，空气走内管，蒸汽走外管。对流传热系数𝛼𝑖可以根据牛顿冷却定律，用实验测定𝛼𝑖=𝑄𝑖∆𝑡𝑚×𝑆𝑖（1）式中，𝛼𝑖为管内流体对流传热系数，𝑊(m2∙℃)⁄；𝑄𝑖为管内传热速率，𝑊；𝑆𝑖管内换热面积，m2；∆𝑡𝑚为内壁面与流体间的温差，℃。∆𝑡𝑚由右式确定：∆𝑡𝑚=𝑡𝑤−𝑡1:𝑡22（2）式中，𝑡1和𝑡2分别为冷流体的入口、出口温度，℃；𝑡𝑤为壁面平均温度，℃。应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、外壁温度和壁面温度近似相等，用𝑡𝑤来表示。管内换热面积：𝑆𝑖=π𝑑𝑖𝐿𝑖（3）式中，𝑑𝑖为内管管内径，m；𝐿𝑖为传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：𝑄𝑖=𝑊𝑚𝐶𝑝𝑚(𝑡2−𝑡1)（4）其中质量流量由右式求得：𝑊𝑚=𝑉𝑚𝜌𝑚3600（5）式中，𝑉𝑚为冷流体在套管内的平均体积流量，𝑚3ℎ⁄；𝐶𝑝𝑚为冷流体的定压比热，kJ(kg∙℃)⁄；𝜌𝑚为冷流体的密度，kgm3⁄。𝐶𝑝𝑚和𝜌𝑚可根据定性温度𝑡𝑚查得，𝑡𝑚=𝑡1:𝑡22为冷流体进出口平均温度。𝑡1、𝑡2、𝑡𝑤、𝑉𝑚可采取一定的测量手段得到。2.对流传热系数准数关系式的实验确定流体在管内做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：𝑁𝑢=𝐴𝑅𝑒𝑚𝑃𝑟𝑛（6）其中，𝑁𝑢=𝛼𝑖𝑑𝑖𝜆𝑖，𝑅𝑒=𝑢𝑚𝑑𝑖𝜌𝑚𝜇𝑚，𝑃𝑟=𝐶𝑝𝑚𝜇𝑚𝜆𝑚物性数据𝜆𝑚、𝐶𝑝𝑚、𝜌𝑚、𝜇𝑚可根据定性温度𝑡𝑚查得。经计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特常数𝑃𝑟变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为：𝑁𝑢=𝐴𝑅𝑒𝑚𝑃𝑟0.4（7）这样通过实验确定不同流量下的𝑅𝑒与𝑃𝑟，然后用线性回归方法确定A、m的值。2（二）强化管换热器传热系数、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𝑁𝑢=B𝑅𝑒𝑚的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei和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：𝑁𝑢𝑁𝑢0⁄，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𝑁𝑢𝑁𝑢0⁄1，而且它的值越大，强化效果越好。三、实验流程设备主要技术数据1.设备主要技术数据见下表：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2.实验的测量手段（1）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为：5.020)(694.22PV（8）其中，20V为20℃下的体积流量，m3/h；∆𝑃为孔板两端压差，𝐾𝑝𝑎；𝑡1为空气入口温度（及流量计3处温度），℃。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：𝑉𝑚=𝑉20×273:𝑡𝑚273:𝑡1（9）（2）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）。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管的下排读数读出。（3）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,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。（4）气源(鼓风机)又称旋涡气泵,XGB─2型,由无锡市仪表二厂生产,电机功率约0.75KW(使用三相电源),在本实验装置上,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。3.实验设备流程图图2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4四、实验方法及步骤1.实验前的准备,检查工作。（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。（2）向冰水保温瓶中加入适量的冰水,并将冷端补偿热电偶插入其中。（3）检查空气流量旁路调节阀是否全开。（4）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。（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）关闭通向强化套管的阀门11，打开通向光滑套管的阀门10，当光滑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。（2）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，空气进、出口的温度及壁面温度。然后，改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量5～6组数据。（3）做完光滑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，打开空气支路阀9,关闭空气支路阀8，进行强化管传热实验。实验方法同步骤（2）。3.实验结束后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。五、注意事项（1）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。（2）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。（3）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。（4）调节流量后，应至少稳定3~8分钟后读取实验数据。（5）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、实验数据记录与处理（一）光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定1.实验数据记录与整理表（计算过程在下面第2步）表2光滑管换热器原始数据及数据整理表传热管内径𝑑𝑖：0.020m有效长度：1.00m冷流体：空气（管内）流体：蒸汽（管外）组数1234孔板压差∆P(KPa)0.221.202.233.20空气入口温度𝑡1(℃)30.931.531.932.45接上表空气入口温度𝑡2(℃)73.967.565.866.6壁面温度𝑡𝑤(℃)99.799.799.799.7管内平均温度𝑡𝑚(℃)52.449.548.8549.5𝜌𝑚(kgm3⁄)1.0851.0931.0971.093𝜆𝑚𝑊(𝑚⁄∙𝐾)0.02850.02830.02820.0283𝐶𝑝𝑚J(kg∙K)⁄1005100510051005𝜇𝑚(𝑃𝑎∙𝑠)0.00001970.00001960.00001960.0000196空气进出口温差∆𝑡(℃)433633.934.2平均温差∆𝑡𝑚(℃)47.3050.2050.8550.2020℃时空气流量𝑉20(m3ℎ⁄)10.6424.8633.8940.60管内平均流量𝑉𝑚(m3ℎ⁄)11.4026.3335.7742.87平均流速𝑢𝑚(𝑚𝑠⁄)10.0823.2831.6337.90传热量Q(W)148.45289.22371.39447.36𝛼𝑖𝑊(m2∙℃)⁄49.9491.68116.23141.81𝑅𝑒11099.2625961.4835402.3042269.99𝑁𝑢35.0564.7982.43100.22𝑃𝑟0.6950.6960.6990.696𝑁𝑢𝑃𝑟0.4⁄40.5574.9095.15115.852.实验数据的计算过程（以第1列数据为例）孔板流量计压差∆𝑃=0.22KPa、空气入口温度𝑡1=30.9℃、空气出口温度𝑡2=73.9℃、壁面温度𝑡𝑤=99.7℃已知数据及有关常数:（1）传热管内径𝑑𝑖(mm)及流通截面积𝐹𝑖(m2)𝑑𝑖＝20.0(mm)＝0.0200(m)𝐹𝑖=π𝑑𝑖2/4=3.142×0.2002/4=0.0003142m2（2）传热管有效长度L(ｍ)及传热面积𝑆𝑖(m2)L＝1.00（ｍ)管内换热面积：𝑆𝑖=π𝑑𝑖𝐿𝑖=3.142×1.00×0.0200＝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𝑡𝑚，𝑡𝑚=𝑡1:𝑡22=52.4℃在此温度下空气的物性数据如下：平均密度𝜌𝑚=1.085kgm3⁄；平均比热𝐶𝑝𝑚=1005J(kg∙K)⁄；平均导热系数𝜆𝑚=0.0285𝑊(m∙K)⁄；平均粘度𝜇𝑚＝0.0000197(𝑃𝑎∙𝑠)；（4）空气流过换热器内管时的平均体积流量𝑉𝑚和平均流速𝑢𝑚的计算6在20℃时标定的孔板流量计体积流量：64.10)22.0(694.22)(694.225.05.020PV(𝑚3ℎ⁄)因为流量计处的温度不是20℃，需进行校正，传热管内的体积流量𝑉𝑚：𝑉𝑚=𝑉20×273:𝑡𝑚273:𝑡1=10.64×273:52.4273:30.9=11.40(𝑚3ℎ⁄)平均流