傳熱綜合實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)五 傳熱綜合實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過(guò)對(duì)空氣水蒸氣簡(jiǎn)單套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，掌握對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定方法，加深對(duì)其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線(xiàn)性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。2.通過(guò)對(duì)管程內(nèi)部插有螺旋線(xiàn)圈的空氣水蒸氣強(qiáng)化套管換熱器的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值和強(qiáng)化比Nu/Nu0，了解強(qiáng)化傳熱的基本理論和基本方式。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)定56個(gè)不同流速下普通套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=ARemPr0.4中常數(shù)A、m的值。2.測(cè)定56個(gè)不同流速下強(qiáng)化套管換熱器的對(duì)流傳熱系數(shù)，對(duì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性

2、回歸，求關(guān)聯(lián)式Nu=BRem中常數(shù)B、m的值。3.同一流量下，按實(shí)驗(yàn)1所得準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式求得Nu0，計(jì)算傳熱強(qiáng)化比Nu/Nu0。三、實(shí)驗(yàn)原理（一） 普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測(cè)定1.對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定對(duì)流傳熱系數(shù)可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。因?yàn)?lt;< ,所以： （W/m2·）式中：管內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2)； Qi換熱器傳熱速率，W； Si管內(nèi)換熱面積，m2； 對(duì)數(shù)平均溫差，。對(duì)數(shù)平均溫差由下式確定： 式中：ti1，ti2冷流體的入口、出口溫度，； Tw壁面平均溫度，；因?yàn)閾Q熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面

3、平均溫度近似相等，用Tw 來(lái)表示，管外為蒸汽冷凝，因此，將壁面平均溫度近似視為蒸汽的溫度，且保持不變。傳熱面積(內(nèi))： 式中：di傳熱管內(nèi)徑，m； Li傳熱管測(cè)量段的實(shí)際長(zhǎng)度，m。由熱量衡算式： 其中質(zhì)量流量由下式求得： 式中：Vi冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3 / h； cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg·)； i冷流體的密度，kg /m3。cpi和i可根據(jù)定性溫度tmi查得，為冷流體進(jìn)出口平均溫度。ti1，ti2，Tw， Vi可采取一定的測(cè)量手段得到。2.對(duì)流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實(shí)驗(yàn)確定空氣在管內(nèi)作強(qiáng)制湍流，且被加熱，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為： 其中： ， ， 物性數(shù)據(jù)i、c

4、pi、i、i可根據(jù)定性溫度tmi查得。這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同流量下的Rei與，再用線(xiàn)性回歸方法即可確定A和m的值。（二）、強(qiáng)化套管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強(qiáng)化比的測(cè)定強(qiáng)化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱(chēng)為第二代傳熱技術(shù)，它能減小換熱器的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動(dòng)力消耗，更有效地利用能源和資金。強(qiáng)化傳熱的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)裝置是采用在換熱器內(nèi)管插入螺旋線(xiàn)圈的方法來(lái)強(qiáng)化傳熱的。圖5-1 螺旋線(xiàn)圈強(qiáng)化管內(nèi)部結(jié)構(gòu)螺旋線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，螺旋線(xiàn)圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線(xiàn)圈插入

5、并固定在管內(nèi)，即可構(gòu)成一種強(qiáng)化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線(xiàn)圈的作用而發(fā)生旋轉(zhuǎn)，一面還周期性地受到線(xiàn)圈的螺旋金屬絲的擾動(dòng)，因而可以使傳熱強(qiáng)化。由于繞制線(xiàn)圈的金屬絲直徑很細(xì)，流體旋流強(qiáng)度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線(xiàn)圈是以線(xiàn)圈節(jié)距h與管內(nèi)徑d的比值以及管壁粗糙度為主要技術(shù)參數(shù)，長(zhǎng)徑比H/d是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了形式為的經(jīng)驗(yàn)公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。在本實(shí)驗(yàn)中，采用普通管中的實(shí)驗(yàn)方法確定不同流量下的Rei與，用線(xiàn)性回歸方法可確定B和m的值。研究強(qiáng)化手段的強(qiáng)化效果（不考慮阻力的影響），可以用強(qiáng)化比的概念作為評(píng)判準(zhǔn)則，它的形

6、式是：，其中Nu是強(qiáng)化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強(qiáng)化比1，而且它的值越大，強(qiáng)化效果越好。需要說(shuō)明的是，如果評(píng)判強(qiáng)化方式的真正效果和經(jīng)濟(jì)效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加，只有強(qiáng)化比較高，且阻力系數(shù)較小的強(qiáng)化方式，才是最佳的強(qiáng)化方法。四、實(shí)驗(yàn)流程1.實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖52。實(shí)驗(yàn)裝置的主體是兩根平行的換熱套管，空氣由旋渦氣泵吹出，由旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，經(jīng)孔板流量計(jì)，由支路控制閥選擇不同的支路進(jìn)入不同的換熱管的內(nèi)管。蒸汽由加熱釜產(chǎn)生后由蒸汽上升管上升，經(jīng)支路控制閥選擇不同的支路進(jìn)入套管殼程。裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表51所示。

7、圖52 空氣-水蒸氣傳熱綜合實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1.普通套管換熱器；2.內(nèi)插有螺旋線(xiàn)圈的強(qiáng)化套管換熱器；3.蒸汽發(fā)生器；4.旋渦氣泵； 5.旁路調(diào)節(jié)閥； 6.孔板流量計(jì)；7.風(fēng)機(jī)出口溫度（冷流體入口溫度）測(cè)試點(diǎn)； 8、9.空氣支路控制閥； 10、11.蒸汽支路控制閥；12、13.蒸汽放空口； 14.蒸汽上升主管路； 15.加水口； 16.放水口；17.液位計(jì)； 18.冷凝液回流口表51 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑di（mm）20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑do（mm）22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑Di（mm）50實(shí)驗(yàn)外管外徑Do（mm）57.0測(cè)量段（紫銅內(nèi)管）長(zhǎng)度l（m）1.00強(qiáng)化內(nèi)管內(nèi)插物（螺旋線(xiàn)圈）尺寸絲徑h

8、（mm）1節(jié)距H（mm）40加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安2.實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段 流量的測(cè)定：孔板流量計(jì)與壓力傳感器及數(shù)字顯示儀表組成空氣流量計(jì)?？諝饬髁坑上率接?jì)算： 式中：Vt020下的體積流量； P孔板兩端壓差，KPa（即數(shù)字顯示儀表讀數(shù)）由于被測(cè)管段內(nèi)溫度的變化，還需對(duì)體積流量進(jìn)行進(jìn)一步的校正： 式中：Vi實(shí)驗(yàn)條件下（管內(nèi)平均溫度）下的空氣流量，m3/h; tmi 換熱器管內(nèi)平均溫度，溫度測(cè)量：a) 空氣進(jìn)、出傳熱管測(cè)量段的溫度由電阻溫度計(jì)測(cè)量，可由數(shù)字顯示儀表直接讀出。b) 管外壁面平均溫度Tw( )，由數(shù)字式毫伏計(jì)測(cè)出與該溫度對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E(mv,熱電偶是由銅康銅組成),將E值代入

9、公式:Tw()=1.2705+23.518×E(mv)計(jì)算得到。五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1. 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備檢查工作向蒸汽發(fā)生器中加水至液位計(jì)上端紅線(xiàn)處。向冰水保溫瓶中加入適量的冰水,并將冷端補(bǔ)償熱電偶插入其中。檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開(kāi)。檢查蒸汽管支路各控制閥是否已打開(kāi)，保證蒸汽和空氣管線(xiàn)暢通。接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動(dòng)電加熱器開(kāi)關(guān)，開(kāi)始加熱。2. 實(shí)驗(yàn)操作A. 人工實(shí)驗(yàn)操作合上電源總開(kāi)關(guān)。打開(kāi)加熱電源開(kāi)關(guān),設(shè)定加熱電壓(不得大于200V)，直至有水蒸氣冒出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，用放空閥來(lái)調(diào)節(jié)流量，在一定的流量下,穩(wěn)定510分鐘后分別測(cè)量空氣的

10、流量、空氣進(jìn)出口溫度、壁面溫度。改變流量，待流量穩(wěn)定后再分別測(cè)量空氣的流量、空氣進(jìn)、出口溫度、壁面溫度后繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機(jī)和總電源。一切復(fù)原。B. 使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制試驗(yàn)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)并按照操作說(shuō)明進(jìn)行操作；合上電源總開(kāi)關(guān)、加熱電源開(kāi)關(guān)，設(shè)定加熱電壓（不得大于200V）,直至有水蒸氣冒出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣；計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集a. 用放空閥調(diào)節(jié)流量，待操作穩(wěn)定后，用計(jì)算機(jī)分別對(duì)空氣流量、空氣進(jìn)出口溫度、換熱器水蒸氣溫度進(jìn)行采集；b. 改變空氣流量，待操作穩(wěn)定后，分別用計(jì)算機(jī)測(cè)量空氣流量、空氣進(jìn)出口溫度、水蒸氣溫度；c.用計(jì)算機(jī)對(duì)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和

11、整理，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)顯示器顯示或打印出來(lái)。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.剛剛開(kāi)始加熱時(shí)，加熱電壓可在180V左右，但不能過(guò)大；2.由于采用熱電偶測(cè)溫，所以實(shí)驗(yàn)前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存，檢查熱電偶的冷端是否全部浸沒(méi)在冰水混合物中；3.檢查蒸汽發(fā)生器中的水位是否在正常范圍內(nèi)，特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過(guò)低，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)給水量；4.必須保證蒸汽上升管線(xiàn)的暢通。在給蒸汽發(fā)生器電壓之前，兩蒸汽支路控制閥之一必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先開(kāi)啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開(kāi)啟和關(guān)閉控制閥要緩慢，防止管線(xiàn)截?cái)嗷蛘羝麎毫^(guò)大突然噴出；5.必須保證空氣管線(xiàn)的暢通。在接通風(fēng)機(jī)電源之前，

12、兩個(gè)空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開(kāi)。在轉(zhuǎn)換支路時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源，然后開(kāi)啟和關(guān)閉控制閥；6.調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定510分鐘后讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理1.將普通管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表一。并以一組數(shù)據(jù)為例寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程；2.將粗糙管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表二。并以一組數(shù)據(jù)為例寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程；3.以Re為橫坐標(biāo)，以Nu/Pr0.4為縱坐標(biāo)，將上述表中數(shù)據(jù)繪制在同一雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中；4. 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論。表1 普通管實(shí)驗(yàn)記錄1234567傳熱管內(nèi)徑di m0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002流通截面積A,3.143.143.143.143.143.143.14孔

13、板壓差（Kpa)0.150.480.911.471.982.492.95空氣入口溫度ti1(）26.232.334.736.838.940.842.4空氣出口溫度ti2(）75.173.973.172.272.372.472.6壁面熱電勢(shì)E(mv)4.154.134.124.124.124.114.10表2普通管數(shù)據(jù)整理1234567壁面溫度Tw (）98.998.498.298.297.997.797.4平均溫差tm(）43.841.941.441.240.038.937.3管內(nèi)平均溫度tmi(）50.653.153.954.555.656.657.5 (kg/ m3)1.0911.0831

14、.0861.0781.0751.0711.068Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6980.6970.6970.6970.6970.6970.696*1002.8302.8472.8542.8582.8462.8722.878*1000001.961.971.981.981.991.992.00流通截面積A，*10-43.143.143.143.143.143.143.14管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.1712.7919.0625.7131.0335.8839.97空氣流速u(mài)(m/s)5.4611.3116.8622.7427.4531.7435.

15、36管內(nèi)傳熱面積Si *10-26.286.286.286.286.286.286.28傳熱量Q(W)0.0920.1610.2220.2740.3110.3390.36i（W/m2·）0.0330.0660.0850.1060.1240.1390.151Re6078.412435.318494.924761.32965734164.437764.5Nu0.0230.0460.0590.0740.0860.0970.105Nu/(Pr0.4)0.0260.0530.0680.0850.0990.1120.121表3 強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)整理1234567傳熱管內(nèi)徑di,m0.0020

16、.0020.0020.0020.0020.0020.002孔板壓差（Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88空氣入口溫度ti1(）78.275.074.272.773.073.774.4空氣出口溫度ti2(）78.275.074.272.773.073.774.4壁面熱電勢(shì)E(mv)4.144.144.134.134.134.134.13表4 強(qiáng)化管數(shù)據(jù)整理1234567管內(nèi)傳熱面積Si,*10-26.286.286.286.286.286.286.28管內(nèi)平均溫度tmi(）54.6553.6554.1554.5555.9557.4558.75 (kg/ m3)1.07

17、81.0811.0791.0781.0731.0681.063Cp1.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005Pr0.6970.6970.6970.6970.6970.6960.696*1002.8582.8512.8542.8572.8682.8782.885*1000001.9821.9871.9801.9821.9901.9982.002壁面溫度Tw (）98.698.698.498.498.498.498.4平均溫差tm(）41.841.341.041.340.138.737.5管內(nèi)流量Vi(m3/h)6.2412.8119.0725.7131.0635.97

18、39.53流通截面積A,*10-43.143.143.143.143.143.143.14空氣流速u(mài)(m/s)5.5211.316.7822.7427.4831.8234.97傳熱量Q(W)0.0880.1650.2300.2810.3170.3480.367i（W/m2·）0.0340.0640.0890.1080.1260.1430.156Re6004.612383.918386.624736.329634.234017.837135.9Nu0.0240.0480.0620.0760.0880.0990.108Nu/Nu01.0431.0431.0511.0271.0231.0211.029l