实验五 液—液热交换的总传热系数及膜系数的测定

实验四 液—液热交换总传热系数及膜系数的测定
一、实验目的
在工业生产和实验研究中，常遇到两种液体进行热交换，来达到加热或者冷却 之目的。

为了强化热量传递过程，往往需要将流体进行强制流动。

对于在强制对流下进行的液一液热交换，曾有不少学者进行过研究，并取得了不少求算流体传热膜系数的关联式。

每一个关联式都是在特定的条件下，由大量实验数据归纳而成。

对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据及其计算式 。

本实验利用套管热器实验装置，测定液—液热交换的总传热系数，以及流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数。

希望通过本实验，对这种传热过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并加深对流体传热基本原理的理解。

二、实验原理
1、总传热系数K 的测定
冷热流体通过固体间壁所进行的热交换过程由给热—导热—给热三部分组成。

单位时间内热流体向冷流体传递热量，可由总的传热速率方程式及热量衡算方程表示：
)/()
()(12,,21,,s J t t c q T T c q t A K c p c m h p h m m -=-=∆⋅⋅=Φ （4—1）
或 )/(22s J t A K m ∆⋅⋅=Φ （4—2）
式中：Φ——传热速率，J/s ；
A ——固体壁面积，即热交换面积，m 2； A ——管的外表面积，m 2； K ——传热系数，W·m -2·K -1；
K 2——基于管外表面的传热系数，W·m -2·K -1；
m t ∆——两种流体的平均温度差，K 。

c m h m q q ,,,——分别为热流体和冷流体的质量流量，kg·s -1；
c p ，h ，c p ，c ——分别为热流体和冷流体的定性温度时的比热容，J·kg -1·K -1；
T 1，T 2——分别为热流体进口温度、出口温度，K ； t 1，t 2——分别为冷流体出口温度、进口温度，K ；
2
12
1ln t t t t t m ∆∆∆-∆=
∆ （4—3） 21,t t ∆∆——分别为热交换器两端冷热流体的温度差，K 。

2、表面传热系数h 的测定
若热流体在套管换热器的管内流动，则固体壁面两侧的给热速率基本方程式为：
)()(222111t t A h t T A h w w -=-=Φ （4—4）
式中： T ——热流体的温度，K ； t ——冷流体的温度，K ；
21,w w t t ——分别表示固体壁面内、外两侧的壁面温度，K ；
21,A A ——分别表示固体壁面内、外两侧的壁面面积，m 2； 21,h h ——分别表示固体壁面两侧的对流传热膜系数，W·m -2·K -1。

注意：流体与壁面之间的温度差应取热交换器两端流体与壁面之间温度差的对数平均值。

3、流体在圆形直管内进行强制对流传热时对流传热膜系数h 的关联式的测定 流体在圆形直管内进行强制对流传热时对流传热膜系数h 的关联式： m
p m c du d d
h )()(023
.0Pr Re 023
.08.08.0λ
μμρλλ
== （4—5） 式中：λ——流体的导热系数，W·m -1·K -1； ρ——流体的密度，kg·m -3；
μ——流体的粘度，Pa·
s ； u ——流体的流速，m·s -1； p c ——流体的比热容，J·kg -1·K -1； d ——圆管的直径，m 。

以上流体的物性参数均为定性温度时的数值。

当流体在套管环隙内作强制湍流时，上式中的d 用当量直径de 代替。

该关联式的适用范围：160Pr 6.0,10Re 4
<<>，管长与管径比50/>d l ，适用于低粘度流体（大多数气体和粘度小于2倍水的粘度的液体），且过程中无相变化。

通过实验测定关联式中指数m 的具体数值。

三、实验装置
本实验装置主要部分为套管换热器、恒温循环水槽、高位稳压水槽、电加热器以及一系列控温和测量仪表所组成。

图1 套管热交换器液—液热交换实验装置流程图
套热交换热器由一根φ12×2.0mm 的紫铜管作内管，φ20×2mm 的硬质玻璃管作套管所构成。

套管热交换器外再套一根保温管。

套管热交换器两端测温点之间的距离(测试段长度)为1000mm.。

每个检测端面上在管内、管外和管壁内表面设置三支铜—康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相连接，用以测量管内、管外流体的温度和管内壁面的温度。

用泵将热水由恒温槽打入管内。

热水流过热交换器的管内，再经补充加热器，最
冷
井
电加热器
恒温水槽
控温仪 T 2，t w2，t 2
T 1，t w1，t 1
高
位水槽
数字电压表
热回水
自来水
冷水阀门
热水流量计
后循环进入恒温槽。

补充加热器的功用是补充热水在热交换器中损失的热量。

冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽，再流入套管的环隙内，经热交换后，排入下水道。

四、实验步骤
（1）向恒温水槽内灌入蒸馏水，达到一定水位（溢流管有水溢出）。

（2）将恒温槽与补充加热器内的温度自控装置的温度定为50—55 ℃。

（3）开启自来水供水阀门，并调节好上水量，使高位槽内水位恒定。

（4）向冷阱内加入碎冰和蒸馏水，将热电偶接点插入冰水中，盖严盖子。

（5）当恒温槽内的水温达到预定指标后，先将冷水通向换热器的环隙内，控制流量在湍流区范围内；然后再启动恒温槽内水泵，将流量也控制在湍流区范围内。

再启动恒温槽的电热器和搅拌器。

（6）当各部分的温度和流量都恒定后，即传热达到稳定状态，便开始测定有关数据。

在冷水利流量保持不变的条件下，改变热水流量。

热水在0.0082——0.172kg/s 流量范围内，测取5—6组数据。

注意事项：
（1）在换热器内，，必须先通冷水，后通热水。

在热水没有流通之前，决不许开启补充加热器。

（2）在启动水泵前，必须将阀门关闭，待泵运转正常后，再徐徐开启阀门。

调节水流量时，开关阀门也要缓慢动作。

（3）一定要在传热过程达到稳定状态后测取数据。

每测一组数据。

最好重复2—3次，以便证实过程确已达到稳定状态。

尤其要严密监视热水的流量变化。

五、实验结果整理
1. 记录实验设备的基本参数
（1）实验装置：水平装置套管热交换器
（2）内管：材质：黄铜；外径：d= m；
壁厚：δ= m；测试段长度：l= m （3）外管：材质：有机玻璃；外径：d/= m；
壁厚：δ/= m；测试段长度：l= m （4）流体流通的截面积：
内管内截面积：S w1=m2；内管外截面积：S w2=m2；
外管内截面积：S w3= m2；环隙截面积：S= m2（5）热交换面积：
内管内壁表面积：A W= m2；内管外壁表面积：A’W= m2；
平均热交换面积A m =m2
2. 实验数据记录
3．实验数据整理
(1)求算总传热系数K
(2)流体在圆形直管内作强制湍流时的表面传热系数h
(3)流体在圆形直管内进行强制对流传热时对流传热膜系数h的关联式
六、思考题
1．通过对实验数据的分析，对如何强化传热过程受到哪些启发？。