传热实验教案

0.7331
Nu 0.0322Re 0.73317 Pr0.4
重复上面步骤，同样可以得到强化套管换热器的实验数据，数据结果见表 3。 ⑾第一套套管换热器实验准数关联图见图 3
普通管 强化管 乘幂 (普通管)
套管换热器实验准数关联图
1000
y = 0.0303x0.7902
100
y = 0.0322x0.7331
六、附录
⒈ 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 =0.62 KPa，空气进口温度 t1 ＝18 ℃ 出口温度 t 2 ＝62.9 ℃，传热管壁面温度 t w =99.5 ℃ (1)传热管内径 d i 及流通截面积 Fi
d i ＝20.00(ｍｍ),＝0.0200 (ｍ);
来表示。
Si d i Li
（3）
Qi WmCpm (t 2 t1 )
（4）
教
其中质量流量由下式求得：
案
Vm m 3600
（5 ）
Wm
式中： Vm —冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h；
Cpm —冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
m —冷流体的密度，kg /m3。
t m t w
⑹ 传热速率
t1 t 2 = 99.5－40.45 = 59.05（℃） 2
Vm m Cp m (t 2 t1 ) 12.31 1.14 1005 (62.9 18) 176（W） 3600 3600 ⑺ 管内传热系数 Q
i Q /t m Si 176/(59.05 0.07536 ) 39（W/m2·℃）
⒊ 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。 ⒋ 调节流量后，应至少稳定 3~8 分钟后读取实验数据。 ⒌ 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。
△tm(℃)
1
2
3
4
5
6
Vt1(m3/h) Vm(m3/h) um(m/s) Q(W) α
i
（W/m2· ℃ Re Nu
Nu/(Pr0.4)
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。
（7）
三、实验流程和设备主要技术数据
⒈ 设备主要技术数据见表 1 表1 实验内管内径 di（mm） 实验内管外径 do（mm） 实验外管内径 Di（mm） 实验外管外径 Do（mm） 测量段（紫铜内管）长度 L（m） 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 加热釜 丝径 h（mm） 节距 H（mm） 操作电压 操作电流 实验装置结构参数 20.00 22.0 50 57.0 1.20 1 40 ≤200 伏 ≤10 安
Vm Vt1
平均流速 u m :
273 t m 273 40.45 =12.31（m3/h） 11.53 273 t1 273 18
12.31/(0.0003142 um Vm /F 3600 3600 ) =10.88（m/s）
⑸ 壁面和冷流体间的平均温度差 t m 的计算:
五、注意事项
⒈ 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。
教
慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
案
⒉ 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
教
一、实验目的
2.应用线性回归分析方法，确定关联式 Nu A Re Pr
m 0.4
案
中常数 A、m 的值；
1.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；
二、实验原理
本实验装置是光滑套管换热器，以空气和水蒸汽为传热介质。 本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的， 以空气和水蒸汽为传热 介质。 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
⑻ 各准数
Nu i di / 39 0.0200/ 0.0275 29
Re di um m / m 0.020010.881.14/ 0.0000191 =12946
Pr Cp 1005 1.91 105 0.698 0.0275
m 0.4
Nu/Pr^0.4
10 1000
10000
Re
100000
图3
Nu ～ Re 关系曲线 Pr 0.4
附:数据记录表： 表 1 光滑套管换热器原始数据记录表
数 据 整 理 表
装置编号：
（1）（普通）
普 通 管
No. 流量（kPa) t1(℃） t2(℃） Tw(℃） ρ t1(Kg/m3) tm(℃） ρ m(kg/m3) λ m×100 Cpm μ m×10000
Fi d i / 4 ＝3.142×(0.0200) 2／4＝0.0003142（m2).
2
(2)传热管有效长度 L 及传热 d i L ＝3.142×0.02×1.20＝0.07536(m2).
(3)空气平均物性常数的确定 先算出空气的定性温度 t m ， 在此温度下空气物性数据如下： 平均密度 ρ m ＝1.14(kg/m3)； 平均导热系数 λ m＝0.0275(Ｗ／ｍ·K)； 平均比热 Cpm＝1005 (J／Kg·k)； 平均粘度 μ m＝0.0000191 ( Pa s )；
（6 ）
i di i
，
Re
um d i m
m
，
Pr
Cp m m
m
物性数据 m 、 Cpm 、 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：
Nu A Re m Pr0.4
四、实验方法及步骤
⒈ 实验前的准备，检查工作。 ⑴ 向储水罐中加水至液位计上端处。 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. 实验步骤
⑴ 关闭通向强化套管的阀门 5，打开通向光滑套管的阀门 6，当光滑套管换热器的放空 口 9 有水蒸气冒出时，可启动风机，此时要关闭阀门 12，打开阀门 11。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 14 来调节流量，调好某一流量后稳定 3-5 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。 ⑶ 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 5，全 部打开空气旁路阀 14，关闭蒸汽支路阀 6，打开空气支路阀 12,关闭空气支路阀 11，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。
教
⑵ 温度的测量
案
空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示（1—光滑管空 气进口温度； 2—光滑管空气出口温度； 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 表的下排数据读出。 ⑶ 电加热釜 蒸汽发生器的使用体积为 5 升,内装有一支 2.5kw 的螺电热器，与一储水釜相连（实验过 程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧），刚开始实验时用低电 压（130 伏左右），加热 10 分钟后可以相应的加高电压(150 伏—180 伏)，约 15 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(由仪表调节电压)。 ⑷ 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 0.75 KW（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。


其它组数据处理方法同上，数据结果见表 2。 ⑼ 求关联式 Nu A Re Pr 以 中的常数项
Nu Nu 为纵坐标， Re 为横坐标，在对数坐标系上标绘 0.4 ～ Re 关系，见图 3 中 0 .4 Pr Pr
直线Ⅱ。由图线回归出如下结果： 即 ⑽ 强化套管换热器数据
y = 0.0322x
教
⒉ 实验流程如图 2 所示 ⒊ 实验的测量手段 ⑴ 空气流量的测量：
案
Vt1 c0 A0
2 P
t1
（8）
其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65 A0-孔的面积 m2
d0-孔板孔径 ， d0 =0.014 m
P -孔板两端压差，Kpa
t1 -空气入口温度（即
流量计处温度）下密度，Kg/m3。 （9）
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 Vt1
（10）
273 t m 273 t1
Vm —传热管内平均体积流量，m3/h；
t m —传热管内平均温度，℃。
图1
空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1-液位管;；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀;；6-光滑套管蒸汽进口阀；7光华套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;9-光滑套管蒸汽出口； 10-强化套管蒸汽出口; 11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀、13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀； 15-旋涡气 泵加水口；
i
Qi t m S i
（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；
t m —内壁面与流体间的温差，℃。 t m 由下式确定：
t m t w t1 t 2 2
（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 管内换热面积： 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：
tm
t1 t 2 = 40.45（℃） 2
⑷ 空气流过换热器内管时平均体积流量 Vm 和平均流速的计算 孔板流量计体积流量：
Vt1 c0 A0
（m3/h）
2 P
t1
=0.65*3.14*0.0142*3600/4*
2 0.62 1000 =11.5 1.21
传热管内平均体积流量 Vm :
Cpm 和 m 可根据定性温度 tm 查得， t m
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
t1 t 2 为冷流体进出口平均温度。t1，t2， tw， Vm 2
Nu A Re m P rn .
其中： Nu