气—气传热综合实验操作讲义
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20
21
东
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
ρi—冷流体的密度，kg /m 。3
cpi 和 ρi 可根据定性温度 tm 查得，
tm
ti1 ti 2
为冷流体进出口平均温度。ti1、ti2、
2
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
Nui
A
Rei
m
Prin
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
m 0.4
Nu=ARe Pr 中常数
Biblioteka Baidu
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 p1。
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 。
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 Nu B Re 的m 经验公式，其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
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。
i＝
Qi
t m Si
（2-1）
式中： i —管内流体对流传热系数，W/(m
2
·℃)；
Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m 2；
t mi —内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。
②
对 i
的实验数据进行线性回归，求关联式
Nu=BRe
m
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 p 2 。并在同一坐标系下绘制普通管
p1 ~Nu 与强化管 p 2 ~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。
一、 实验目的：
气—气传热综合实验讲义
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 Nu A Re mPr 0.4 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 Nu B Re m中常数 B、m 的值和强化比 Nu / Nu 0 ，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；
（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：
Qi Wic pi (ti 2 ti1) （2-4）
其中质量流量由下式求得：
Wi Vi i 3600
（2-5）
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m / 3h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
.
（2-6）
其中： Nui ， Rei i i i ， Pr i
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：
Nui A Rei Pmr
0.4 i
（2-7）
通过实验确定不同流量下的 Rei 与 Nui ，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。
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。
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
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 Nui ，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： Nu Nu0 ，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 Nu Nu0 ＞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
平均温差由下式确定：
t mi t w (ti1 ti 2 ) 2
式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；
（2-2）
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：
Si di Li
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东
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
ρi—冷流体的密度，kg /m 。3
cpi 和 ρi 可根据定性温度 tm 查得，
tm
ti1 ti 2
为冷流体进出口平均温度。ti1、ti2、
2
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
Nui
A
Rei
m
Prin
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
m 0.4
Nu=ARe Pr 中常数
Biblioteka Baidu
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 p1。
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 。
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 Nu B Re 的m 经验公式，其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。
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。
i＝
Qi
t m Si
（2-1）
式中： i —管内流体对流传热系数，W/(m
2
·℃)；
Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m 2；
t mi —内管壁面温度与内管流体温度的平均温差，℃。
②
对 i
的实验数据进行线性回归，求关联式
Nu=BRe
m
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 p 2 。并在同一坐标系下绘制普通管
p1 ~Nu 与强化管 p 2 ~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。
一、 实验目的：
气—气传热综合实验讲义
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 Nu A Re mPr 0.4 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 Nu B Re m中常数 B、m 的值和强化比 Nu / Nu 0 ，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；
（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：
Qi Wic pi (ti 2 ti1) （2-4）
其中质量流量由下式求得：
Wi Vi i 3600
（2-5）
式中：Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m / 3h；
cpi—冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
.
（2-6）
其中： Nui ， Rei i i i ， Pr i
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：
Nui A Rei Pmr
0.4 i
（2-7）
通过实验确定不同流量下的 Rei 与 Nui ，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。
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。
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
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 Nui ，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： Nu Nu0 ，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 Nu Nu0 ＞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
平均温差由下式确定：
t mi t w (ti1 ti 2 ) 2
式中：ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；
（2-2）
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：
Si di Li