传热模拟实验

5）改变不同流量测取6-8 组数据。 6） 强化管实验打开强化管加热蒸汽进口阀5 和强化管空气进口阀12， 用上述同样方 法测取6-8 组数据。 7）实验结束后，依次关闭加热开关、风机和总电源。
五、实验记录及实验处理 1、数据记录
表1 实验数据记录表（普通管换热器） 流 量 计 压 差 0.17 0.27 0.33 0.42 0.56 ΔP(KPa) 进口温度T1(℃) 41.86 42.41 42.70 43.08 43.60 平 均 密 度 1.12 1.12 1.12 1.12 1.12 ρt1(Kg/m3) 出口温度T2(℃) 77.43 77.32 77.26 77.19 77.08 壁面温度Tw(℃) 99.52 99.52 99.52 99.52 99.52 空 气 定 性 温 度 59.65 59.86 59.98 60.14 60.34 Tm(℃) 平 均 密 度 1.06 1.06 1.06 1.06 1.06 ρtm(Kg/m3) 平 均 导 热 系 数 2.89 2.89 2.89 2.90 2.90 λtm*100(W ／ ｍ·K) 平 均 比 热 Cp(J 1005. 1005. 1005. 1005. 1005. ／Kg·K) 0 0 0 0 0 平 均 粘 度 2.01 2.01 2.01 2.01 2.01 μtm*100000(Pa. s) 冷 物 流 温 度 差 35.57 34.91 34.56 34.11 33.48 Δt(℃) 冷热流体间平均 39.87 39.66 39.54 39.38 39.18 温度差Δtm (℃) 体 积 流 量 8.71 10.98 12.14 13.70 15.81 Vt1(m3/h) 平 均 体 积 流 量 9.21 11.59 12.80 14.43 16.65 Vm(m3/h) 平均流速u(m/s) 8.14 10.25 11.33 12.77 14.73 传热速率Q（W) 97 120 131 146 165 对 流 传 热 系 数 32 40 44 49 56 α(W/m2·℃） 雷诺数Re 7086 8920 9856 11112 12817 传热准数Nu 22 28 30 34 39 0.68 43.96 1.12 77.01 99.52 60.49 1.06 2.90 0.84 44.45 1.11 76.92 99.52 60.68 1.06 2.90
二、实验装置
1.实验设备流程示意图
空气-水蒸气传热综合实验装置流程图 1-液位计； 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-光滑套管换热器； 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；16-蒸 汽冷凝器
四、 实验操作步骤
1）打开总电源开关，启动电加热器开关，设定加热电压，开始加热。 2）打开普通套管加热蒸汽进口阀6 和普通套管空气进口阀11。 3）换热器壁温上升并稳定后，打开空气旁路调节阀14（开到最大），启动风机。 4） 利用空气旁路调节阀14 来调节空气的流量并在一定的流量下稳定3—5 分钟 （仿 真为数值不再变化） 后分别测量记录空气的流量， 空气进、 出口的温度和管壁温度。
其中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 图 1 螺旋线圈强化管内部结 构
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 的比值以及管壁粗糙度（2d / h ）为 主要技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。 m 科学家通过实验研究总结了形式为Nu B Re 的经验公式，其中 B 和 m 的值因强化方 式不同而不同。 在本实验中，采用实验 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，只有强化比较高，且阻力系数较小的强化方式，才是最佳的强化 方法。
管内流体对流传热系数，W/(m ·℃)； Qi—管内传热速率，W； Si—管内换热面积，m2； tmi 管内平均温度差，℃。 平均温度差计算公式： tmi =tw －tm 式中：tm 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 来表示，由于管外使用蒸汽，所以 tw 近似等于热流体的平 均温度。 管内换热面积： Si =π diLi 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： α
1005. 0 2.01
1005. 0 2.01
33.05 39.03 17.43 18.34 16.22 179 61 14114 42
32.47 38.84 19.46 20.45 18.09 196 67 15742 46
Nu/(Pr＾0.4) 实验图表
24
29 图一
32
35
39
43
47
表2实验数据记录表（强化管换热器） 流 量 计 压 差 0.15 0.28 0.38 0.45 0.57 ΔP(KPa) 进口温度T1(℃) 41.65 42.51 43.08 43.43 43.95 平 均 密 度 1.12 1.12 1.12 1.12 1.12 ρt1(Kg/m3) 出口温度T2(℃) 82.60 82.45 82.35 82.28 82.19 壁面温度Tw(℃) 98.58 98.58 98.58 98.58 98.58 空 气 定 性 温 度 62.13 62.48 62.72 62.85 63.07 Tm(℃) 平 均 密 度 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 ρtm(Kg/m3) 平 均 导 热 系 数 2.91 2.91 2.91 2.91 2.92 λtm*100(W ／ ｍ·K) 平 均 比 热 Cp(J 1005. 1005. 1005. 1005. 1006. ／Kg·K) 8 8 8 8 2 平 均 粘 度 2.02 2.02 2.02 2.02 2.03 μtm*100000(Pa. s) 冷 物 流 温 度 差 40.95 39.94 39.27 38.85 38.24 Δt(℃) 冷热流体间平均 36.45 36.10 35.86 35.73 35.51
17.50 18.55 16.41 205 77 14002 53 53
19.46 20.59 18.21 224 85 15545 58 58
2、数据处理
（1）普通管
由图可知直线斜率为 m =0.838 。截距为 lgA=-1.849 。求得 A=0.0142 （2）强化管
由图可知直线斜率为 m =0.894 。截距为 lgA=-1.982 。求得 A=0.0104 六.讨论
三、实验原理
1.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α i 的测定 对流传热系数α i 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为α i <<α o ,所以传热管 2 内的对流传热系数α i ≈ K，K（W/m ·℃）为热冷流体间的总传热系数，且 K ≈ Qi /（tm *si ） 。 所以： α i ≈Qi /（tm *si ） 式中：
8.18 8.72 7.71 105 38 6614 26 27 图四
11.18 11.89 10.52 139 51 9022 35 36
13.03 13.84 12.24 159 59 10498 41 41
14.18 15.05 13.31 171 64 11416 44 44
15.95 16.92 14.97 190 71 12773 49 49
实验名称 传热模拟实验
班级 化艺146
姓名 楚莹鑫 成绩
学号 1401010625 指导老师 王许云
一、实验目的
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αi 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=ARemPr0.4 中常数A、m 的值。 2.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 其准数关联式Nu=BRem 中常数B、m 的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论 和基本方式。
（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，被加热状态，准数关联式的形式为： Nu i A Re i m Pr in 物性数据λ i、cpi、ρ i、μ i 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： Nu i A Re i m Pr i0 .4 这样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。 2 强化套管换热器传热系数、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 验装置是采用了多种强化方式，见表
0.68 44.38 1.11 82.11 98.58 63.25 1.05 2.92
0.84 44.96 1.11 82.01 98.58 63.49 1.05 2.92
1006来自百度文库 2 2.03
1006. 2 2.03
37.73 35.33
37.05 35.09
温度差Δtm (℃) 体 积 流 量 Vt1(m3/h) 平均体积流量 Vm(m3/h) 平均流速u(m/s) 传热速率Q（W) 对流传热系数 α(W/m2·℃） 雷诺数Re 传热准数Nu Nu/(Pr＾0.4) 实验图表
2
i
Qi =Wicpi(ti2－ti1 )
其中质量流量由下式求得： /3600 3 式中：Vi 冷流体在套管内的平均体积流量，m / h；
i
W i =Viρ
cpi 冷流体的定压比热，kJ / (kg·℃)；
ρ i 冷流体的密度，kg /m 。
3
cpi 和ρ i 可根据定性温度 tm 查得， tm =(ti1+ti2)/2为冷流体进出口平均温度。 ti1， ti2， tw， Vi 可 采取一定的测量手段得到。
误差产生的原因有以下几种可能： （1） 热电阻温度计、孔板流量计和压差计测量不够准确； （2） 流量计显示时有波动，读数不够准确； （3） 读取温度值时系统还未完全稳定； （4） 多步计算产生的误差； （5） 管壁不够光滑，管件材料不可能完全相同，造成一定的误差。 强化管的曲线总是在普通管曲线的上方，表明强化管的传热效率高于普通管。