实验四 传热实验

实验四 气-汽对流传热实验

一、实验目的

⒈了解套管换热器的结构。

⒉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

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=ARe m

Pr 0.4

中常数A 、m 的值。

二、 实验原理

2.1 对流传热系数i α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 α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定

i

m i

i S t Q ⨯∆=

α （1） 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2

·℃)； Q i —管内传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2；

m t ∆—内壁面与流体间的温差，℃。 m t ∆由下式确定： 2

2

1t t t t w m +-

=∆ （2） 式中：t 1，t 2 —冷流体的入口、出口温度，℃；

t w —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t w 来表示。 管内换热面积： i i i L d S π= （3）

式中：d i —内管管内径，m ；

L i —传热管测量段的实际长度，m 。 由热量衡算式： )(12t t Cp W Q m m i

-= （4）

其中质量流量由下式求得： 3600

m

m m V W ρ=

（5）

式中：m V —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3

/ h ； m Cp —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)；

m ρ—冷流体的密度，kg /m 3

。

m Cp 和m ρ可根据定性温度t m 查得，2

2

1t t t m +=

为冷流体进出口平均温度。t 1，t 2， t w ， m V 可采取一定的测量手段得到。

2.2 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 n m

A Nu Pr Re =. （6）

其中： i i i d Nu λα=

， m m i m d u μρ=Re ， m

m

m Cp λμ=P r

物性数据m λ、m Cp 、m ρ、m μ可根据定性温度t m 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： 4

.0Pr

Re m

A Nu = （7）

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。

2.3 实验的测量手段 ⑴ 空气流量的测量

空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。该孔板流量计在20℃时标定的流量和压差的关系式为：

（8）

流量计在实际使用时往往不是20℃，此时需要对该读数进行校正：

20

2732731

20

1++=t V V t （9）

式中：P ∆—孔板流量计两端压差，KPa ； 20V —20℃时体积流量， m 3

/h ；

1t V —流量计处体积流量，也是空气入口体积流量，m 3/h ； 1t —流量计处温度，也是空气入口温度，℃。

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： 1

1273273t t V V m

t m ++⨯

= （10）

648

.020)(909.13P V ∆⨯=

V—传热管内平均体积流量，m3/h；

m

t—传热管内平均温度，℃。

m

⑵温度的测量

空气进出口温度采用电偶温度计测得，由多路巡检表以数值形式显示（1—普通管空气进口温度；2—普通管空气出口温度；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

是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升,•内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30℃时，用(120—180)伏电压加热，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(由固态调压器调节)。

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。

三、实验装置

3.1 设备主要技术数据见表1

表1 实验装置结构参数

3.2 实验流程如图2所示

图2 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-普通套管蒸汽进口阀；7-普通套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;9-普通套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口;11-普通套管空气进口阀；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；

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. 实验开始.

⑴关闭通向强化套管的阀门5，打开通向简单套管的阀门6，当简单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3-8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做完简单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