传热综合实验

其中质量流量由下式求得：
（6-12）
Wm
Vm m 3600
（6-13）
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。
Cpm 和 m 可根据定性温度 tm 查得， t m
t1 t 2 为冷流体进出口平均温 2
3. 实验设备主要技术参数 表一 套 管 换 热 器 内管内径 di（mm） 内管外径 do（mm） 玻璃外管内径 Di（mm） 24 26 50 实验装置结构参数 列 管 换 热 器 内管外径 do（mm） 管束 不锈钢外管内径 Di（mm） 不锈钢外管内径 Do（mm） 管长（m） 10 31 100 93 1.00
6.6 实验注意事项
（1）检查热水箱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。 （2）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。 （3）调节流量后，应至少稳定 3~8 分钟后读取实验数据。 （4）热水箱温度不要调节过高，以免损坏设备。建议热水箱温度在 60-80℃ 范围。
玻璃外管外径 Do（mm） 57.0 管长（m） 1.00
4
6.5 实验操作步骤
1. 实验前的准备，检查工作 （1）向热水箱内加满蒸馏水。 （2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。 （3）检查热水管路各控制阀是否已关闭。 （4）接通电源总开关，设定热水箱温度 65℃，启动电加热器开关，开始对 热水箱内液体加热。 2. 套管换热器实验 （1）启动热水泵电源，打开阀门 12 向套管换热器，调节热水流量为一定值 2500(l/h)。 （2）打开阀门 2 启动风机用转子流量计调节流量，调好某一空气流量后。 稳定 3-5 分钟分别测量空气的流量，进、出口的温度及壁面温度。 （3）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 4～6 组数据。 3. 列管换热器实验 （1）打开阀门 4 和 16 后关闭阀门 2 和 12，进行列管换热器实验。 （2）按照重复套管换热器操作内容，稳定后分别记录热水进、出口温度和 空气进、出口温度。 4. 实验结束后，依次关闭加热、泵、风机和总电源。
λtm×100 (W/m.s)
Cp tm (KW/Kg .℃)
换热面积
(m2)
1 2 3 4 5 6 7
6.8 思考题
（1）实验中，如何判断系统达到稳定状态？ （2）在其他条件不变时，管内介质速度增大，其出口温度将如何变化？为 什么？ （3）影响传热系数 K 的因素有哪些？
Si di Li
（6-3）
Qi WmCpm(t2 t1)
其中质量流量由下式求得：
（6-4）
Wm
Vm m 3600
（6-5）
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。
序号
序号
质量流量 (Kg/s)
传热量 Q (W)
对流传热系 数K
空气入口 密度 ρt1
进出口 平均温 度 tm (℃)
换热器空 气平均密 度
(W/m2.s)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
(Kg/m3)
(Kg/m3)
1 2 3 4 5 6 7 ln(Δt2/Δ t1) μtm× 100000 (Pa.s)
序号
Δt2-Δt1
Δtm (℃)
度。t1，t2，T1，T2， Vm 可采取一定的测量手段得到。
6.4 实验装置
1. 实验装置面板图
图-1 传热过程综合实验面板图
3
2. 实验装置流程示意图
图-2
传热综合实验装置流程图
1-套管换热器空气进口温度；2-套管换热器空气进口阀；3-列管换热器热水出口温度； 4-列管换热器空气入口阀；5-列管换热器空气入口温度；6-空气流量；7-空气旁路调节阀； 8-套管换热器；9-列管换热器；10-列管换热器壁面温度；11-套管换热器空气出口温度； 12-套管换热器热水进口阀；13-列管换热器空气出口温度；14-列管换热器热水进口温度； 15-热水流量；16-列管换热器热水进口阀；17-热水调节阀；18-离心泵；19-风机； 20-热水箱内温度；21-加热器；22-热水箱；23-排水阀
5
6.7 实验数据处理与数据处理举例
（1）列出原始数据表、整理数据表（换热量、传热系数、各特征数以及重 要的中间计算结果） 、准数关联式的回归方程、回归结果及回归方差分析，并以 一组数据计算举例。 （2）在坐标系中绘制套管换热器的准数关联式回归图。
表-1
实验数据记录及数据整理表（普通管换热器） 1- 普 通 管
Cpm 和 m 可根据定性温度 tm 查得， t m
t1 t 2 为冷流体进、出口平均温 2
度。t1，t2，Tw， Vm 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
1
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 ARe m Pr n
（6-6）
其中： Nu
Ko Qi t m S O
（6-8）
式中：Ko ——列管传热系数，W/(m2·℃)； Qi ——管内传热速率，W； SO ——管外换热面积，m2；
tm ——平均温度差，℃。
tm 由下式确定：
tm tm 逆
（6-9） （6-10）
tm 逆
（T1 t2）（T2 t1） T t2 ln 1 T2 t1
6 传热综合实验装置
6.1 实验目的
（1）通过对普通套管换热器中空气-水蒸气的传热性能研究，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。 （2）应用线性回归分析方法，确定实验装置中的关联式 Nu ARemPr0.4 中 常数 A、m 的值。 （3）掌握列管传热系数 Ko 的测定方法。
序号 空气流量(m3/h) t1 (℃) ρt1 (Kg/m3) t2 (℃) Tw (℃) tm (℃) Ρtm (kg/m3) λtm×100 Cp tm μtm×100000 Δt (℃) Δtm (℃) vt1 (m3/h) U (m/s) Qc (W) аi (W/m2· ℃) Re Nu Nu/(Pr0.4)
式中：t1，t2 ——冷流体的入口、出口温度，℃；
2
T1，T2 ——热流体的入口、出口温度，℃；
tm 逆 ——逆流时平均温度差，℃；
管外换热面积： 式中：dO ——内管管外径，m； LO ——传热管测量段的实际长度，m。 由热量衡算式：
So ndo Lo
（6-11）
Qi WmCpm(t2 t1 )
u d ρ i di Cpm μm ， Re m i m ， Pr 。 i μm λm
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 ARem Pr0.4
1
2
3
4
5
6
7
6
表-2、列管换热器实验数据表
单管内径 8mm、管束 31 根、管长 1.0m 空气 出口 温度 t2 (℃) 热水 进口 温度 T1 (℃) 热水 出口 温度 T2 (℃) 体积 流量 Vt1 (m3/h) 换热器 体积 流量 Vm (m3/h)
列管换热器逆流 空气 流量 V (m3/h) 1 2 3 4 5 6 7 空气 进口 温度 t1 (℃)
i
Qi tmi Si
（6-1）
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 ——内壁面与流体间的温差，℃。
平均温差 t 由下式确定：
t Tw
t1 t2 2
（6-2）
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 来表示。 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。 通过换热器所传递的热流量，由热量衡算式：
（6-7）
这样通过实验确定不同流量下的 Re 与 Nu， 然后用图解法或者线性回归方法 确定 A 和 m 的值。 （二）列管换热器传热系数的测定 管壳式换热器又称列管式换热器， 是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面 的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要 是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。一种在管 内流动，称为管程流体（冷流体） ；另一种在管外流动，称为壳程流体（热流体） 。 实验装置采用双管程。 传热系数 Ko 用实验来测定
6.2 实验内容
（1）测定不同流速下套管换热器的对流传热系数 i 。 （2）测定不同流速下列管换热器的总对流传热系数 K。 （3）对 i 实验数据进行线性回归，确定关联式 Nu ARemPr0.4 中常数 A、 m 的数值。
6.3 实验原理
在工业生产中，要完成加热或者冷却任务，一般通过换热器来实现，换热器 必须在单位时间内完成传送一定热量的任务。但是，换热器结构形式繁多，性能 差异较大。因此，在具体使用场合，如何合理、经济地选用或设计一台换热器， 就必须充分了解换热器的性能。 了解换热器的性能的重要途径之一就是通过实验 测定换热器，了解其性能及影响性能的主要因素。 （一）套管换热器传热系数及其准数关联式的测定 对流传热系数 i 是研究传热过程和换热器性能的主要参数。 本实验中， 套管 换热器内，管程输送冷水，壳程输入热水。 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