传热综合实验

实验五 传热综合实验

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i

α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。

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=BRe 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。 二、实验内容

1. 测定5～6个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数i α，对i α的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARe m Pr 0.4中常数A 、m 的值。

2.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 α，对i α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.同一流量下，按实验1所得准数关联式求得Nu 0，计算传热强化比Nu/Nu 0。 三、实验原理

（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 α的测定

对流传热系数i α可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为i α<

以： （W/m 2·℃） 式中：i α—管内流体对流传热系数，W/(m 2·℃)；

Q i —换热器传热速率，W ； S i —管内换热面积，m 2； mi t ∆—对数平均温差，℃。

对数平均温差由下式确定：

式中：t i1，t i2—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，管外为蒸汽冷凝，因此，将壁面平均温度近似视为蒸汽的温度，且保持不变。

传热面积(内)：i i i L d S π= 式中：d i —传热管内径，m ；

L i —传热管测量段的实际长度，m 。

)

()(ln )

()(212

1i w i w

i w i w mi t T t T t T t T t -----=∆()i mi i i i S t Q K ⨯∆=≈/α

由热量衡算式：

其中质量流量由下式求得： 式中：V i —冷流体在套管内的平均体积流量，m 3 / h ；

c pi —冷流体的定压比热，kJ / (kg ·℃)； ρi —冷流体的密度，kg /m 3。

c pi 和ρi 可根据定性温度t mi 查得，2

2

1i i mi t t t +=

为冷流体进出口平均温度。t i1，t i2，T w ， V i 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

空气在管内作强制湍流，且被加热，准数关联式的形式为：

其中： i i i i d

Nu λα=， i i i i i d u μρ=Re ， i

i pi i c λμ=Pr

物性数据λi 、c pi 、ρi 、μi 可根据定性温度t mi 查得。这样通过实验确定不同流量下的Re i 与i Nu ，再用线性回归方法即可确定A 和m 的值。

（二）、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，它能减小换热器的传热面积，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的。

螺旋线圈的结构图如图5-1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 的比值以及管壁粗糙度为主要技术参数，长径比H/d 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m B Nu Re =的经验公式，其中B 和m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

在本实验中，采用普通管中的实验方法确定不同流量下的Re i 与i Nu ，用线性回归方法可确定B 和m 的值。

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

图5-1 螺旋线圈强化管内部结构

)(12i i pi i i t t c W Q -=3600

i

i i V W ρ

=4

.0Pr Re i m

i i A Nu =

评判准则，它的形式是：0Nu Nu ，其中Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu 0是普通管的努塞尔准数，显然，强化比0Nu Nu ＞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。

四、实验流程

1.实验流程

实验流程图见图5—2。实验装置的主体是两根平行的换热套管，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不同的换热管的内管。蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升，经支路控制阀选择不同的支路进入套管壳程。

装置结构参数如表5—1所示。

图5—2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

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.风机出口温度（冷流体入口温度）测试点； 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.蒸汽上升主管路； 15.加水口； 16.放水口； 17.液位计； 18.冷凝液回流口

表5—1 实验装置结构参数

实验内管内径d i （mm ） 20.00 实验内管外径d o （mm ） 22.0 实验外管内径D i （mm ） 50 实验外管外径D o （mm ） 57.0 测量段（紫铜内管）长度l （m ）

1.00