实验四气-汽对流传热综合实验报告

化学实验教学中心

实验报告

化学测量与计算实验Ⅱ

实验名称：气-汽对流传热综合实验报告

学生：学号：

院（系）：年级：级班指导教师：研究生助教：

实验日期： 2017.05.26 交报告日期： 2017.06.02

一、实验目的

1.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；

2.应用线性回归分析方法，确定关联式中常数的值；

3.通过对管程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，测定其强化比，了解强化传热的基本理论和基本方式。

二、实验原理

本实验采用套管换热器, 以环隙流动的饱和水蒸汽加热管空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管空气对管壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。

（一）光滑套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

1.对流传热系数的测定

在该实验中，空气走管，蒸汽走外管。对流传热系数可以根据牛顿冷却定律，用实验测定

（1）

式中，为管流体对流传热系数，；为管传热速率，；管换热面积，；为壁面与流体间的温差，。

由右式确定：（2）

式中，分别为冷流体的入口、出口温度，；为壁面平均温度，。

应为换热器管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为壁温度、外壁温度和壁面温度近似相等，用来表示。

管换热面积：（3）

式中，为管管径，；为传热管测量段的实际长度，。

由热量衡算式：（4）

其中质量流量由右式求得：（5）

式中，为冷流体在套管的平均体积流量，；为冷流体的定压比热，；为冷流体的密度，。

和可根据定性温度查得，为冷流体进出口平均温度。可采取一定的测量手段得到。

2.对流传热系数准数关系式的实验确定

流体在管做强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为：（6）其中，，，

物性数据可根据定性温度查得。经计算可知，对于管被加热的空气，普兰特常数变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为：（7）这样通过实验确定不同流量下的与，然后用线性回归方法确定的值。

（二）强化管换热器传热系数、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，本实验装置是采用在换热器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，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与管径d的比值技术参数，且长

径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得，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：，其中是强化管的努塞尔准数，是普通管的努塞尔准数，显然，强化比，而且它的值越大，强化效果越好。

三、实验流程设备主要技术数据

1.设备主要技术数据见下表：

表1 实验装置结构参数

实验管径d i （mm ） 20.00 实验管外径d o （mm ） 22.0 实验外管径D i （mm ） 50 实验外管外径D o （mm ） 57.0 测量段（紫铜管）长度L （m ）

1.00 强化管插物 （螺旋线圈）尺寸

丝径h （mm ） 1 节距H （mm ） 40 加热釜

操作电压 ≤200伏 操作电流

≤10安

2.实验的测量手段 （1）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

的关系为：5

.020)(694.22P V ∆⨯= （8）

其中，20V 为20℃下的体积流量，m 3

/h ；

为孔板两端压差，；为空气入口温度（及流量计

处温度），℃。

由于换热器温度的变化，传热管的体积流量需进行校正：

（9）

（2）温度的测量

空气进出口温度采用Cu50铜电阻温度计测得，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管的下排读数读出。

（3）电加热釜

是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),•装有一支2.5kw 的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25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)。 （4）气源(鼓风机)

又称旋涡气泵,XGB ─2型,由市仪表二厂生产,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。 3. 实验设备流程图

图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-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