传热综合实验

一、实验目的

1.使用空气—水蒸气对流套管换热器实验装置，分别测定两个套管换热器的空气对流传

热系数α

i

。

2.应用线性回归分析方法，确定实验装置中两个套管换热器的关联式Nu=ARe m Pr0.4中常数

A、m的值。

3.分别测定不同流速下两个套管换热器的管内压降Δp，分别研究套管换热器的管内压降

Δp和Nu之间的关系。

4.综合分析上述实验结果，判定两个套管换热器类型（普通光滑内管或强化内管）。

5.根据实验数据和结果分析，选择适宜类型的一个套管换热器，调整实验参数满足实时

任务要求，完成实验报告。

二、实验原理

1．传热系数α

i

的测定

由于α

i ＜＜α

,所以传热管内的对流传热系数α

i

≈K，K（W/m2·°C）。所以，根据

牛顿冷却定律可得，

α

i =Q i

∆t m×S i

（2-1）

其中Q

i =W

i

C

pi

(t

2

-t

1

)，W

i

=

V iρ

i

3600

；Δt

m

= ∆t2−∆t1

ln∆t2

∆t1

，Δt

2

=t

w

-t

i2

,Δt

1

=t

w

-t

i1

；S

i

=πd

i

L

i

式中，W

i 为冷凝速率，kg/s；V

i

为体积流量，m3/s；ρ

i

为密度，kg/m3；C

pi

为定压比热

容，kJ/(kg·°C)；t

1为入口温度，°C；t

2

为出口温度，°C；t

w

为管壁温度，°C；d

i

为

管直径，m；L

i

为管长，m。

2．Nu=ARe m Pr0.4中A、m值的确定

关联式Nu=ARe m Pr0.4（2-2）

其中Nu

i =αi d i

λi

；Re

i

=u i d iρi

μi

；Pr

i

=c piμi

λi

。

将式（2-2）中等式两边取对数，得：

lg(Nu

Pr

)= lgA + mlgRe （2-3）采用一元线性回归分析拟合得到系数A、m。

3．空气流量的测量

V t0 = 23.80√∆P

ρt0

(2-4)

其中ΔP为孔板流量计两端压差，kPa；ρ

t0为t

时的空气密度，kg/m3。

由于被测管段内温度的变化，还需对体积流量进行进一步的校正：

V i = V

t0

×273+t m

273+t0

(2-5)

4．温度的测量

换热器进出口温度采用铂电阻温度计测量，內管壁温度采用铜-康铜热电偶测量，采用并联安装，使用电桥补偿法，保证温度测量准确。

三、实验流程图

图2-1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图

1-蒸汽支路控制阀 2、3-套管换热器 4-空气支路控制阀 5-孔板流量计 6-旁路调节阀 7-旋窝气泵 8-蒸汽风冷冷凝器 9-储水釜 10-蒸汽发生装置

测试点：A-冷流体入口温度测试点 B-冷流体出口温度测试点 C-管壁温度测试点 D-孔板流量计流量测试点 E-管路压降测试点

四、注意事项&操作方法

1．检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是进行下一实验前，若水位过低，应及时补给水量。

2．必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开；转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和

关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。

3．必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三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、关闭控制

阀。

4．调解流量后，应至少稳定5~8分钟后读取实验数据。

5．实验中保持上升蒸汽的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。

五、原始数据

表2-1 1号管换热器实验数据记录表实验条件：装置号内管内径/壁厚/外径=20.0/1.0/22.0mm

表2-2 2号管换热器实验数据记录表实验条件：装置号内管内径/壁厚/外径=20.0/1.0/22.0mm

表 2-3 传热综合实验实时任务书

六、数据处理

表 2-4 1号管换热器实验数据处理表装置编号 6 传热管内径/壁厚/外径=20.0/1.0/22.0mm 有效长度L=0.98m

回归得到的特征数关联式 Nu = 0.0734Re0。67Pr0.4

备注：

1.数据处理示例：

以第一组数据为例，S i =πd i L i = 3.14*20.0×10-3*0.98=0.0616m 2； Δt 1=t w -t i1=98.7-40.6=58.1°C ； Δt 2=t w -t i2=98.7-63.2=35.5°C ；定性温度Δt m = ∆t 2−∆t 1

ln ∆t 2

∆t 1

=

35.5−58.1ln 35.558.1

=

45.8959；

查表，并将空气密度-温度关系制得曲线图，在R = -0.99741条件下得一直线：ρ=1.2814-0.00365t 。故入口温度40.6°C 时，ρi =1.1332kg/m 3； V t0 = 23.80√∆P

ρt0

= 23.80

×√4.54

1.1332=47.638； V i = V t0×273+t m 273+t 0

= 47.638×

273+45.8959273+40.6

= 48.439； W i =V iρ

i

3600

=

48。439×1。1332

3600

=0.01525；

查表得C pi = 1.005 kJ/kg ·°C ；

Q i = W i C pi (t 2-t 1)=0.01525×1.005×22.6=0.3463kJ/s ；αi = Q i

∆t m

×S

i

= 0.3463

45.8959×0.0616

=0.12255(kW/m 2

·°C)；

查表，并将空气热导率-温度关系制得曲线图，在R=1条件下得一直线：λI = 2.476+0.007t 。故45.8959°C 时，λi = 2.797×10-2W/m 2·°C ； Nu i =

αi d i λi

=

122。55×0。022。797×10−2

=0.08762×103；

查表，并将黏度-温度关系值得曲线图，在R=1条件下得一直线：μi =1.71+0.05t 。

故45.8959°C 时，μ=1.9394×10-5 Pa ·s ；流量u = V i A = 48.4393.14∗0.01∗0.01 =1.5426×105m/h ； Re i =

u i d i ρi μi

=

1.5426×105×0。02×1。1332

3600×1。9394×10−5

= 5.00773×104

； Pr i =

c pi μi λi

=

1.005×103∗1.9394×10−5

2.797×10−2

= 0.696813.

将数据代入式（2-3）可得：lg101.247 =lgA + mlg(5.00773×104) 即：2.0054 = a + 4.6996b ；

将其他数据同样代人并线性回归之可得出a 、b 值，如图2-2所示。

图 2-2 线性回归结果表