传热综合实验报告示例

实验2 传热综合实验

一、实验目的

⒈ 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。

⒉ 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。

⒊ 了解套管换热器的管内压降

和Nu 之间的关系。

⒋ 通过对几种各具特点、不同形式的热电偶线路的实验研究，掌握热电偶的基本理论以及第三导线、补偿导线的概念，了解热电偶正确的使用方法。 二、 实验内容与要求

三、实验原理

实验2-1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

i αp ∆

⒈ 对流传热系数的测定

对流传热系数

可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为<<,所以传热管

内的对流传热系数

热冷流体间的总传热系数 （W/m 2·

℃）

（2-1）

式中：

—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；

—对数平均温差，℃。

对数平均温差由下式确定：

（2-2）

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，由于管外使用蒸汽，近似等于热流体的平均温度。 管内换热面积：

（2-3）

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：

（2-4）

其中质量流量由下式求得：

（2-5）

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。

i αi αi αo α≈i α()i m i s t Q K ⨯∆=/i

m i

i S t Q ⨯∆≈

αi αmi

t ∆)()(ln )

()(2121i w i w

i w i w mi t t t t t t t t t -----=

∆i

i i L d S π=)

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

i i V W ρ=

c pi 和ρi 可根据定性温度t m 查得，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。

⒉ 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

. （2-6）

其中：

，

，

物性数据λi 、c pi 、ρi 、μi 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 i 变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

（2-7）

这样通过实验确定不同流量下的Re i 与

，然后用线性回归方法确定A 和m 的值。

实验2-2、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2-1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，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。 在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的Re i 与，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Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu 0是普通管的努塞尔准数，

22

1i i m t t t +=

n

i m

i i A Nu Pr Re =i

i

i i d Nu λα=

i

i

i i i d u μρ=

Re i

i

pi i c λμ=

Pr 4

.0Pr Re i m

i i A Nu =i

Nu h d /2m B Nu Re =i

Nu 0

Nu Nu 图2-1 螺旋线圈强化管内部结构

显然，强化比

＞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。

实验2-3、热电偶线路的形式和特点

理论上，由A 、B 两种不同金属丝直接接触组成的热电偶的热电势，是两个热电极的材料和冷热两端温度的函数，即：

（2-8 ）

热电偶回路具有特有的基本定律。根据这些基本定律，在使用中，又有第三导线、补偿导线等特殊用法。本实验要求从具体的实验结果数据中总结正确的结论，验证其基本规律，并熟悉热电偶线路、第三导线及补偿导线正确的联接方法。 四、实验装置

⒈ 实验流程图及基本结构参数：

图2-2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（第1～6套）

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、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—传热系数分布实验套盒（本实验不使用）；15—紫铜管；16—加水口；

Nu Nu ()()

T t B A f T t E AB ,,,,00=20

21