传热综合实验

αi= （2-1）
其中Qi=WiCpi(t2-t1)，Wi= ；Δtm= ，Δt2=tw-ti2,Δt1=tw-ti1；Si=πdiLi
式中，Wi为冷凝速率，kg/s；Vi为体积流量，m3/s；ρi为密度，kg/m3；Cpi为定压比热容，kJ/(kg·°C)；t1为入口温度，°C；t2为出口温度，°C；tw为管壁温度，°C；di为管直径，m；Li为管长，m。
实验条件：装置号 内管内径/壁厚/外径=20.0/1.0/22.0mm
入口温度ti1/°C
出口温度to1/°C
壁温tW/°C
孔板流量计ΔP/kPa
管路压降 ΔP1/kPa
1
2
3
4
5
6
备注：
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
入口温度ti2/°C
0.06644
奴塞尔数Nu×10-3
0.08762
0.08226
0.07762
0.06859
0.05902
0.04666
雷诺数Re×10-4
5.0077
4.5964
4.1329
3.5589
2.8982
1.9361
普朗特数Pr×10
6.96813
6.96936
6.97044
6.97139
6.97184
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
2号管第二组Re=40797.23，Pr=0.497907，αi=0.16303。
通过比较可知αi2/αi1=1.514>1，由此判断2号管为强化管。
3．根据数据表画关系图
图 2-3套管换热器实验准数Nu-Re关系曲线图
图 2-4 1号管与2号管Δp-Nu关系曲线图
4．实时任务
进口温差：45°C ； 完成任务选换热器 ：2号
实际情况是：Re>100000，0.498<Pr<0.7， = =49
由于条件在很大程度上不适用，故误差是在所难免的。
将所得数据分别代入两管的特征关联式，得Nu1=68.740；Nu2=121.238（更接近）。可以看出所给数据里1号管相关数据的关系图偏差较大，故应选2号管。
七、误差分析
1．特征关联式
经验式为Nu=0.023Re0.8Pr0.4,与两结果相比，存在一定误差。
1系统误差导致。
2经验式的适用条件为Re>10000，0.7<Pr<1700， >60；
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
再计算得A = 10-1。1342= 0.0734，m = 0.66708。
进行检验：|R|=0.99857,而α=0.01时，rmin=0.917<|R|。
∴该相关性在α=0.01水平上显著。
0.0060
定压比热容Cpi/(kJ/kg·°C)
1.005
1.005
1.0(kJ/s)
0.3463
0.3439
0.3339
0.3132
0.2746
0.2172
传热系数 αI/(kW/m2·°C)
0.12255
0.11573
0.10769
0.09745
0.08402
查表得Cpi= 1.005kJ/kg·°C；
Qi=WiCpi(t2-t1)=0.01525×1.005×22.6=0.3463kJ/s；αi= = =0.12255(kW/m2·°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/m2·°C； Nui= = =0.08762×103；
62.3
66.5
69.5
73.1
73.9
Δt2/°C
19.9
19.7
21.0
21.4
21.9
19.9
Δtm/°C
37.1171
37.0003
39.4732
40.8341
42.4776
41.1587
孔板流量计 ΔP/kPa
1．88
1．54
1．22
0．89
0．47
0．16
管路压降 ΔP1/kPa
7．68
准确度预报：SD=0.00608，则被预测Nu值落在Nu±2s范围内概率为95.4%，即预报Nu值的绝对误差≤2s=0.01216.
用同样的方法计算其他数据。
表 2-5 2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
项目
1
2
3
4
5
2．Nu=ARemPr0.4中A、m值的确定
关联式Nu=ARemPr0.4（2-2）
其中Nui= ；Rei= ；Pri= 。
将式（2-2）中等式两边取对数，得：
lg( )= 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
Vt0= 23.80 (2-4)
其中ΔP为孔板流量计两端压差，kPa；ρt0为t0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：
Vi= Vt0 (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
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=1.9394×10-5Pa·s；流量u= = =1.5426×105m/h； Rei= = = 5.00773×104；Pri= = = 0.696813.
将数据代入式（2-3）可得：lg101.247 =lgA + mlg(5.00773×104)
4．0797
3．6958
3．2023
2．3618
1．3889
普朗特数Pr×10
4.97973
4.97907
4.99290
5.00044
5.00948
5.00223
回归得到的特征数关联式Nu = 0.0139Re0.88Pr0.4
备注：
2．套管换热器类型判断
依据一：根据强化比。
强化比Nu1/Nu2=0.0734Re0。67Pr0.4/0.0139Re0.88Pr0.4=5.2806Re-0.21,令强化比=1，得Re=2762.74,故当Re＞2762.74时，Nu1/Nu2＜1，2号管为强化管；Re<2762.74时，Nu1/Nu2>1,1号管为强化管。可粗略认为在层流区2号管为强化管，湍流区1号管为强化管。
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/m3； Vt0= 23.80 = 23.80× =47.638； Vi= Vt0 = 47.638× = 48.439；Wi= = =0.01525；
表 2-6实时任务数据记录整理表
出口温度/°C
入口温度/°C
阻力/kPa
孔板压差/kPa
壁温/°C
80．7
35．1
6．31
11．5
102．8
选择理由：
所给温差在2号管第2、3组数据之间，故应选2号管；1号管的进出口温差也达不到要求。
数据验证计算：
将所得数据按之前方法计算可得：Nu=117.532；Re=41192.62；Pr=0.49999
依据二：根据管路压降。
通过整理数据，可得到整体上，2号管路比1号管压降大，推测可能由于2号管内的一些强化措施使其中的阻力增大，故而压降更大。由此定性地判断2号管为强化管。
依据三：根据传热系数。
选取两组中Re、Pr分别相近的两组数，分别为：
1号管第三组Re=41328.62，Pr=0.696936，αi=0.10769；
6.97185
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，Si=πdiLi=3.14*20.0×10-3*0.98=0.0616m2；Δt1=tw-ti1=98.7-40.6=58.1°C；Δt2=tw-ti2=98.7-63.2=35.5°C；定性温度Δtm= = = 45.8959；
出口温度to2/°C
壁温tW/°C
孔板流量计 ΔP/kPa
管路压降 ΔP1/kPa
1
2
3
4
5
6
备注：
表 2-3传热综合实验实时任务书
基础信息
实验日期
实验装置编号
班级
姓名
任务要求
进出口温差
实验情况记录
完成任务所选换热器编号
1出口温度
2空气流量
3阻力
4入口温度
六、数据处理
表 2-4 1号管换热器实验数据处理表
4.54
3.71
2.91
2.10
1.37
0.58
管路压降ΔP1/kPa
3.89
3.23
2.59
1.91
1.30
0.56
体积流量Vi/(m3/h)
48.439
44.317
39.694
34.062
27.662
18.174
冷凝速率Wi/(kJ/s)
0.01525
0.01408
0.01273
0.01101
0.00899
1.005
1.005
1.005
1.005
1.005
传热系数 αI/(kW/m2·°C)
0.17819
0.16303
0.14927
0.13277
0.10080
0.06421
奴塞尔数Nu×10-3
0.13026
0.11922
0.10842
0.09615
0.07269
0.04646
雷诺数Re×10-4
4．5031
6
入口温度ti1/°C
39．7
39．5
35．6
32．5
29．3
27．8
出口温度to1/°C
82．0
82．1
81．1
80．6
80．5
81．8
壁温tW/°C
101．9
101．8
102．1
102．0
102．4
101．7
进出口温差Δt/°C
42．4
42．6
45．5
48．1
51．2
54．0
Δt1/°C
62.2
进出口温差Δt/°C
22.6
24.3
26.1
28.3
30.4
36.0
Δt1/°C
58.1
61.4
64.5
67.6
69.7
73.1
Δt2/°C
35.5
37.1
38.4
39.3
39.3
37.1
Δtm/°C
45.8959
48.2341
50.3270
52.1771
53.0563
53.0808
孔板流量计ΔP/kPa
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。
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αi。
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=ARemPr0.4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αi的测定
由于αi＜＜α0,所以传热管内的对流传热系数αi≈K，K（W/m2·°C）。所以，根据牛顿冷却定律可得，
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
项目
1
2
3
4
5
6
入口温度ti1/°C
40．6
37．7
34．8
32．2
30．6
25．2
出口温度to1/°C
63.2
62.0
60.9
60.5
61.0
61．2
壁温tW/°C
98.7
99.1
99.3
99.8
100.3
98.3
6.39
5．21
3．94
2．27
1．04
体积流量Vi/(m3/h)
30.3578
27.4743
24.8056
21.3901
15.7122
9.1534
冷凝速率Wi/(J/s)
9.58374
8.67901
7.93406
6.90886
5.12592
3.0001
定压比热容Cpi/(kJ/kg·°C)
1.005