化工传热综合实验装置说明书 天津大学化工基础实验中心201211一、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=ARemPr0.4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=BRem中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。二、实验内容：1.测定56个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。2. 测定56个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i。用图解法求关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的值。3.同一流量下，按实验所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。三、实验原理：1.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K，K（W/m2）为热冷流体间的总传热系数，且，所以： （1）式中：管内流体对流传热系数，W/(m2)； Qi管内传热速率，W； Si管内换热面积，m2； 管内平均温度差，。平均温度差由下式确定： （2） 式中：冷流体的入口、出口平均温度，； tw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tw 来表示，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积： （3）式中：di内管管内径，m； Li传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： （4）其中质量流量由下式求得： （5）式中：Vi冷流体在套管内的平均体积流量，m3 / h； cpi冷流体的定压比热，kJ / (kg)； i冷流体的密度，kg /m3。 cpi和i可根据定性温度tm查得，为冷流体进出口平均温度。ti1，ti2， tw， Vi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流体在管内作强制湍流，被加热状态，准数关联式的形式为 （6） 其中： 物性数据i、cpi、i、i可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，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Rei与，然后用线性回归方法确定A和m值。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，本实验装置是采用了多种强化方式，见表图1 螺旋线圈强化管内部结构其中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。其他强化方式请参见相关文献！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的值因强化方式不同而不同。在本实验中，采用实验1中的实验方法确定不同流量下的Rei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，Nu0是普通管的努塞尔准数，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。四、实验装置的及泵情况1.实验设备流程示意图见图-2 图-2 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1- 液位计；2-储水罐；3-排水阀；4-蒸汽发生器；5-强化套管蒸汽进口阀；6-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；12-强化套管空气进口阀；13-孔板流量计；14-空气旁路调节阀；15-旋涡气泵 ；16-蒸汽冷凝器实验装置流程简介：如图-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。实验的蒸汽发生釜为电加热釜，内有2根2.5Kw U型电加热器，用200伏电压加热（可由仪表调节）。气源选择XGB-2型旋涡气泵，使用旁路调节阀调节流量。蒸汽空气上升管路，使用三通和球阀分别控制气体进入两个套管换热器。 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换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换热的效果。2实验设备主要技术参数表1 实验设备主要技术参数实验内管内径di（mm）20.00实验内管外径do（mm）22.0实验外管内径Di（mm）50实验外管外径Do（mm）57.0测量段（紫铜内管）长度l（m）1.20强化内管内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h（mm）3节距H（mm）40加热釜操作电压200伏 操作电流10安（1）空气流量计:由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式(1)计算。 （1）其中：c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65； A0-孔的面积， m2 A0= d0d0-孔板孔径， d0 =0.0165 m ； -孔板两端压差，Kpa； -空气入口温度（即流量计处温度）下密度，Kg/m3。 实验条件下的空气流量V (m3/h)需按下式换算: （2）其中，V -实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h； -换热器管内平均温度，； t1-传热内管空气进口（即流量计处）温度，。（2）温度测量: 空气进、出传热管测量段的温度t ( )均由Pt100铂电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。 管外壁面平均温度tw( )由数字温度计测出,（热电偶为铜康铜)。（3）蒸汽发生器： 是产生水蒸汽的装置,使用体积为5升,内装有一支2.5kw的电热器,用165伏电压加热约15分钟后水便沸腾,为了安全和长久使用,建议最高加热电压不超过200伏(由加热电压表调节)。旁边配有方型水箱，为连续向蒸汽发生器给水用，每次实验前先检查水箱中液位，水箱中水不可低于水箱高度的四分之三，否则容易导致加热器干烧。（4）气源(鼓风机): 旋涡气泵XGB12型。（5）稳定时间:是指在外管内充满饱和蒸汽,空气流量调节好后,过3-5分钟,空气进出口的温度可基本稳定。这段时间称为稳定时间。3.实验装置面板图：图3 仪表面板示意图五、实验方法及步骤：1.实验前的检查准备(1)向水箱中加水至液位计上端。(2)检查空气流量旁路调节阀14是否全开(应全开)。(3)检查蒸气管支路各控制阀5（6）和空气支路控制阀12（11）是否已打开（应保证有一路是开启状态），保证蒸汽和空气管线畅通。(4)合上总电源开关，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验操作 打开加热开关,仪器按设定好的加热电压自动控制加热电压,蒸汽发生器内的水经过加热后产生水蒸气,并经过空气冷却器冷凝后冷凝液回到储水槽中。加热电压的设定：按一下加热电压控制仪表的键，在仪表的SV 显示窗中右下方出现一闪烁的小点，每按一次键，小点便向左移动一位，小点在哪个位子上就可以利用、键调节相应位子的数值，调好后在不按动仪表上任何按键的情况下30秒后仪表自动确认，并按所设定的数值应用。换热器壁温上升并稳定后，打开旁路调节阀14后启动风机（一般开到最大），用旁路调节阀14来调节空气的流量并在一定的流量下稳定35分钟后分别测量空气的流量,空气进、出口的温度和管壁温度，由温度巡检仪测量（1-光滑管空气入口温度；2-光滑管空气出口温度；3-强化管空气入口温度；4-强化管空气出口温度）,换热器内管壁面的温度由温度巡检仪（上-光滑管壁面温度；下-强化管壁面温度）测得。然后,在改变流量稳定后分别测量空气的流量,空气进,出口的温度, 壁面温度后继续实验。实验结束后,依次关闭加热、风机和总电源。一切复原。五.附数据处理过程举例： 1.实验数据处理实验数据计算过程简介(以光滑管第一组数据为例)。孔板流量计压差=0.54Kpa、壁面温度tw=100.8。进口温度t1 =22.9、 出口温度 t2 =69.5 已知数据及有关常数: (1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F(m2)： di20.0(),0.0200 (); F(di2)43.142(0.0200)240.0003142( m2).(2)传热管有效长度 L()及传热面积si(m2)： L1.200（) siL di3.1421.2000.02000.075394(m2).(3) t1 ( )为孔板处空气的温度, 为由此值查得空气的平均密度，例如：t1=22.9，查得=1.12 Kg/m3。(4)传热管测量段上空气平均物性常数的确定. 先算出测量段上空气的定性温度 ()为简化计算,取t值为空气进口温度t1()及出口温度t2()的平均值： 即=46.2（） 据此查得: 测量段上空气的平均密度 1.12 (Kg/m3)；