对流传热系数及准数关联式常数的测定化学 系 二 班 学号00610055 姓名 于某第 2 套装置 组别B1组8号 得分同组人姓名赵某， 宋某 ， 田某实验日期2009年 _月 3 日星期 三1.引言1.1 实验目的a. 了解套管换热器的构造；b. 掌握用热电偶温度计测量温度的方法；c. 通过空气一水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数q的测定 方法，加深对其概念和影响的理解。并应用线形回归分析方法，确定关联式 Nu=ARemPro.4 中常数 A、m 的值；d. 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和强化比Nu/Nu, 了解强化传热的基 本理论和基本方式；1.2 实验原理1.2.1 普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定a.对流传热系数a.的测定 对流传热系数是研究传热过程及换热器性能的重要参数，本实验的套管换热器中，冷流体空气在管内作强制对流流动，热流体水蒸气在管外流动。冷、热流 体成逆流流动，根据牛顿冷却定律：(1)(2)(3)(4) dQ局部对流传热速率，W； S。换热器管内侧和外侧表面积，m2；a., ao一一换热器管内侧和外侧流体对流传热系数，Wm-2C-i；tc，th一一换热器任一截面上冷、热流体平均温度，C；tcW, thW换热器任一截面上与冷、热流体相接触一侧的壁面温度，C；d. 换热器内管直径，m；L传热管的有效长度，m。忽略管壁热阻及污垢热阻，且热流体进出口温度相差很小：(5) (6)K一一总传热系数，Wm-2C-i；tmi对数平均温度差，C；Q.管内传热速率，W；tc1，tc2冷流体进、出口温度，C； tW壁面平均温度，C。实验所采用的紫铜管导热系数很大，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表示：(7) 假设换热器绝缘良好，热损失可以忽略时，单位时间内换热器中冷、热流体 的吸、放热相等，以下标c，h分别表示冷热流体，下标1，2分别表示进口和出 口，有热量横算式：(8)(9) (10) Q换热器的热流量，kW；Cpc定性温度下冷流体的比定压热容，kJkg-iC-i；qmc冷流体的质量流量，kgs-i； m cqV,c冷流体的体积流量，m3s-i；pctm下冷流体的密度，kgm-3。b. 对流传热系数准数关联式的实验确定由于流体和壁面之间的传热比较复杂，影响对流传热系数的因素很多，例如 流体的流动状态；引起流动的原因；流体性质；传热面的形状、大小和位置等。故结合大量实验数据，应用因次分析法，对无相变时的强制对流传热系数的因素 进行归纳得到：Nu努塞尔数，表示对流传热膜系数的特征数;Re雷诺数，表示流动类型的特征数；Pr普朗特数，表示物性影响的特征数。流体在圆形直管内强制湍流条件下被加热时，上式表示为：(12)(13)(14)(15)Atm下流体的导热系数，Wm-iK-i；卩tm下流体的粘度，Pas；A，m，n常数(加热时n = 0.4，冷却时n = 0.3)。对于管内被加热的空气，Pr.变化不大，可视作常数，则关联式简化为(16) 整理并取对数，得：(17) 令；。则 Y， X 为线性关系，通过线性拟合求得待测常数。1.2.2 强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 强化传热能减少传热面积，以减少换热器的体积和质量；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，更有效的利用能源和资金。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。通过实验研究总结了形式为 Nu=BRem 的经验公式，采用普通套管换热器系 数及其准数关系式的测定实验中的实验方案确定不同流量的Rei和Nu：，用线性 回归的方法可以确定B和m的值。研究强化手段的强化效果，可以用强化比的概念作为评测，它的形式是：Nu/Nuo,其中Nu是强化管的努赛尔数，Nu。是普通管的努赛尔数，显然强化比 (Nu/Nu1),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利益，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，而且阻力系数较小的强化方式， 才是最佳的强化方式。1.2.3 空气流量的计算20C时空气流量qV 20与压差计读数Ap(kPa)间的关系为：(18)， (19)2. 实验部分2.1 实验仪器及实验装置图图 1 对流传热系数实验装置图1普通套管换热器2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空气支路控制阀9、10蒸汽放空阀11、12蒸汽支路控制阀13液位计14放水口15加水口16冷凝液回流口2.2 实验步骤2.2.1 实验前准备工作 确认储水罐和蒸汽发生器间的阀门处于打开状态。检查储水槽中水位不低于 储水罐的 1/2。检查并确认两根被测管路上的阀门及空气旁路阀均处于关闭状态。2.2.2 光滑套管传热实验打开通向光滑套管的蒸汽支路阀6,接通电源总开关；按“V”控制数字位置， 趁绿色圆点闪烁时用用Z控制数字大小，设置加热电压为200 V；启动电加热器, 开始加热，注意加热电压不超过 200V。当光滑套管换热器的放空口 9有水蒸气冒出时（此时壁温99C）,全开空气 流量旁路阀 14 和光滑套管的空气进气阀 11，启动风机。用放空阀14来调节空气流量，调好某一流量稳定35分钟后，分别记录空 气的流量、空气进口温度、空气出口温度及壁面温度；一般从小流量到最大流量 之间要测量 56 组数据。实验过程中，注意不要被蒸汽管路烫伤。2.2.3 强化管传热实验 检查储水罐中的水位是否正常，如果发现水位过低，应及时补给水量。打开通向强化管的蒸汽支路阀 5，关闭蒸汽支路阀 6；全部打开空气旁路阀 14，打开强化套管的空气进气阀 12，关闭空气支路阀 11，进行强化管传热实验。 实验步骤同步骤2.2.2。加热电压不超过 200V。2.2.4 实验结束实验结束后，关闭加热电源，至两管温度均50 C时，关闭风机和总电源。 关闭装置中两根被测管路上的阀门及旁路阀门。3. 实验结果与讨论3.1 实验数据3.1.1 实验基本参数表 1. 实验装置基本参数表装置编号传热管内径d/mm传热管有效长度L/m加热电压U/V220.001.202003.1.2 普通管和强化管实验数据表 2. 普通套管实验数据表123456空气流量Ap/kPa0.531.061.712.483.353.98冷流体进口温度t/C17.420.021.823.826.530.3冷流体出口温度tJC54.250.149.449.049.351.7套管壁温度 t3/C99.399.399.399.299.299.3流量计处温度(室温)4/c15.015.916.217.017.016.0表 3. 强化套管实验数据表123456空气流量Ap/kPa0.320.721.171.712.282.65冷流体进口温度 t1/C24.124.325.427.630.934.9冷流体出口温度t2/c77.368.265.564.465.466.7套管壁温度 t3/C99.499.399.299.299.299.2流量计处温度(室温)t/C17.017.417.617.918.017.93.2 数据处理3.2.1 对流传热系数及 3 个准数的确定表 4. 普通套管实验数据处理结果表123456流量计处空气密度pt/(kgm-3)1.2261.2221.2211.2171.2171.221空气在室温t下的流量q/(m3 h-1)9.1414.319.624.930.333.8定性温度tm/c35.835.035.636.437.941.0对数平均温差Atm/C61.763.162.762.060.657.6tm下的空气密度ptm/(kg m-3)1.1431.1461.1441.1411.1351.124空气质量流量qmx103 /( kg s-1)2.904.556.237.899.5510.6tm下冷流体比定压热容cpc/(kJ kg-1 C-1)1.0151.0151.0151.0151.0151.015传热量Q/W108139175202221230对流传热系数a./ (Wm-2 C-1)23.329.236.943.248.453.0冷流体流速u/(ms-1)8.0812.617.322.026.829.9tm下导热系数 入/(mW m-1 C-1)26.9326.8426.9127.0027.1627.49tm下流体粘度“/(“Pa s)18.8418.8018.8318.8718.9419.08雷诺数Re/1039.8015.421.026.632.135.2努塞尔数Nu17.321.827.432.035.638.6普朗特数Pr0.71010.71100.71020.70940.70780.7045表 5. 强化套管实验数据处理结果表i23456流量计处空气密度pt/(kgm-3)i.2i71.2161.2151.2131.2131.213空气在室温t下的流量q”/(m3 h-i)6.6iii.215.319.623.626.1定性温度tm/c50.746.245.446.048.250.8对数平均温差Atm/C43.449.951.251.049.046.6tm下的空气密度ptm/(kg m-3)1.0911.1061.1091.1071.0991.090空气质量流量 qmxl03 /( kg s-1)2.003.444.716.037.207.90tm下冷流体比定压热容 cpc/(kJ kg-i C-i)i.0i71.0161.0161.0161.0161.017传热量Q/W108153192225252255对流传热系数a./ (W