【20170424】传热综合实验讲义(学生版)-jidx

1、7.4 传热综合实验(20170424版本)7.4.1实验目的与要求1.通过实验，加深对传热理论的理解，提高研究和解决传热实际问题的能力；2.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。3.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， 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。4.学会并应用线性回归分析方法，确定传热管关联式中的常数A和m的数值，强化管关联式中B和m数值。5.根据计算出的Nu、Nu0求出强化比Nu/Nu0，比较强化传热的效果，加深理解强化传热的基本理论和方式。6.通过变换列管换热器换热面

2、积实验测取数据计算总传热系数K，加深对其概念和影响因素的理解。7.认识套管换热器（光滑、强化）、列管换热器的结构及操作方法，测定并比较不同换热器的性能。7.4.2实验原理 TTWtWt图7.4-1 间壁式传热过程示意图在工业生产中，间壁换热是经常使用的换热方式。热流体借助于传热壁面，将热量传递给冷热体，以满足生产工艺的要求。影响换热器传热速率的参数有传热面积、平均温度差和传热系数三要素。为了合理选用或设计换热器，应对其性能有充分的了解。除了查阅文献外，换热器性能实测是重要的途径之一。传热系数是度量换热器性能的重要指标。为了提高能量的利用率，提高换热器的传热系数以强化传热过程，在生产实践中是经常

3、遇到的问题。冷热液体间的传热过程是由热流体对壁面的对流传热、间壁的热传导、以及壁面对冷流体的对流传热这三个传热子过程组成。如7.4-1所示。在忽略了换热管内外两侧的污垢热阻后，以冷流体一侧传热面积为基准的传热系数计算式为： (7.4-1)式中：以冷流体一侧传热面积为基准的总传热系数，； 冷流体侧的对流传热(膜)系数，； 热流体侧的对流传热(膜)系数，； 换热管材料的导热系数，； 冷流体侧的传热面积，； 换热管的壁厚，； 换热管的对数平均面积，；7.4.2.1 普通套管换热器传热(膜)系数测定及准数关联式的确定(1)对流传热(膜)系数的测定：对流传热(膜)系数可以根据牛顿冷却定律，通过实验来测定

4、。 (7.4-2) (7.4-3)式中：管内流体对流传热系数，； 管内传热量，； 管内换热面积，； 管壁面与主流体之间的平均温度差，。 平均温度差由下式确定： (7.4-4)式中：冷流体的入口温度，； 冷流体的出口温度，； 壁面平均温度，； 因为换热器内管为紫铜管，其导热系数较大，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，用来表示，由于管外使用蒸汽，所以近似等于热流体的平均温度。管内换热面积： (7.4-5)式中：传热管内管内径，m； 传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式： (7.4-6)其中质量流量由下式求得： (7.4-7)式中：冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h

5、； 冷流体的定压比热容，kJ/(kg·)； 冷流体的密度，kg /m3。 和可根据定性温度查得， 为冷流体进出口平均温度。 ，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圆管内作强制湍流，被加热状态，在，管长与管内径之比为60的情况下，准数关联式的形式为： (7.4-8)其中： ， (7.4-9) (7.4-10) (7.4-11)努赛尔准数，描述对流传热系数的大小；雷诺准数，表征流体流动状态；普朗特准数，表征流体物性的影响；流体与固体壁面的对流传热(膜)系数，；流体的导热系数，；流体的比热容，；流体在管内流动的平均速度，；换热管的内径，；流体的粘度，； 流

6、体的密度，。 流体的物性数据、可根据定性温度查得。对于管内被加热的空气n=0.4则关联式的形式简化为： (7.4-12) 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的值。7.4.2.2强化套管换热器传热系数、准数关联式及强化比的测定 强化传热技术，可以使初设计的传热面积减小，从而减小换热器的体积和重量，提高了现有换热器的换热能力，达到强化传热的目的。同时换热器能够在较低温差下工作，减少了换热器工作阻力，以减少动力消耗，更合理有效地利用能源。强化传热的方法有多种，本实验装置采用了螺旋线圈的方式进行强化传热的。图7.4-2 螺旋线圈强化管内部结构 螺旋线圈的结构图如图7.4

7、-2所示，螺旋线圈由直径3mm以下的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A和m的值因强化方式不同而不同。在本实验中，确定不同流量下的Rei与，用线性回归方法可确定强化管内传热的经验关联式的和的值。 单纯研

8、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。7.4.2.3列管换热器总传热系数K的计算总传热系数K是评价换热器性能的一个重要参数，也是对换热器进行传热计算的依据。对于已有的换热器，可以通过测定有关数据，如设备尺寸、流体的流量和温度等，通过传热速率方

9、程式计算K值。传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系。该方程式中，冷、热流体温度差T是传热过程的推动力，它随着传热过程冷热流体的温度变化而改变。传热速率方程： (7.4-13)热量衡算： (7.4-14)总传热系数： (7.4-15)对数平均温差 (7.4-16)式中： -传热量，W ； -以管外表面为基准的传热面积，m2； -冷热流体的平均温差，； -以管外表面为基准的总传热系数，W/(m2·)；-流体的比热容， J/(kg·)； -空气质量流量， kg/s ； -蒸汽进口温度，；-蒸汽出口温差，；-空气进口温度，；-空气出口温度，；列管换热器的换热面积 式中：d0-列

10、管换热器内管外径（m）； Lo-列管长度（m）； N-列管根数。7.4.3实验装置及流程7.4.3.1实验装置流程 本实验的装置流程如图7.4-3所示。图7.4-3 传热实验装置流程示意图1-列管换热器空气进口阀；2-套管换热器空气进口阀；3-板式换热器空气进口阀；4-压差传感器；5-转子流量计；6-空气旁路调节阀；7-漩涡气泵；8-储水罐；9-排水阀；10-液位计；11-蒸汽发生器；12-散热器；13-套管换热器；14-套管换热器蒸汽进口阀；15-列管换热器；16-列管换热器蒸汽进口阀;17-玻璃观测段;18-不凝器放空阀；19-U型管；20-调节阀。7.4.3.2实验设备主要技术参数 本实

11、验装置的主要技术参数如表7.4-1所示。表7.4-1 实验装置结构参数套管换热器实验内管直径(mm)22×1测量段（紫铜内管、列管内管）长度L(m)1.20强化传热内插物（螺旋线圈）尺寸丝径h(mm)1节距H(mm)40套管换热器实验外管直径(mm)57×3.5列管换热器实验内管直径(mm)，根数19×1.5，n=6列管换热器实验外管直径(mm)89×3.5转子流量计LZB-40 4-40（m3/h）旋涡气泵XGB12型7.4.3.3实验装置面板布置 本实验装置控制柜的面板布置如图7.4-4所示。图7.4-4 传热过程综合实验面板图7.4.4实验内容及实

12、验操作步骤7.4.4.1 实验内容1.测定1115组不同流速下简单套管换热器的对流传热系数。2.测定1115组不同流速下强化套管换热器的对流传热系数。3.测定1115组不同流速下空气全流通列管换热器总传热系数k。4.测定1115组不同流速下空气半流通列管换热器总传热系数k。5.对的实验数据进行线性回归，确定关联式Nu=ARemPr0.4中常数A、m的数值。6.通过关联式Nu=ARemPr0.4计算出Nu、Nu0，并确定传热强化比Nu/Nu0。7.4.4.2实验操作步骤1.实验前的准备及检查工作： (1)向储水罐8中加入蒸馏水至液位计上端处。 (2)检查空气流量旁路调节阀6是否全开。 (3)检查

13、蒸气管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。 (4)接通电源总闸，设定加热电压。2.光滑套管实验 (1)准备工作完毕后，打开蒸汽进口阀门14和套管换热器排气阀18，启动仪表面板加热开关，对蒸汽发生器内液体进行加热。当所做套管换热器内管壁温升到接近100并保持5分钟不变时，关闭套管换热器排气阀18，打开阀门2，全开旁路阀6，启动风机开关。 (2)风机启动后，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及壁面温度。 (3)改变流量测量下组数据。一般从小流量到最大流量之间，要测量56组数据。3.

14、强化实验：全部打开空气旁路阀6，停风机。把强化丝装进套管换热器内并安装好。实验方法同步骤2。4.列管换热器传热系数测定实验： (1)列管换热器冷流体全流通实验，打开蒸汽进口阀门16和列管换热器排气阀18，当蒸汽出口温度接近100并保持5分钟不变时，关闭列管换热器排气阀18，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。 (2)列管换热器冷流体半流通实验，用准备好的丝堵堵上一半面积的内管，打开蒸汽进口阀门16，当蒸汽出口温度接近100度并保持5分钟

15、不变时，打开阀门1，全开旁路阀6，启动风机，可以利用转子流量计5下方的阀门调节流量，或利用旁路调节阀6来调节流量，调好某一流量后稳定3-5分钟后，分别记录空气的流量、空气进、出口的温度及蒸汽的进出口温度。5.结束实验所有的实验项目完成后，依次关闭加热电源、风机和总电源。一切复原。7.4.5实验注意事项1.检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。2.必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在开启加热电压之前，两蒸汽支路阀门之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭阀门必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力

16、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，两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，然后开启和关闭支路阀。4.调节流量后，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量的稳定，不应改变加热电压。7.4.6实验原始数据记录表7.4.6.1套管换热器的实验数据记录表表7.4-2 套管传热实验原始数据表日期_ 设备号_ 环境温度_ 大气压强_hPa 套管换热器外管直径_57×3.5_mm 紫铜内管直径_22×1_mm 传热管有效长度_1200_mm 项目次数流量计示数V示 m3/h 流量计前差压计示数空气进口温

17、度t1空气出口温度t2壁温tW左cm右cmRcm12.同组学生姓名： 教师签名：表7.4-3 套管强化传热实验原始数据表日期_ 设备号_ 环境温度_ 大气压强_hPa 套管换热器外管直径_53×3.5_mm 紫铜内管直径_22×1_mm 传热管有效长度_1200_mm螺旋线圈丝径_ 1_ _ mm 螺旋线圈节径_ 40_ _ mm 项目次数流量计示数V示 m3/h 流量计前差压计示数空气进口温度t1空气出口温度t2壁温tW左cm右cmRcm12.同组学生姓名： 教师签名：7.4.6.2列管换热器的实验数据记录表表7.4-4 列管换热器传热实验原始数据表日期_ 设备号_ 环境

18、温度_ 大气压强_hPa 列管换热器外管直径_89×3.5_mm 实验内管直径_19×1.5_mm 传热管有效长度_1200_mm实验时使用的内管数目_ _ 根(请根据实验实际填写) 项 目次 数流量计示数V示 m3/h流量计前差压计示数空气进口温度t1空气出口温度t2蒸汽进口温度T1蒸汽出口温度T2左cm右cmRcm12.同组学生姓名： 教师签名：7.4.7数据处理(1)实验中，每一实验小组将实验数据记录在一份规整、标准的上述格式的记录中，书写要认真，实验结束后，同组同学在此记录上签名，指导教师核查数据无误后签名，将此签名原始数据带回，黏贴于同组某一同学的报告里上交，其他

19、同学的原始数据自己抄写或打印后黏贴于相应的位置处。(2)给出一组数据计算示例，要过程详细，公式正确，数据代入；(3)打印上交数据处理结果表和图；(4)在双对数坐标上作图，并求取传热关联式中中的系数A与m的值，以及Ao以及mo，计算出强化比。7.4.8 实验结果分析与讨论(1) 分析冷流体流量的变化对K的影响；(2)试分析本实验中的控制步骤是什么？(3)对实验数据和结果作误差分析，分析其中的原因。7.4.9思考题(1)在本实验中，为什么可将K？(2)如何强化传热？请结合本实验的实际情况进行分析。(3)为什么要装不凝性气体排出阀？(4)若要测空气热水系统的对流传热系数值，你认为应对装置作如何改造？

20、(5)如果将本实验所用的两种流体（空气和水蒸气）的流程相互调换下，此时传热情况将发生如何变化？(6)将你所测得的气体出口温度的变化情况与所测得的K值变化情况加以比较，以此为依据，分析其变化的规律性。7.4.10数据处理过程步骤7.4.10.1 套管换热器传热数据处理(1)测量空气压差的U型差压计的水柱高度差： mmH2O j第j组实验数据RHjU型差压计高侧液柱指示高度 mmH2ORLjU型差压计低侧液柱指示高度 mmH2O(2)空气的实际压强Pj： PaPa实验时的大气压， Pa实验时环境温度下水的密度 kg/m3(3)空气的实际密度： kg/m3 M空气的摩尔质量数，kg/mol空气的实际

21、压强Pj 空气的入口温度 (4)空气的定性温度: t1j空气的进口温度， t2j空气的出口温度， (5)空气的物性常数： 由上面计算的定性温度，查相关教材，可以得到空气的物性常数. (空气的定压比热容) (空气的导热系数) (空气的粘度)则空气的普兰德准数为：(6)气的实际体积流量： m3/h(7)空气的实际质量流量 (8)传热量计算： w(9)传热过程中的对数平均温差 其中：进口温差： 出口温差： (10)传热系数： w/m2.k (11)雷诺数：(12)努赛尔准数计算：空气侧的对流传热膜系数的数量级为102，蒸汽侧的对流传热膜系数的数量级为104，金属的导热系数的数量级为102，为管壁厚度，单位为mm，1，1，所以分母上后两项和远远小于第一项，因此有：，即为： ？(13)求解参数方法：于是对Re和Nu/Pr0.4两项数据作图可得Nu/Pr0.4Re的关系图，然后用最小二乘法进行回归成幂函数，