热质交换原理实验讲义

1、翅片管束管外传热和阻力测定实验指导书一、 实验目的1 了解热工实验的基本方法和特点；2 学会翅片管束管外传热和阻力的实验研究方法；3 巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识；4 培养学生独立进行科研实验的能力。二、 实验内容1 熟练实验原理和实验装置，学习正确使用测温差、测压力、测流速、测热量等仪表。2 正确安排实验，测取管外传热和阻力的有关实验数据。3 用威尔逊方法整理实验数据，求得管外传热系数的无因次关联式；同时，也将阻力数据整理成无因次关联式的形式。4 对实验设备、实验原理、实验方案和实验结果进行分析和讨论。三、 实验原理1 翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面

2、积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。2 空气（气体）横向流过翅片管束时的对流传热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可示如下：Nu=f (Re、Pr、N) （1）式中：Nu=为数； = 为数；Pr= 为数；、分别为翅片高度、厚度和翅片间距；、为翅片的横向管间距和纵向管间距；N为流动方向的管排数；D0为光管外径；Um、Gm为最窄流通截面处的空气流速m/s和质量流速（）；且Gm=Um ； 、为气体的物性值。20时热导率密度动力粘度运动粘度定压比热容热扩散率0.02591.20518.110-615.0610-61.00510

3、321.410-6此外，传热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式：顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外传热系数会高于顺流的情况。对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为：， （2）对于空气，Pr数可看作常数，故 （3）式（3）可表示成指数方程的形式： （4）式中C、n为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束。为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。3对于翅片管，管外传热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义传热系数，也可以以翅片管外

4、表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积为基准，即：= （5）式中：为总传热量（W）；为传热管子的根数；为一支管的光管换热面积（）；为空气平均温度（）；为光管外壁温度（）；此处，的单位为（W/m2·）。4如何测求翅片管束平均管外传热系数是实验的关键。如果直接由式（5）来测求，势必要测量管壁平均温度，这是一件很困难的任务。采用一种工程上更通用的方法，即：威尔逊方法测求管外传热系数，这一方法的要点是先测求出传热系数，然后从传热热阻中减去已知的各项热阻，即可间接地求出管外传热热阻和传热系数。即：= （6）式中：为翅片管内壁的传热系数，可由实验求出： （7）其中：代表管内流体的平

5、均温度；是管内流体对管内壁的传热系数，可由已知的传热规律计算出来；由管壁的导热公式计算；应当指出，当管内传热系数>>时，管内热阻将远远地小于管外热阻，这时，的某些计算误差将不会明显地影响管外传热系数的大小。 为了保证有足够大的数值，一般实验管内需采用蒸汽冷凝传热的换热方式。本实验系统中，采用热管作为传热元件，将实验的翅片管，作为热管的冷凝管，即热管内部的蒸汽在翅片管内冷凝，放出汽化潜热，通过管壁，传出翅片管外，这就保证了翅片管内的冷凝过程。这时，管内传热系数可用层流膜层凝结原理公式进行计算，即： （8）式中， （9）为单位冷凝宽度上的凝液量（），其中，r为汽化潜热（），为管子内径,

6、式（8）中第2个括号中的物理量为凝液物性的组合。圆筒壁的导热热阻为 (/W ) （10）应当注意：式（6） 中的各项热阻都是以光管外表面积为基础的。四、 实验设备实验的翅片管束安装在一台低速风洞中,实验装置和测试仪表如图1所示。实验装置由有机玻璃风洞、试验管件、加热管件、风机支架、测试仪表等六部分组成。有机玻璃风洞由带整流隔栅的入口段、平稳段、前测量段、工作段、后测量段、收缩段、测速段、扩压段等组成。工作段和前后测量段的内部横截面积为300300mm。工作段的管束及固定管板可自由更换。实验管件由两部分组成：单纯翅片管和带翅片的实验热管，但外形尺寸是一样的，采用顺排排列，翅片管束的几何特点如表1

7、所示。表1：翅片管内 径翅片管外 径翅 片高 度翅 片厚 度翅 片间 距横向管间 距纵向管间 距管排数（）（）（）（）（） （） （）20461314758374根实验热管组成一个横排，可以放在任何一排的位置上进行实验。一般放在第3排的位置上，因为实验数据表明，自第3排以后，各排的传热系数基本保持不变了。所以，这样测求的传热系数代表第3排及以后各排管的平均传热系数。试验热管的加热段由专门的电加热器进行加热，电加热器的电功率由电流、电压表进行测量。加热功率可直接由电压乘以电流得到。实验管的加热功率可由下式得到：Q=IU （） （11）每一支热管的内部插入一支铜鏮铜铠装热电偶用以测量热管内冷凝段的

8、蒸汽温度Tv,在电加热的箱体上也安装一支热电偶，用以确定箱体的散热损失。热电偶的电动势由电位差计测量。空气流的进出口温度由玻璃温度计进行测量，入口处安装一支，出口处可安装两支，以考虑出口截面上气流温度的不均匀性。空气流经翅片管束的压力降由斜倾式压差计测量，管束前后的静压侧孔都是1个，在前后测量段的壁面上。空气流的速度和流量由安装在收缩段上的毕托管和倾斜式压差计测量。五、实验步骤1 熟悉实验原理，实验设备；2 调试检查测温、测速、测热等各仪表，使其处于良好工作状态；3 接通电加热器电源，将电功率控制在23KW之间，预热510分钟后，开动引风机；注意引风机需在空载或很小的开度下启动；4 调整引风机

9、的阀门，来控制实验工况的空气流速。一般，空气风速应从小到大逐渐增加。实验中，可开启引风机的5个开度，读取毕托管压差值，这样，就有5个实验工况；5 在每一个实验工况下，待确认设备处于稳定状态后，进行所有物理量的测量和记录，将测量的量整齐地记在数据记录表格中。6 进行实验数据的计算和整理，将结果逐项记入数据整理表格中。在整理数据时，可以手工计算，也可以编程计算。7 对实验结果进行分析和讨论。应注意，当所有工况的测量结束以后，应先切断电加热器电源，待10分钟后，再关停引风机。六、数据整理数据的整理可按下述步骤进行：1 计算风速和流量测量截面积的风速U测= (m/s ) （12）其中：压差 ( mm水

10、柱)或() ；单位换算系数 () ；流量：其中：测量截面积 （m2） 2 空气侧吸热量 （13）：进口空气温度（）； ：进口空气温度（）；3电加热器功率 （）4加热器箱体散热。因箱体温度很低，散热量小，可由自然对流计算此处，为自然对流散热系数，可近似取 进行计算；Fb为箱体散热面积()，箱体温度，为环境温度。5 计算热平衡误差 （14）6 计算翅片管束最窄截面处的质量流速 () L：翅片管有效长度300 ()7 质量流速 ( )8计算数9计算翅片管内壁传热系数 （15）10计算管内凝结液膜传热系数由式（8）进行计算，对于以水为工质的热管，液膜物性值都是管内温度Tv的函数，因此，式（8）可简化为

11、： （16）11计算管壁热阻，由式（9）计算12由式（6）计算管外传热系数13计算14在双对数坐标纸上标绘关系曲线，并求出其系数和指数。也可由计算程序求回归方程。此外，空气流过管束的阻力一般随数的增加而急剧增加，同时，与流动方向上的管排数成正比，一般用下式表示 （17）式中：为摩擦系数，在几何条件固定的情况下，它仅仅是的函数，即 （18）式（18）中的系数可由实验数据在双对数坐标上确定。一组实测的实验数据及整理结果如附录I所示。七、讨论测求的管外传热系数包括了几部分热阻？所求实验公式的应用条件和范围是什么？应用威尔逊方法需保证什么条件？每支实验热管的管内温度不尽相同，这对平均传热系数的精确性有

12、何影响？分析实验误差产生的原因和改进措施。通过实验，掌握了那些实验技能？巩固了哪些基本概念？1. 入口段；2.整流隔栅； 3. 平稳段；4.前测量；5. 铠装热电偶；6. 实验热管；7. 翅片管；8.后测量；9.收缩段；10测速段；11.扩压段；13.联接段；13.毕托管；14.倾斜式压差表；15.电位差计；16.加热元件；17.工作段；18.测压测温孔。图1 实验风洞本体和测试系统8数据整理序号空气流速质量流速G质量流量Ma最窄截面质量流速雷诺数空气吸热电加热散热损失热平衡误 差管内壁传热系数K管外传热系 数数摩擦系数备注123456实验数据风机开度I（A）U（v）h(mm)Ta1（）Ta2

13、（）T（）Tv1（mv）Tv（）123456：毕托管压差读数；Ta1：进口空气温度；Ta2：出口空气温度；T：室温；Tv1：电位差计读数（mv）；Tv：从毫伏对照表查出的度数（）实验数据风机开度T1（mv）T2（mv）T3（mv）T4（mv）Tv1=1234569热管换热器实验指导书一、实验目的：1了解热管换热器实验台的工作原理；2熟悉热管换热器实验台的使用方法；3掌握热管换热器换热量和传热系数的测试和计算方法。二、实验台的结构及工作原理：热管换热器实验台的结构如下图所示。实验台由5.翅片热管（整体轧制）4.热段风道6.冷段风道9.冷段和热段风机7.电加热器（1000W100W）2.热电偶3.

14、测温切换琴键开关8.热球风速仪（独立仪表）等组成。热管换热器实验台结构简图1风速测孔 2.热电偶 3.测温切换琴键开关 4.热段风道 5.翅片热管 6.冷段风道 7.电加热器 8.-热球风速仪（图中未绘出） 9.风机热段中的电加热器使空气加热，热风经热段风道时，通过翅片热管进行换热和传递，从而使冷段风道的空气温度升高。利用风道中的热电偶对冷、热段的进出口温度进行测量，并用热球风速仪对冷、热段的出口风速进行测量，从而可以计算出换热器的换热量和传热系数。三、实验台参数：1冷段出口面积2热段出口面积3冷段传热表面积 4热段传热表面积四、实验步骤：1接通电源2将加热器旋钮调至1档的位置（强热），此时电

15、加热器和风机开始工作。3用热球风速仪在冷热段出口的测孔中测量风速。（为使测量工作在风道温度不超过40的情况下进行，必须在开机后立即测量）。风速仪使用方法，请参阅该仪器使用说明书。4待工况稳定后（约20分钟后），按下琴键开关，切换测温点，逐点测量冷、热段进出口温度，（参看实验台结构图p30）。5将加热器旋钮调至2档的位置（弱热），重复上述步骤，测量工况2的冷热段进出口温度。6实验结束后，切断所有电源。五、实验数据处理将实验中测得的数据、室温、日期填入下表中工况序号风速冷、热段进出口温度（）备注冷段热段11室温（）23平均21日期23平均计算换热量、传热系数及热平衡误差：1工况1（强热）利用热力学

16、定律： （视：定压比热容）：测量风速 ：测量截面积 ：空气密度 ：平均传热温差冷段换热量 kcal/h热段换热量 kcal/h （注意单位换算）热平衡误差 根据传热学的基本公式： ：传热面积 传热系数 冷段传热表面积式中 冷、热段出口平均风速 ，冷、热段出口断面积 ，冷、热段进出口风温参见实验台结构图示p30 ，冷、热段出口空气密度 /=2工况2（弱热）(计算方法同上)将上述数据整理所求得的两种工况的实验结果填入下表，并进行比较分析。 工 况冷段换热量（）热段换热量热平衡误差%)传热系数)12六、加热原理七、实验报告要求1写出实验原理，整理实验数据、列表。2误差分析及避免的原因。附：风速仪使用

17、说明书一 结构与工作原理：本仪器根据加热物体，在气流中被冷却，其工作温度为风速函数这一原理设计。该仪器由风速探头及测量指示仪表两部分组成。具体工作原理如图1所示。风速探头为敏感部件，当一恒定电流流过其加热线圈时，其敏感部件内，温度升高并于静止空气中达到一定数值。此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生之基准反电势互相抵消，使输出信号为零，仪表指针也相应指向零点。若风速探头端部的热敏感部件暴露于空气流动中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量指示仪表系统放大并推动电表，由指针指示值即可读出被

18、测风速大小。二 使用方法：1 将仪器水平放好，使直键开关处于原位（向上）。2 调节电表机械零点，使表针指于零位。3 将探头测杆垂直向上放置，使其热敏感部件全部按入测杆管内，并将风速插头插入“探头”插座。4 按下“电源”直键（左起第一）调节“放大器零点” 电位器使指针指于零点。5 按下“1m/s”直键开关（左起第二）调节“零点调节” 电位器使指针指于零点。6 预热十分钟，并重复上述步骤，方可进行测量。7 低风速段（0.051m/s）。经预热校准后，可将风速探头测杆端部热敏感部件拉出，使其暴露于被测气流中，注意使测杆垂直，并使其有顶丝一面对准气流吹来方向，即可由电表指标值读取风速。8 高风速段（1

19、m/s30m/s） （1m/s10m/s）风速超过1m/s按下30m/s直键开关（左起第三）即可读数。（此时按键全部处于按下态）。9 使用完毕应将直键开关所有键从左至右依次复位。风速探头热敏感部件测杆拉出部分全部按入测杆管内，并拔下插头放入仪器盒原位置。铜-鏮铜热电偶温度毫伏对照表mVmVmVmVmVmVmVmVmVmV温度012345678900.0000.0390.0780.1160.1550.1940.2340.2730.3120.352100.3910.4310.4710.5100.5500.5900.6300.6710.7110.751200.7920.8320.8930.9140.

20、9450.9951.0631.0771.1181.159301.2011.2421.2841.3251.3671.4081.4501.4921.5341.576401.6181.6611.7031.7451.7881.8301.8731.9161.9582.001502.0042.0812.1302.1742.2172.2602.3042.3472.3912.435602.4782.5222.5662.6102.6542.6982.7432.7872.8312.867702.9202.9653.0103.0543.0993.1443.1893.2343.2793.325803.3703.415

21、3.4693.5063.5523.5973.6433.6893.7353.781903.8273.8733.9193.9654.0124.0584.1054.1514.1984.2241004.2914.3384.3854.4324.4794.5264.5734.6214.6654.7151104.6734.8104.8584.9064.9535.0075.0495.0995.1455.1931205.2415.2895.3385.3865.4345.4835.5315.5805.6295.6771305.7265.7755.8245.8735.9225.9716.0206.0706.1196.1681406.2186.2676.3176.3676.4166.4666.5166.5666.6166.6661506.7166.7666.8166.8676.9176.9677.0187.0687.1