气-汽对流传热综合试验装置说明书

1、气一汽对流传热综合实验装（计算机控制）说明书天津大学化工技术基础实验中心2003年5月一、实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数ai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=ARemPr中常数A、m的值。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=BRe中常数Rm的值和强化比Nu/NuO,了解强化传热的基本理论和基本方式。实验装置的主要特点如下：1 .实验操作方便，安全可靠。2 .数据用I定，强化效

2、果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。3 .水，电的耗用小，实验费用低。4 .传热管路采用管道法兰联接，不但密封性能好,?而且拆装也很方便。5 .箱式结构，外观整洁，移动方便。二、强化套管换热器实验简介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，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构图如图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

3、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Nu=BRem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。采用实验3-1中的实验方法确定不同流量下得Rei与Nui,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

4、是：Nu/Nu°,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Nu/Nu°>i,而且它的值越大，强化效果越好。三、设备主要技术数据1.传热管参数：表1实验装置结构参数实验内管内径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)1.00强化内管内插物(螺旋线圈)尺寸丝彳至h(mm)1节距H(mm)40加热釜操作电压操作电流<200伏w10安2.空气流量计1计(1)由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式算。Vt0=20.0

5、34M(AP)051其中，3Vt0-20C下的体积流量，m/h;P-孔板两端压差，Kpa&-空气入口温度(及流量计处温度)下密度，Kg/m3。(m3/h)与压差之间的关系。(2) 要想得到实验条件下的空气流量V(m3/h)则需按下式计算2273t273t。其中，"实验条件(管内平均温度)下的空气流量，m3/h;t-换热器管内平均温度，C；t1-传热内管空气进口(即流量计处)温度，C。3 .温度测量(1) 空气入传热管测量段前的温度t1(C)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(2) 空气出传热管测量段时的温度t2(C)由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(3)

6、管外壁面平均温度tw(C)由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv),热电偶是由铜一康铜组成),再由E根据公式:tw(C)=1.2705+23.518XE(mv)计算得到。4 .电加热釜是产生水蒸汽的装置，使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),？内装有一支2.5kw的螺旋形电热器，当水温为30c时，用200伏电压加热，约25分钟后水便沸腾，为了安全和长久使用，建议最高加热(使用)电压不超过200伏(由固态调压器调节)。5 .气源(鼓风机)又称旋涡气泵，XGB2型，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75KW(使用三相电源)，在本实验装置上，产生的最大和最小空气流量基本满足要求，使用过程中

7、，？输出空气的温度呈上升趋势。6 .稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽，并在不凝气排出口有适量的汽(气)？排出，空气流量调节好后，过15分钟，空气出口的温度t2(C)可基本稳定。四、实验设备流程图：见附图所示。五、实验方法及步骤1 .实验前的准备，检查工作.(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。(2) 向冰水保温瓶中加入适量的冰水，并将冷端补偿热电偶插入其中。(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。(4)检查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。(5)接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验开始.(1) 一段时间后水沸腾，水蒸汽自行充入普通套管换热

8、器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。(2) 约加热十分钟后，可提前启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度11(C)比较稳(3) 调节空气流量旁路阀的开度，使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时，通过传热管的空气流量为所需的最小值，全关时为最大值)。(4) 稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取ti,t2,E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间)(5) 重复与(4)共做710个空气流量值。(6) 最小，最大流量值一定要做。(7)整个实验过程中，加热电压可以保持(调节)不变，也可随空气流量的变化作适当的调节。3.转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热

9、器的实验。测定710组实验数据。4.实验结束.(1) 关闭加热器开关。(2) 过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。(3) 切段总电源(4) 若需几天后再做实验，则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。五.使用本实验设备应注意的事项1 .由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。2 .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。3 .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。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭

10、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。4 .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，然后开启和关闭控制阀。5 .电源线的相线，中线不能接错，实验架一定要接地。6 .数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能"开路"。六.附录1 .实验数据的计算过程简介(以普通管第一列数据为例)。孔板流量计压差AP=0.20Kpa、进口温度t1=33C、出口温度t2=74.60C壁面温度热电势4.23mv。已知数据及有关常数：(1) 传热管内径di(mm)及流通断面积

11、F(m2).di=20.0(mm),=0.0200(m);F=兀(di2)/4=3.142X(0.0200)2/4=0.0003142(m2).(2) 传热管有效长度L(m)及传热面积S(m2).L=1.00(m)si=兀Ldi=3.142X1.00X0.0200=0.06284(m2).(3) t1(C)为孔板处空气的温度，为由此值查得空气的平均密度化，例如：t1=33C,查得："=1.153Kg/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t(C)为简化计算，取t值为空气进口温度11(C)及出口温度t2(C)的平均值，即t=且上且=丝上746=5

12、3.80(C)2 2此查得：测量段上空气的平均密度p=1.08(Kg/m3);测量段上空气的平均比热Cp=1005(J/KgK);测量段上空气的平均导热系数入=0.0285(W/mK);测量段上空气的平均粘度科=0.0000198(Pas);传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4次方为：Pr°.4=0.6960.4=0.865(5)空气流过测量段上平均体积V(m3/h)的计算：Vt0=20.034Q：P)0.5=20.034(0.19)0.5=8.96(m3/h)、，、，273t门”27353.8,3V=Vt0父=8.96m=9.99(m/h)273t127320(6)冷热流体间

13、的平均温度差Atm(C)的计算：tm=Tw支上念-)=100.7553.80=46.96(C)2(7) 其余计算：传热速率(W)VCpt48.961.153100546.96Q=120(VV36003600：i=Q/tmsi=120/(46.960.06284)=41(W/mC)传热准数Nu=：idi/=420.0200/0.0284=29测量段上空气的平均流速u=V/(Fx3600)=9.99/(0.0003142父3600)=8.84(m/s)雷诺准数Re=diU"：=0.02008.841.08/0.0000198=9682m0.4(8)作图、回归得到准数关联式Nu-ARePr

14、中的系数。(9)重复(1)-(8)步，处理强化管的实验数据。作图、回归得到准数关联式Nu=BRem中的系数。Nu=00372Re074Pr0.42.实验设备流程图121、普通套管换热器;2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蒸汽发生器;4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、风机出口温度（冷流体入口温度）测试点；8、9空气支路控制阀；10、11、蒸汽支路控制阀；12、13、蒸汽放空口；14、蒸汽上升主管路；15、加水口；16、放水口；17、液位计；18、冷凝液回流口附图：空气-水蒸气传热综合实验装置流程图3.仪表接线如表1、2、3、4所示：表1温度显示仪表接线表作用仪表接线端作用计

15、算机24V（+）18仪表显示输入端（+）24V（-）29仪表显示输入端（-）1地310（转换开关0）普通管冷进14A/D（1路）411（转换开关1）普通管冷出2A/D（2路）-220V512（转换开关2）强化管冷进15A/D（3路）-220V613（转换开关3）强化管冷出3A/D（4路）714（转换开关4）釜温16A/D（5路）表2热电偶显示仪表接线表作用仪表接线端作用计算机18仪表显示输入端（+）29310（转换开关1）强化管壁温输入（+）411（转换开关0）普通管壁温输入（+）220V512仪表显示输入端（-）1地-220V613普通管壁温输出（+）4A/D（6路）714强化管壁温输出（+

16、）17A/D（7路）表3电压显示控制仪表接线表作用仪表接线端作用计算机18仪表显示输入端（+）29仪表显示输入端（-）310411仪表控制输出（+）220V512仪表控制输出（-）-220V613仪表计算机输出（+）5A/D（9路）714仪表计算机输出（-）1地表4压差显示仪表接线表作用仪表接线端作用计算机24V（+）18仪表显示输入端（+）18A/D（8路）24V（-）29仪表显示输入端（-）1地3104111-220V512-220V613714普通管1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00流里（Kpa）0.20.620.921.241.61.95

17、2.42.943.54.05ti(C)33.0031.9032.2032.4032.4033.2034.2036.538.9039.00Pti(Kg/m3)1.1531.1571.1561.1551.1551.1521.1491.1411.1331.132t2(C)74.6071.1069.8068.8067.5067.3067.1067.768.4068.80tw(mv)4.234.234.234.234.234.234.234.234.234.23tw(C)100.75100.75100.75100.75100.75100.75100.75100.75100.75100.75t()53.8

18、051.5051.0050.6049.9550.2550.6552.1053.6553.90Pt(kg/m3)1.081.091.091.091.10:1.09r1.091.091.081.08XtX1002.852.832.832.832.822.822.832.842.852.85Cpt1005.001005.001005.001005.001005.00:1005.00r1005.001005.001005.001005.00科tX100001.981.961.961.961.961.961.961.971.971.98At(C)41.6039.2037.6036.4035.10134.

19、10P32.9031.2029.5029.80Atm(C)46.9549.2549.7550.1550.8050.5050.1048.6547.1046.85Vti(m3/h)8.9615.7719.2222.3125.3427.9831.0434.3537.4840.32V(m3/h)9.9917.4721.2524.6427.9330.8634.2838.1141.7844.98u(m/s)8.8415.4518.7921.7924.7027.2930.3133.7036.9539.77Q(W)120200233262287-307327341350380%(W/m,)416575839097104112118129Re9682171412090524293276383049033793372724051643557Nu29465359646974798391Nu/(Pr0.4)335361687479859196105强化管1234567流里（Kpa）0.600.961.3111.682.072.523.02ti(C)30.431.5032.5033.1034.6036.6038.7Pti(Kg/m3)1.171.171.171.171