传热综合实验控制装置

、实验目的了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法；测定列管式换热器的总传热系数，测定管内传热系数a与Re之间的关系；考察流体流速对总传热系数的影响；比较套管换热器中普通管和强化管给热系数的不同；比较并流流动传热和逆流流动传热的特点，并测定其给热系数的大小；掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。二、基本原理Tt图4—1间壁式传热过程示意图在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面(传热元件)进行热量交换，称为间壁式换热，如图(4Tt图4—1间壁式传热过程示意图传热过程达到稳定时，有Q=mc(T-T)=mc(t-1)1pl1A2p2,2 1、=aAT-T)=aA(-1)11 WM22Wm=KA曷m(4—1)式中：Q—传热量,J/s；m1—热流体的质量流率，kg/s；cp1—热流体的比热，J/(kg・°C)；T1—热流体的进口温度，C；T2—热流体的出口温度，C；m2—冷流体的质量流率，kg/s；cp2—冷流体的比热，J/kg・C)；t1—冷流体的进口温度，C；t2—冷流体的出口温度，C；以]—热流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2°C)；A]—热流体侧的对流传热面积，m2；T-Tw)—热流体与固体壁面的对数平均温差，C；以2—冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m2・C)；

A2—冷流体侧的对流传热面积，m2；(tw-1)一固体壁面与冷流体的对数平均温差，°C；K一以传热面积A为基准的总给热系数，W/(m2C)；△tm一冷热流体的对数平均温差，C；热流体与固体壁面的对数平均温差可由式(4—2)计算，T-T)="TW1)七Tw2) (4—2)wm T-Tlniwi式中：TW1—热流体进口处热流体侧的壁面温度，C；tW2—热流体出口处热流体侧的壁面温度，C。固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式(4—3)计算，(t-t)=，W1-ti)-(tW2-t2) (4—3)wm t—tln t—t式中：tw1—冷流体进2口处冷流体侧的壁面温度，C；tw2一冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，C。热、冷流体间的对数平均温差可由式(4—4)计算，AtmAtmG-1)-&-1)

lnTi-12

T-t(4—4)当在套管式间壁换热器中，环隙通水蒸气，内管通冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式(4—1)得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，(4—5)实验中测定紫铜管的壁温tpt,；冷空气或水的进出口温度匕、L；实验用W1W2 1 2紫铜管的长度/、内径d2,A2=%l；和冷流体的质量流量，即可计算a2。然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。由式(4—1)得，K=m2C2°2-t1) (4—6)AAtm实验测定m、t、t、T、T、并查取t=1(+t)下冷流体对应的、换21212 平均21 2

热面积A,即可由上式计算得总给热系数K。下面通过两种方法来求对流给热系数。1.近似法求算对流给热系数a2以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，(4(4-7)F+RS1才+0dm 1 11式中：d1-换热管外径，m；d2—换热管内径，m；dm-换热管的对数平均直径，m；b-换热管的壁厚，m；—换热管材料的导热系数，W/(m°C)；Rs1—换热管外侧的污垢热阻，m2-KW；RS2—换热管内侧的污垢热阻，⑺2-KW。用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百Wm2.K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数七可达〜104Wm2.K左右，因此冷凝传热热阻4可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻a1d1Rg也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8W/m-K，1壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻也可忽略。若换热管内侧的污垢热人dm阻Rs2也忽略不计，则由式(4—7)得，a2~K (4—8)由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。2.传热准数式求算对流给热系数a2对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合：Re=1.0X104〜1.2X105,Pr=0.7〜120，管长与管内径之比l/d'60,则传热准数经验式为，Nu=0.023Re0.8Prn (4一9)式中：Nu—努塞尔数，Nu=*无因次;Re一雷诺数，Re=业，无因次;日Pr-普兰特数，Pr=华，无因次；入当流体被加热时n=0.4，流体被冷却时n=0.3；以一流体与固体壁面的对流传热系数，W/（m2・。0；d一换热管内径，m；入一流体的导热系数，W/（m・。）；u—流体在管内流动的平均速度，m/s；p—流体的密度，kg/m3；H—流体的粘度，Pa•s；c—流体的比热，J/（kg•°C）。当水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（4—9）改写为，令，序1Xd1.8X^ X220.8m。x㈢°8令，序1Xd1.8X^ X220.8m。x㈢°80.023"4)Xd1.82X入Pr0.42 2(4—10)(4—11)(4—12)(4—13)+虬+R4+d2Xd S1dad则式（4—7）可写为，y=mX+C(4—14)(4—15)当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（4—14）计算所得的C值为一常数。管内径d2一定时，m也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的t、t、T、T，由式（4—4）、（4—6）、（4—12）、（4—13）求取一系列X、Y12 12值，再在X〜Y图上作图或将所得的X、Y值回归成一直线，该直线的斜率即为m。任一冷流体流量下的给热系数以2可用下式求得，0.8XPr0.4d 2—Xm&"2）3.冷流体质量流量的测定（1）若用转子流量计测定冷空气的流量，还须用下式换算得到实际的流量，=—=—=■(4—16)V'V'=V(4—17)式中：V'一实际被测流体的体积流量，m3/s；"'一实际被测流体的密度，kg/m3；可取七均=2匕+七)下对应的被测流体的密度，具体可见冷流体物性与温度的关系式；V一标定用流体的体积流量，m3/s；p一标定用流体的密度，kg/m3；对水p=1000kg/m3；对空气p=1.205kg/m3；p厂转子材料密度，kg/m3。(4—18)(2)若用孔板流量计测冷流体的流量，则，m2=pV (4—19)式中，V为冷流体进口处流量计读数，p为冷流体进口温度下对应的密度。4.冷流体物性与温度的关系式在0〜100°C之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。(1)空气的密度与温度的关系式：p=10-512-4.5X10-31+1.2916(2)空气的比热与温度的关系式：60C以下C=1005J/(kg・°C),70C以上C=1009J/(kg•C)。(3)空气的导热系数与温度的关系式：人=-2X10-812+8X10-51+0.0244(4)空气的黏度与温度的关系式：R=(-2X10-612+5X10-31+1.7169)x10-5

三、实验装置与流程实验装置流程套管换热器列管涣恐器图一空气-水蒸气换热综合实验流程图1一鼓风机出口放空阀；2一孔板流量计；3一套管换热器冷风进口温度测量；4一套管换热器普通管进冷风阀；5一套管换热器强化管进冷风阀;6一套管换热器冷风进口侧蒸汽温度测量;7一套管换热器不凝气排空阀；8一套管换热器冷风出口侧蒸汽温度测量；9一套管换热器出口热风温度测量；10一列管换热器出口热风温度测量；11-转子流量计；12一列管换热器逆流冷风进口阀；13—列管换热器并流冷风放空阀；14—列管换热器逆流冷风进口温度测量;15—列管换热器并流冷风进口阀；16—列管换热器逆流冷风放空阀；17—列管换热器并流冷风进口温度测量；18—蒸汽接口；19—蒸汽进口阀；20—蒸汽进口压力；21—水汽排空阀；22—冷凝水排空阀。1） 套管换热器内气汽换热操作流程来自蒸汽发生器的水蒸汽进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内的普通管或强化管内进行热交换后，不凝气经不凝气放空阀放空、冷凝水经水汽排空阀排入地沟。冷空气经孔板流量计计量流量后，通过阀门切换进入套管换热器内管一普通管或强化管（紫铜管）内，热交换后经列管换热器放空阀（13或16）放空。2） 列管换热器操作流程来自鼓风机的冷空气经过孔板流量计进入套管换热内管一普通管或强化管或普通和强化同时通过，被套管换热器内的蒸汽预热后，作为列管换热器的热介质进入列管换热器管程，与壳程的冷风换热后放空；来自鼓风机的冷空气经转子流量计后，通过阀门切换选择与管内的热风并流或逆流进行热交换后放空。逆流流程为：打开列管换热器逆流冷风进口阀（如图一中的12）和列管换热器逆流冷风放空阀（如图一中16）；并流流程为：打开列管换热器并流冷风进口阀（如图一中15）和列管换热器并流冷风放空阀（如图一中13）。设备与仪表规格（1） 紫铜管规格：直径中19X1.5mm，长度L=1000mm，共两根（2） 套管换热器外管不锈钢管规格：直径中100X5mm，长度L=1000mm（4） 铂热电阻及无纸记录仪温度显示（5） 全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表（6） 列管规格：直径中12X1mm，长度L=1000mm，共19根（7） 列管外套规格：直径中100X5mm，长度L=1000mm（8） 孔板流量计规格：0-30m3/h（9） 转子流量计规格：2.5-25m3/h四、实验步骤与注意事项1.套管换热器实验步骤1） 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。2） 在蒸汽发生器中灌装清水：开启发生器电源，水泵会自动将水送入锅炉，灌满后会转入加热状态。蒸汽压力达到要求后，系统会自动处于保温状态。3） 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开普通管冷风进口阀（如图一中的4）或强化管冷风进口阀（如图一中的5），让套管换热器里充有一定量的空气。4） 通过不锈钢软管，将蒸汽发生器出气管和装置进蒸汽接口（如图一中的18）连接好。打开水汽排空阀（如图一中的21），排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度并注意开度适中，开度太大会使套管换热器壳程内蒸汽量不足，开度太小会使套管换热器壳程内的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。5） 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。排除冷凝水的具体方法是：关闭蒸汽进口阀（如图一中的19），打开冷凝水排空阀（如图一中的22），利用蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽通过的响声时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。6） 开始通入蒸汽时，蒸汽进口阀（如图一中的19）的开度不可太大，务必让蒸汽徐徐流入换热器中，使系统由“冷态”逐渐转变为“热态”此过程不得少于10分钟，以防不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。7） 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀（如图一中的19）的开度，使蒸汽进口压力维持在0.04MPa左右，可通过调节蒸汽发生器出口阀（蒸汽发生器出蒸汽口）及蒸汽进口阀开度（如图一中的19）来实现。8） 通过调节普通管进冷风阀（如图一中的4）或强化管进冷风阀（如图一中的5）来改变冷空气流量，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值。一般每个流量下至少应使热交换过程进行5分钟以上才能达到稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。9） 记录4〜6组实验数据，可结束实验。10） 实验结束后，先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀（如图一中的19），关闭仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭水汽排空阀（如图一中的21），关闭总电源。11） 待蒸汽发生器为常压后，将锅炉中的水排尽。2.列管换热器实验步骤1） 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。2） 在蒸汽发生器中灌装清水，开启发生器电源，水泵会自动将水送入锅炉，灌满后会转入加热状态。蒸汽压力达到要求后，系统会自动处于保温状态。3） 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开普通管进冷风阀（如图一中的4）或强化管进冷风阀（如图一中的5），让套管换热器里充有一定量的空气。4） 通过不锈钢软管，将蒸汽发生器出气管和装置进蒸汽接口（如图一中的18）连接好。打开水汽排空阀（如图一中的21），排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度并注意开度适中，开度太大会使套管换热器壳程内蒸汽量不足，开度太小会使套管换热器壳程内的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。5） 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门（如图一中的19），打开冷凝水排空阀（如图一中的22），利用蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽通过的响声时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。6） 开始通入蒸汽时，蒸汽进口阀（如图一中的19）的开度不可太大，务必让蒸汽徐徐流入换热器中，使系统由“冷态”逐渐转变为“热态”不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。7） 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀（如图一中的19）的开度，使蒸汽进口压力维持在0.04MPa左右并恒定，可通过调节蒸汽发生器出口阀（蒸汽发生器出蒸汽口）及蒸汽进口阀开度（如图一中的19）来实现。8） 通过调节普通管冷风进口阀（如图一中的4）或强化管冷风进口阀（如图一中的5）开度来改变空气流量。空气经套管换热器加热后要求出口温度稳定在90°C左右并保持恒定。加热后的空气作为列管换热器的热介质。9） 当列管换热器热风进出口温度相差不大时，结束设备预热。打开列管换热器并流冷风进口阀（如图一中的15）和列管换热器并流冷风放空阀（如图一中的13）,保持冷风并流管路畅通。通过调节列管换热器并流冷风进口阀（如图一中的15）的开度，保持冷风流量到一定值，待列管换热器进出口温度稳定5min左右后，记录冷热流体进出列管换热器的温度、流量等实验数据。10） 同样，打开列管换热器逆流冷风进口阀（如图一中的12）和列管换热器逆流冷风放空阀（如图一中的16），保持冷风逆流管路畅通。通过调节列管换热器逆流冷风进口阀（如图一中的12）的开度，保持冷风流量到一定值（与并流流量一致），待列管换热器进出口温度稳定5min左右后，记录冷热流体进出列管换热器的温度、流量等实验数据。11） 每种流动方式（逆流和并流）记录4〜6组实验数据，结束实验。12） 实验结束后，先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀（如图一中的19），关闭仪表电源。待系统逐渐冷却后关闭风机电源。待冷凝水流