气气传热综合实验操作讲义.docx

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气气传热综合实验操作讲义

气—气传热综合实验讲义

一、实验目的：

1．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αi的测定方法，加

m0.4

中常数A、m的值；

2．通过对管程部插有螺旋线圈和采用螺旋扁管为管的空气—水蒸气强化套管换热器的

m

传热的基本理论和基本方式；

3．了解套管换热器的管压降∆p和Nu之间的关系；

二、实验容：

实验一：

①测定5~6个不同流速下简单套管换热器的对流传热系数αi。

m0.4

③测定5~6个不同流速下简单套管换热器的管压降∆p1。

实验二：

①测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数αi。

m

③测定5~6个不同流速下强化套管换热器的管压降∆p2。

并在同一坐标系下绘制普通管

∆p1~Nu与强化管∆p2~Nu的关系曲线。

比较实验结果。

④同一流量下，按实验一所得准数关联式求得Nu0，计算传热强化比Nu/Nu0。

三、实验原理

实验一普通套管换热器传热系数及其准数关联式的测定

1.对流传热系数αi的测定

对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。

αi＝

Qi

∆tm⨯Si

（2-1）

式中：

αi—管内流体对流传热系数，W/（m·℃）；

Si—管内换热面积，m；

ti1+ti2

Viρi

式中：

Vi—冷流体在套管内的平均体积流量，m/h；

ρi—冷流体的密度，kg/m。

ti1+ti2

2

Qi—管传热速率，W；

2

∆tmi—管壁面温度与管流体温度的平均温差，℃。

平均温差由下式确定：

∆tmi=tw-（）（2-2）

2

式中：

ti1，ti2—冷流体的入口、出口温度，℃；

tw—壁面平均温度，℃；

因为换热器管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为壁温度、外壁温度

和壁面平均温度近似相等，用tw来表示。

管换热面积：

Si=πdiLi（2-3）

式中：

di—管管径，m；

Li—传热管测量段的实际长度，m；

由热量衡算式：

Qi=Wicpi（ti2-ti1）（2-4）

其中质量流量由下式求得：

Wi=（2-5）

3600

3

cpi—冷流体的定压比热，kJ/（kg·℃）；

3

cpi和ρi可根据定性温度tm查得，tm=为冷流体进出口平均温度。

ti1、ti2、

2

tw、Vi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

流体在管作强制湍流，处于被加热状态，准数关联式的形式为

Nui=AReiPrin.

其中：

Nui=，Rei=iii，Pr=

Nui=AReiPr

（2-7）

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=BRe的

m

（2-6）

λi

物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tm查得。

经过计算可知，对于管被加热的

空气，

普兰特准数Pri变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式简化为：

m0.4

i

通过实验确定不同流量下的Rei与Nui，然后用线性回归方法确定A和m的值。

实验二、强化套管换热器传热系数及其准数关联式及强化比的测定

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管插入螺旋线圈的方法来强化传热。

螺旋线圈的结构图如图2-1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。

将金属螺旋线圈插入并固定在管，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与管径d的比值为主要技术参数，且节距与管径

m

经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。

图2-1螺旋线圈强化管部结构

在本实验中，采用实验2-1中的实验方法确定不同流量下的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，

它的形式是：

NuNu0，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NuNu0＞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，只有强化比高且阻力系数小的强化方式，才是最佳的强化

方法。

四、实验装置与流程

1．实验流程图及基本结构参数：

如图2-2所示，实验装置的主体是两根平行的套管换热器，管为紫铜材质，外管为不

锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。

实验的蒸汽发生釜为电加热釜，有2根2.5kW螺旋形电

加热器，用200伏电压加热（可由固态调压器调节）。

空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调

节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。

管程蒸汽由加热釜发生后自

然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，由另一端蒸汽出口自然喷出，达到逆流换

热的效果。

20

21

东

图2-2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图（A型）

实验装置：

实验内管内径di（mm）

第①~④套16

第⑤~⑧套20

实验内管外径d0

第①~④套17.92

第⑤~⑧套22

实验外管内径Di（mm）

20

实验外管外径D0（mm）

22

总管长（紫铜内管）L（m）

1.20

测量段长度l（m）

1.20

加热釜

操作电压

≤200伏

操作电流

≥200伏

Vt0=23.8*

1—普通套管换热器；2—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、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—传热系数分布实验套盒（本实验不使用）；

15—紫铜管；16—加水口；17—放水口；18—液位计；

19—热点偶温度测量实验测试点接口；20—普通管测压口；21—强化管测压口

2．实验的测量手段

1）空气流量的测量

空气主管路由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，孔板流量计为标准设计，

其流量计的计算式为：

∆P

ρt0

式中：

∆P—孔板流量计两端压差，KPa；

t0—流量计处温度（本实验装置为空气入口温度），℃；

ρt0—t0温度下的空气密度，kg/m3；

实验装置结构参数见下面说明：

东

东

由于被测管段温度的变化，还需对所测得体积流量进行进一步的校正：

（2-8）

273+t0

3

2）温度的测量

实验中壁面温度是用铜-康铜热电偶测量的，温度与热电势的关系为：

T（℃）=1.2705+23.518×E（mv）（2-9）

冷流体进出口温度是用Cu50热电阻温度计测量得到的。

五、注意事项

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围。

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（见图2-2）

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，三个空气支路控制阀之一和旁路调节

阀（见图2-2所示）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．调节流量后，应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。

6．实验中保持上升蒸汽量的稳定，不应改变加热电压，且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。

六、实验报告

1．实验一的原始数据表、数据结果表（换热量、传热系数、各准数以及重要的中间计算结

果）、准数关联式的回归过程、结果与具体的回归方差分析，并以其中一组数据的计算举例。

2．实验二的原始数据表、数据整理表（换热量、传热系数、各准数、Nu0和强化比，还包括

重要的中间计算结果）、准数关联式的回归结果。

3．在同一双对数坐标系中绘制实验一、实验二的Nu~Re的关系图。

4．在同一坐标系中绘制实验一、实验二的东P~Nu的关系图。

5．对实验结果进行分析与讨论。

七、实验步骤

传热实验仿真主要设备介绍图如下图2-3所示：

真

仿传热实验仿真设备介绍图真

普通套管实验操作：

⑴检查水槽液位计，若发现水量较少，打开注水阀VA102，补充水量至2/3处；

⑵打开连通阀VA101，使水槽与蒸汽发生器相通；

⑶打开普通套管蒸汽开关阀VA104，确保蒸汽管路畅通；

⑷打开电源总开关，启动蒸汽发生器开关，加热蒸气；

⑸等待若干秒，待水蒸气进入套管换热器外管，当蒸气排出口有恒量蒸汽排出时，标志实验

可以开始；

⑹打开漩涡风机旁路阀VA106至最大；

⑺打开普通套管空气开关阀VA107，确保空气管路畅通；

⑻启动漩涡风机开关；

⑼通过调节漩涡风机旁路阀VA106的开度，调节流量所需值，待数值稳定后，到“实验数据

一”面板点击“普通套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”

⑽按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据

强化套管实验操作：

⑾关闭风机电源；

⑿缓慢开启强化管道蒸汽开关阀VA105，再关闭普通套管蒸汽开关阀VA104，使强化管路蒸

汽畅通；待蒸气排出口有恒量蒸汽排出，标志强化套管传热实验可以开始；

⒀将漩涡风机旁通阀VA106开至最大，接通漩涡风机开关；

⒁调节漩涡风机旁通阀VA106的开度，调节流量至所需值，带数值稳定后，倒“实验数据二”

面板点击“强化套管数据记录”按钮，记录实验数据至“实验报表”

⒂按照阀门VA106开度由大到小的顺序，记录5~6组实验数据

⒃关闭蒸汽发生器加热电源，待蒸气放空口没有蒸汽逸出，将漩涡风机旁通阀VA106至全开，

并关闭漩涡气泵开关，关闭总电源开关

⒄实验结束

参数设置：

到“参数设置”面板，改变强化套管、普通套管的半径、长度、蒸汽温度，重复以上步骤；

八、思考题

1．下列属于传热基本形式有:

A.间壁换热

B.混合换热

C.辐射

答案：

C

2．"热能"总是:

A.由热能高的物体传向热能低的物体

B.由温度高的物体传向温度低的物体

C.由比热大的物体传向比热小的物体

答案：

B

3．间壁换热时,壁温总是:

A.接近温度高的流体

B.接近温度低的流体

C.接近传热系数大的流体

答案：

C

4．在本实验中的管壁温度Tw应接近蒸汽温度，还是空气温度？

可能的原因是：

A.接近空气温度，这是因为空气处于流动状态,即强制湍流状态，a（空气）↑

B.接近蒸汽温度，这是因为蒸汽冷凝传热膜系数，a（蒸）>>a（空）。

C.不偏向任何一边，因为蒸汽冷凝a和空气温度a均对壁温有影响。

答案：

B

5．以空气为被加热介质的传热实验中，当空气流量Va增大时，壁温如何变化？

A.空气流量Va增大时，壁温Tw升高。

B.空气流量Va增大时，壁温Tw降低。

C.空气流量Va增大时，壁温Tw不变。

答案：

B

6．下列诸温度中，哪个做为确定物性参数的定性温度？

A.介质的入口温度

B.介质的出口温度

C.蒸汽温度

D.介质入口和出口温度的平均值

E.壁温

答案：

D

7．管介质的流速对传热膜系数a有何影响？

A.介质流速u增加，传热膜系数a增加

B.介质流速u增加，传热膜系数a降低

C.介质流速u增加，传热膜系数a不变

答案：

A

8．管介质流速的改变，出口温度如何变化？

A.介质流速u升高，出口温度t2升高

B.介质流速u升高，出口温度t2降低

C.介质流速u升高，出口温度t2不变

答案：

B

9．蒸汽压强的变化，对a关联式有无影响？

A.蒸汽压强P↑，a值↑，对a关联式有影响

B.蒸汽压强P↑，a值不变，对a关联式无影响

C.蒸汽压强P↑，a值↓，对a关联式有影响

答案：

B

10．改变管介质的流动方向，总传热系数K如何变化？

A.改变管介质的流动方向，总传热系数K值增加

B.改变管介质的流动方向，总传热系数K值减小

C.改变管介质的流动方向，总传热系数K值不变

答案：

C

九、参考文献

[1]冷士良.化工单元过程及操作.：

化学工业，2002

[2]金利等.化工原理实验.天津：

天津大学，2005

[3]祖荣.化工原理实验.：

化学工业，2004

东方

东