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学生实验气汽传热综合实验
实验三气-汽传热综合实验
-、实验目的
1.掌握传热系数K的测定原理;
2.掌握传热系数K的测定方法及数据处理。
、实验原理
根据传热基本方程,已知传热设备的结构尺寸,只要测得传热速度,以及各有关温度,即可算出传热系数。
三、套管换热器实验简介
(一)实验装置的功能和特点
本实验装置是由光滑套管换热器和强化内管的套管换热器组成的,以空气和水蒸汽为传热介质,可以测定对流传热系数,用于教学实验和科研。
通过对本换热器的实验研究,可以掌握对流传热系数:
i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二ARemPr0.4中常数Am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,测定其强化比N^Nu,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:
⑴实验操作方便,安全可靠。
⑵数据稳定可靠,强化效果明显,用图解法求得的回归式与经验公式很接近。
⑶水、电的耗用小,实验费用低。
⑷传热管路采用管道法兰连接,不但密封性能好,?
而且拆装也很方便。
⑸箱式结构,外观整洁,移动方便。
(二)光滑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:
i的测定
在该传热实验中,空气走内管,蒸气走外管。
对流传热系数:
i可以根据牛顿冷却定律,用实验来测定
Qi
•%S
式中:
期一管内流体对流传热系数,
Qi—管内传热速率,W;
Si—管内换热面积,m2;
2
W/(m?
C);
=tm二tw
tl't2
2
-■:
tm—内壁面与流体间的温差,C。
式中:
ti,t2—冷流体的入口、出口温度,C;
tw—壁面平均温度,C;
因为换热器内管为紫铜管,其导热系数很大,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tw来表示。
管内换热面积:
Sj=-:
diLj(3)
式中:
di—内管管内径,m;
Li—传热管测量段的实际长度,m。
由热量衡算式:
Qi二WmCPmt-匕)(4)
其中质量流量由下式求得:
Wm
Vm'm
3600
(5)
式中:
Vm—冷流体在套管内的平均体积流量,m3/h;
Cpm—冷流体的定压比热,kJ/(kg•C);
3
「m—冷流体的密度,kg/m。
Cpm和「m可根据定性温度tm查得,tmt-2为冷流体进出口平均温度。
t1,t2,tw,Vm
2
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
流体在管内作强制湍流,被加热状态,准数关联式的形式为
mn
Nu=ARePr物性数据'm、Cpm、?
m、」m可根据定性温度tm查得。
经过计算可知,对于管内被加热的空气,
其中:
Nu
Re
Jm
普兰特准数Pr变化不大,可以认为是常数,则关联式的形式简化为:
m0.4
Nu=ARePr
这样通过实验确定不同流量下的Re与Nu,然后用线性回归方法确定A和m的值。
(3)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
并且能够减少换热器的阻力
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;
以减少换热器的动力消耗,更有效地利用能源和资金。
图1螺旋线圈内部结构
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
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
m
素。
科学家通过实验研究总结了形式为Nu=BRe的经验公式,其中B和m的值因螺旋丝尺寸不
同而不同。
采用和光滑套管同样的实验方法确定不同流量下得Rei与Nu,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:
NuNu。
,其中Nu是强化管的努塞尔准数,Nuo是光滑管的努塞尔准数,显然,强化
比Nu.Nuo>1,而且它的值越大,强化效果越好。
(4)实验流程和设备主要技术数据
1.设备主要技术数据见表1
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D。
(mm)
57.0
测量段(紫铜内管)长度L(m)
1.20
强化内管内插物
(螺旋线圈)尺寸
丝径h(mm)
1
节距H(mm)
40
加热釜
操作电压
W200伏
操作电流
W10安
2.实验流程如图2所示
图2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1-液位管;;2-储水罐;3-排水阀;4-蒸汽发生器;5-强化套管蒸汽进口阀;;6-普通套管蒸汽进口阀;7-普通套管换热器;8-内插有螺旋线圈的强化套管换热器;9-普通套管蒸汽岀口;10-强化套管蒸汽岀口;11-普通套管空气进口阀;
12-强化套管空气进口阀、13-孔板流量计;14-空气旁路调节阀;15-旋涡气泵加水口;
(1)温度的测量
空气进出口温度采用电偶电阻温度计测得,由多路巡检表以数值形式显示(1—普通管空气进
口温度;2—普通管空气出口温度;3—强化管空气进口温度;4—强化管空气出口温度;)。
壁温采用热电偶温度计测量,光滑管的壁温由显示表的上排数据读出,强化管的壁温由显示表的下排数
据读出。
(2)电加热釜
是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升,?
内装有一支2.5kw的螺旋形电热器,当水温为30C时,用(120—180)伏电压加热,约15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)。
(3)气源(鼓风机)
又称旋涡气泵,XGB-2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,输出空气的温度呈上升
趋势。
3.实验的测量手段
⑴空气流量的测量
空气流量计由孔板与差压变送器和二次仪表组成。
该孔板流量计在
的关系式为:
V20=13.909(:
P)0648
流量计在实际使用时往往不是20C,此时需要对该读数进行校正:
Vti=V20
273ti
-27320
20C时标定的流量和压差
(8)
(9)
式中:
P—孔板流量计两端压差,KPa;
V20—20C时体积流量,m3/h;
Vti—流量计处体积流量,也是空气入口体积流量,m3/h;
ti—流量计处温度,也是空气入口温度,C。
由于换热器内温度的变化,传热管内的体积流量需进行校正:
Vm
273tm
273t1
(10)
Vm—传热管内平均体积流量,m3/h;
tm—传热管内平均温度,C。
四、实验方法及步骤
1.实验前的准备,检查工作。
⑴向储水罐中加水至液位计上端处。
⑵检查空气流量旁路调节阀是否全开。
⑶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。
⑷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。
⑴关闭通向强化套管的阀门5,打开通向简单套管的阀门6,当简单套管换热器的放空口9有水蒸气冒出时,可启动风机,此时要关闭阀门12,打开阀门11。
在整个实验过程中始终保持换热
器出口处有水蒸气冒出。
⑵启动风机后用放空阀14来调节流量,调好某一流量后稳定3-8分钟后,分别测量空气的流
量,空气进、出口的温度及壁面温度。
然后,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5〜6组数据。
⑶做完简单套管换热器的数据后,要进行强化管换热器实验。
先打开蒸汽支路阀5,全部打
开空气旁路阀14,关闭蒸汽支路阀6,打开空气支路阀12,关闭空气支路阀11,进行强化管传热实验。
实验方法同步骤⑵。
3.实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。
一切复原。
五、实验数据记录
光滑套管换热器数据表
1—光滑套管换热器原始数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口t1(C)
空气出口t2(C)
壁温tw(C)
压差心P(KPa)
流量qv(m3/h)
2—光滑套管换热器物性数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度tn(C)
密度p(kg/m)
黏度卩(Pas)
比热Cp(J/Kg-k)
导热系数入(W/mK)
3—
光滑套管换热器数据处理表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
传热系数a(W/m-C)
雷诺数Re
努塞尔数Nu
普朗特数Pr
强化套管换热器数据表
1—强化套管换热器原始数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
空气入口t「C)
空气出口t2(C)
壁温tw(C)
压差AP(KPa)
3
流量qv(m/h)
2—强化套管换热器物性数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
定性温度t』C)
密度p(kg/m3)
黏度卩(Pas)
比热Cp(J/Kg-k)
导热系数入(W/mK)
3—
强化套管换热器数据处理表
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
传热系数a(W/m-C)
雷诺数Re
努塞尔数Nu
普朗特数Pr
六、数据处理与分析
七、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。
即在给蒸汽加热釜电压之前,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3~8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,且保证蒸汽放空口一直有蒸汽放出。
八、附录
1实验数据的计算过程(光滑套管第1列数据为例)
孔板流量计压差计读数AP=0.88KPa,空气进口温度t1=28.8C
出口温度t2=65.5C,传热管壁面温度tw=99.5C
(1)传热管内径di及流通截面积Fi
di=20.00(mm),=0.0200(m);
Fj二二dj2/4=3.142X(0.0200)2/4=0.0003142(mi).
(2)传热管有效长度L及传热面积S
L=1.20m
2
Si二二diL=3.142X0.02X1.20=0.075408(m).
(3)空气平均物性常数的确定
匕+to
先算出空气的定性温度tm,tm-—=47.15(C)
2
在此温度下空气物性数据如下:
3
平均密度pm=1.12(kg/m);平均比热Cpm=1005(J/Kg-k);
平均导热系数入m=0.0280(W/m・K);平均粘度卩m=0.0000192(Pas);
⑷空气流过换热器内管时平均体积流量Vm和平均流速的计算
20C时对应的孔板流量计体积流量
V20=22.896:
P0.5=22.896X0.880.5=21.48(mi/h)
因为流量计处温度不是20C,故需校正:
27328・8=21.8(m/h)
%亠20;273+1=21.48J
2732027320
传热管内平均体积流量vm:
过空如=218减27上也=23.12(m3/h)
273t127328.8
平均流速um:
Um=Vm/F3600=23.12/(0.00031423600)=20.45(m/s)
壁面和冷流体间的平均温度差
的计算:
99.5—47.15=52.35(C)
传热速率
Vm?
mCPm(t2-匕)
Q=
3600
管内传热系数
二23.121.121°°5(65.5-28.8)=265(W)
3600
2
:
i二Q/:
tmS=265/(52.350.074508)=67.94(W/m「C)
各准数
Nu=:
idi/=67.940.0200/0.0280=48
Re二djum'm/」m=0.020020.451.12/0.0000192=23858.3
cCp」10051.9210^Pr=
0.0280
0.689
其它组数据处理方法同上,数据结果见表
2。
〜Re关系,见图3中直线n。
Pr.
⑼求关联式Nu-ARemPr0.4中的常数项
以“耕厶为纵坐标,Re为横坐标,在对数坐标系上标绘Pr.
由图线回归出如下结果:
y=0.0174x°8161
Nu=0.0174Re0.8161Pr°4
⑽强化套管换热器数据
3。
重复上面步骤,同样可以得到强化套管换热器的实验数据,数据结果见表
其中强化比NuNuo的计算如下:
Nu0。
如
将强化套管换热器求得的Re数带入光滑套管换热器所得的准数关联式中,可以得到
表3中第1组数据:
Re=43069
-.08161040.81610.4
Nu0=0.0174Re.Pr.=0.0174X43069X0.697=90.88
Nu/Nu0=125/90.88=1.38
(11)强化套管换热器的关联式
见图3中直线I,由图线回归结果,得出:
0.79190.4
Nui=0.0422RePr
(12)〜Re关系曲线
Pr
套管换热器实验准数关联图
0.9075
0.7382
Nu
Pr0.4
Re关系曲线
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- 学生 实验 传热 综合