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传热综合实验
实验五传热综合实验
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
mPr0.4中常数A、m的值。
关联式Nu=ARe
2.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
m
究,测定其准数关联式Nu=BRe中常数B、m的值和强化比Nu/Nu0,了解强化传
热的基本理论和基本方式。
二、实验内容
1.测定5~6个不同流速下普通套管换热器的对流传热系数i,对i的实
mPr
0.4
验数据进行线性回归,求关联式Nu=ARe中常数A、m的值。
2.测定5~6个不同流速下强化套管换热器的对流传热系数i,对i的实验
m
数据进行线性回归,求关联式Nu=BRe中常数B、m的值。
3.同一流量下,按实验1所得准数关联式求得Nu0,计算传热强化比Nu/Nu0。
三、实验原理
(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i的测定
对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律,用实验来测定。
因为i< 以: iKQ/t(WS/m 2·℃)iimii 2? ℃);式中: i—管内流体对流传热系数,W/(m Qi—换热器传热速率,W; 2 Si—管内换热面积,m ; t—对数平均温差,℃。 mi 对数平均温差由下式确定: t mi (T w t ln ) i1 ( T w (T w ( T t w i1 t i2 ) ) t i 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,管外为蒸汽冷凝,因此,将 壁面平均温度近似视为蒸汽的温度,且保持不变。 传热面积(内): SidiLi 式中: di—传热管内径,m; Li—传热管测量段的实际长度,m。 由热量衡算式: QiWc(ti2ti1) ipi 其中质量流量由下式求得: W i V ii 3600 式中: Vi—冷流体在套管内的平均体积流量,m 3/h; cpi—冷流体的定压比热,kJ/(kg·℃); ρi—冷流体的密度,kg/m 3。 cpi和ρi可根据定性温度tmi查得, tt i1i2 t为冷流体进出口平均温度。 mi 2 ti1,ti2,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 空气在管内作强制湍流,且被加热,准数关联式的形式为: Nu iA m 0.4 RePri i 其中: d ii Nu, i ud iii Re, i Pr i c pii iii 物性数据λi、cpi、ρi、μi可根据定性温度tmi查得。 这样通过实验确定不 同流量下的Rei与 Nu,再用线性回归方法即可确定A和m的值。 i (二)、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,它能减小换热器的传热面积,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5-1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 图5-1螺旋线圈强化管内部结构旋金属丝的扰动,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的比值以及管壁粗糙度为主要技术参数,长径比H/d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 其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。 m NuBRe的经验公式, 在本实验中,采用普通管中的实验方法确定不同流量下的Rei与 Nu,用线 i 性回归方法可确定B和m的值。 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,Nu0是普通 0 管的努塞尔准数,显然,强化比 NuNu>1,而且它的值越大,强化效果越好。 0 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, 只有强化比较高,且阻力系数较小的强化方式,才是最佳的强化方法。 四、实验流程 1.实验流程 实验流程图见图5—2。 实验装置的主体是两根平行的换热套管,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 进入不同的换热管的内管。 蒸汽由加热釜产生后由蒸汽上升管上升,经支路控制 阀选择不同的支路进入套管壳程。 装置结构参数如表5—1所示。 图5—2空气-水蒸气传热综合实验装置流程图 1.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 表5—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 丝径h(mm)1强化内管内插物 (螺旋线圈)尺寸节距H(mm)40 加热釜 操作电压≤200伏 操作电流≤10安 2.实验测量手段 ①流量的测定: 孔板流量计与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。 空气流量由下式计算: Vt018.113P 0.6203 式中: Vt0——20℃下的体积流量; ΔP—孔板两端压差,KPa(即数字显示仪表读数) 由于被测管段内温度的变化,还需对体积流量进行进一步的校正: V i V t 0 273 t mi 293 式中: Vi—实验条件下(管内平均温度)下的空气流量,m 3/h; tmi—换热器管内平均温度,℃ ②温度测量: a)空气进、出传热管测量段的温度由电阻温度计测量,可由数字显示仪表 直接读出。 b)管外壁面平均温度Tw(℃),由数字式毫伏计测出与该温度对应的热电 势E(mv,热电偶是由铜─康铜组成),将E值代入公式: Tw(℃)=1.2705+23.518× E(mv)计算得到。 五、实验方法及步骤 1.实验前的准备检查工作 ①向蒸汽发生器中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检查蒸汽管支路各控制阀是否已打开,保证蒸汽和空气管线畅通。 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.实验操作 A.人工实验操作 ①合上电源总开关。 ②打开加热电源开关,设定加热电压(不得大于200V),直至有水蒸气冒出, 在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。 ③启动风机,用放空阀来调节流量,在一定的流量下,稳定5—10分钟后分 别测量空气的流量、空气进出口温度、壁面温度。 ④改变流量,待流量稳定后再分别测量空气的流量、空气进、出口温度、壁 面温度后继续实验。 ⑤实验结束后,依次关闭加热电源、风机和总电源。 一切复原。 B.使用计算机自动控制试验 ①启动计算机并按照操作说明进行操作; ②合上电源总开关、加热电源开关,设定加热电压(不得大于200V),直至 有水蒸气冒出,在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气; ③计算机数据采集 a.用放空阀调节流量,待操作稳定后,用计算机分别对空气流量、空气 进出口温度、换热器水蒸气温度进行采集; b.改变空气流量,待操作稳定后,分别用计算机测量空气流量、空气进 出口温度、水蒸气温度; c.用计算机对所得实验数据进行计算和整理,得出实验结果,并通过显示 器显示或打印出来。 六、实验注意事项 1.刚刚开始加热时,加热电压可在180V左右,但不能过大; 2.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; 3.检查蒸汽发生器中的水位是否在正常范围内,特别是每个实验结束后,进 行下一个实验之前,如果发现水位过低,应及时补给水量; 4.必须保证蒸汽上升管线的畅通。 在给蒸汽发生器电压之前,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,再关闭另一侧,且 开启和关闭控制阀要缓慢,防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出; 5.必须保证空气管线的畅通。 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; 6.调节流量后,应至少稳定5~10分钟后读取实验数据。 七、实验数据整理 1.将普通管实验数据填入表一。 并以一组数据为例写出计算过程; 2.将粗糙管实验数据填入表二。 并以一组数据为例写出计算过程; 0.4 3.以Re为横坐标,以Nu/Pr 为纵坐标,将上述表中数据绘制在同一双对数 坐标图中; 4.对实验结果进行分析与讨论。 表1普通管实验记录 1234567 传热管内径dim0.0020.0020.002 0.00 2 0.00 2 0.002 0.00 2 流通截面积A,㎡3.143.143.143.143.143.143.14 孔板压差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.95 空气入口温度ti1(℃)26.232.334.736.838.940.842.4 空气出口温度ti2(℃)75.173.973.172.272.372.472.6 壁面热电势E(mv)4.154.134.124.124.124.114.10 表2普通管数据整理 1234567 壁面温度Tw(℃)98.998.498.298.297.997.797.4 平均温差Δtm(℃)43.841.941.441.240.038.937.3 管内平均温度tmi(℃)50.653.153.954.555.656.657.5 ρ(kg/m 3)1.09 1 1.08 3 1.08 6 1.07 8 1.075 1.07 1 1.06 8 Cp 1.00 5 1.00 5 1.00 5 1.00 5 1.005 1.00 5 1.00 5 Pr 0.69 8 0.69 7 0.69 7 0.69 7 0.697 0.69 7 0.69 6 λ*100 2.83 0 2.84 7 2.85 4 2.85 8 2.846 2.87 2 2.87 8 μ*1000001.961.971.981.981.991.992.00 流通截面积A,㎡ *10^-4 3.143.143.143.143.143.143.14 管内流量Vi(m3/h)6.17 3/h)6.17 12.7 9 19.0 6 25.7 1 31.03 35.8 8 39.9 7 空气流速u(m/s)5.46 11.3 1 16.8 6 22.7 4 27.45 31.7 4 35.3 6 管内传热面积Si㎡ *10^-2 6.286.286.286.286.286.286.28 传热量Q(W) 0.09 2 0.16 1 0.22 2 0.27 4 0.311 0.33 9 0.36 2 αi(W/m ·℃) 0.03 3 0.06 6 0.08 5 0.10 6 0.124 0.13 9 0.15 1 Re 6078 .4 1243 5.3 1849 4.9 2476 1.3 29657 3416 4.4 3776 4.5 Nu 0.02 3 0.04 6 0.05 9 0.07 4 0.086 0.09 7 0.10 5 Nu/(Pr 0.4 ) 0.02 6 0.05 3 0.06 8 0.08 5 0.099 0.11 2 0.12 1 表3强化管实验记录及数据整理 1234567 传热管内径di,m0.00 0.000.000.000.0020.000.00 222222 孔板压差(Kpa)0.150.480.911.471.982.492.88 空气入口温度ti1(℃)78.275.074.272.773.073.774.4 空气出口温度ti2(℃)78.275.074.272.773.073.774.4 壁面热电势E(mv)4.144.144.134.134.134.134.13 表4强化管数据整理 1234567 管内传热面积Si,㎡ *10^-2 6.286.286.286.286.286.286.28 管内平均温度tmi(℃) 54.6 5 53.6 5 54.1 5 54.5 5 55.95 57.4 5 58.7 5 ρ(kg/m 3) 1.07 8 1.08 1 1.07 9 1.07 8 1.073 1.06 8 1.06 3 Cp 1.00 5 1.00 5 1.00 5 1.00 5 1.005 1.00 5 1.00 5 Pr 0.69 7 0.69 7 0.69 7 0.69 7 0.697 0.69 6 0.69 6 λ*100 2.85 8 2.85 1 2.85 4 2.85 7 2.868 2.87 8 2.88 5 μ*100000 1.98 2 1.98 7 1.98 0 1.98 2 1.990 1.99 8 2.00 2 壁面温度Tw(℃)98.698.698.498.498.498.498.4 平均温差Δtm(℃)41.841.341.041.340.138.737.5 管内流量Vi(m 3/h)6.24 12.8 1 19.0 7 25.7 1 31.06 35.9 7 39.5 3 流通截面积A,㎡*10-43.143.143.143.143.143.143.14 空气流速u(m/s)5.5211.3 16.7 8 22.7 4 27.48 31.8 2 34.9 7 传热量Q(W) 0.08 8 0.16 5 0.23 0 0.28 1 0.317 0.34 8 0.36 7 2·℃) αi(W/m 0.03 4 0.06 4 0.08 9 0.10 8 0.126 0.14 3 0.15 6 Re 6004 .6 1238 3.9 1838 6.6 2473 6.3 29634 .2 3401 7.8 3713 5.9 Nu 0.02 4 0.04 8 0.06 2 0.07 6 0.088 0.09 9 0.10 8 Nu/Nu0 1.04 3 1.04 3 1.05 1 1.02 7 1.023 1.02 1 1.02 9 Nu/(Pr 0.4 )0.02 8 0.05 2 0.07 2 0.08 8 0.102 0.11 4 0.12 5 -2.0 -2.2 lnNu/(Pr^0.4 -2.4) -2.6 -2.8 -3.0 -3.2 -3.4 -3.6 -3.8 8.59.09.510.010.5 lnRe 普通管lnNu/(pr^0.4)~lnRe曲线 由直线得出k=0.8226即m=0.8226 代入式中算出lnA=3.69*10^-6 所以直线方程: lnNu/(Pr^0.4)=3.69*10^-6+0.8226lnRe -2.0 lnNu/(Pr^0.4) -2.2 -2.4 -2.6 -2.8 -3.0 -3.2 -3.4 -3.6 8.59.09.510.010.5 lnRe 强化管lnNu/(pr^0.4)~lnRe曲线 由直线得出k=0.8104即m=0.8104 代入式中算出lnA=3.37*10^-6 所以直线方程: lnNu/(Pr^0.4)=3.37*10^-6+0.8104lnRe
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