氣—氣傳熱綜合實驗操作講義

1、氣氣傳熱綜合實驗講義一、 實驗目的：1 通過對空氣水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù) a i 的測定方法，加m 0.4中常數(shù) A、m 的值；2 通過對管程內部插有螺旋線圈和采用螺旋扁管為內管的空氣水蒸氣強化套管換熱器的m傳熱的基本理論和基本方式；3 了解套管換熱器的管內壓降 Dp 和 Nu 之間的關系；二、 實驗內容：實驗一： 測定 56 個不同流速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數(shù)a i 。m 0.4 測定 56 個不同流速下簡單套管換熱器的管內壓降 Dp1。實驗二： 測定 56 個不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數(shù)a i 。m 測定 56 個不同流速下強化套管換熱器的管內壓降

2、 Dp 2 。并在同一坐標系下繪制普通管Dp1 Nu 與強化管 Dp 2 Nu 的關系曲線。比較實驗結果。 同一流量下，按實驗一所得準數(shù)關聯(lián)式求得 Nu0，計算傳熱強化比 Nu/Nu0。三、 實驗原理實驗一 普通套管換熱器傳熱系數(shù)及其準數(shù)關聯(lián)式的測定1. 對流傳熱系數(shù)a i 的測定對流傳熱系數(shù)a i 可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定。深對其概念和影響因素的理解，并應用線性回歸分析方法，確定關聯(lián)式 Nu = A * Re * Pr實驗研究，測定其準數(shù)關聯(lián)式 Nu = B * Re 中常數(shù) B、m 的值和強化比 Nu / Nu 0 ，了解強化 對a i 的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關聯(lián)式 Nu=A

3、Re Pr 中常數(shù) A、m 的值。 對a i 的實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，求關聯(lián)式 Nu=BRe 中常數(shù) B、m 的值。a iQiDt m Si（2-1）2Qi管內傳熱速率，W；2Dt mi 內管壁面溫度與內管流體溫度的平均溫差，。平均溫差由下式確定：Dt mi = t w - ( ) （2-2）2式中：ti1，ti2冷流體的入口、出口溫度，；tw壁面平均溫度，；因為換熱器內管為紫銅管，其導熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認為內壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用 tw 來表示。管內換熱面積：Si = pdi Li （2-3）式中：di內管管內徑，m；Li傳熱管測量段的實際長度，m；由熱量衡算式：

4、Qi = Wic pi (ti 2 - ti1) （2-4）其中質量流量由下式求得：Wi = （2-5）36003cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg)；3cpi 和 i 可根據(jù)定性溫度 tm 查得， tm = 為冷流體進出口平均溫度。ti1、ti2、2tw、Vi 可采取一定的測量手段得到。2. 對流傳熱系數(shù)準數(shù)關聯(lián)式的實驗確定式中：a i 管內流體對流傳熱系數(shù)，W/(m )；Si管內換熱面積，m ；ti1 + ti 2Vi r i式中：Vi冷流體在套管內的平均體積流量，m / h；i冷流體的密度，kg /m 。ti1 + ti 2流體在管內作強制湍流，處于被加熱狀態(tài)，準數(shù)關聯(lián)式的形式為m

5、（2-6）li物性數(shù)據(jù) i、cpi、i、i 可根據(jù)定性溫度 tm 查得。經(jīng)過計算可知，對于管內被加熱的空氣，普蘭特準數(shù) Pri 變化不大，可以認為是常數(shù)，則關聯(lián)式的形式簡化為：m 0.4i通過實驗確定不同流量下的 Rei 與 Nui ，然后用線性回歸方法確定 A 和 m 的值。實驗二、強化套管換熱器傳熱系數(shù)及其準數(shù)關聯(lián)式及強化比的測定強化傳熱又被學術界稱為第二代傳熱技術，它能減小初設計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置是采用在換熱器內

6、管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱。螺旋線圈的結構圖如圖 2-1 所示，螺旋線圈由直徑 3mm 以下的銅絲和鋼絲按一定節(jié)距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內，即可構成一種強化傳熱管。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱強化。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細，流體旋流強度也較弱，所以阻力較小，有利于節(jié)省能源。螺旋線圈是以線圈節(jié)距 H 與管內徑 d 的比值為主要技術參數(shù)，且節(jié)距與管內徑m經(jīng)驗公式，其中 B 和 m 的值因螺旋絲尺寸不同而不同。圖 2-1 螺旋線圈強化管內部結構Nui = A Rei Prin .其中： Nui = ，

7、Rei = i i i ， Pr =Nui = A Rei Pr（2-7）比是影響傳熱效果和阻力系數(shù)的重要因素。科學家通過實驗研究總結了形式為 Nu = B Re 的在本實驗中，采用實驗 2-1 中的實驗方法確定不同流量下的 Rei 與 Nui ，用線性回歸方法可確定 B 和 m 的值。單純研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為評判準則，它的形式是： Nu Nu0 ，其中 Nu 是強化管的努塞爾準數(shù)，Nu0是普通管的努塞爾準數(shù)，顯然，強化比 Nu Nu0 1，而且它的值越大，強化效果越好。需要說明的是，如果評判強化方式的真正效果和經(jīng)濟效益，則必須考慮阻力因素，阻力系

8、數(shù)隨著換熱系數(shù)的增加而增加，從而導致?lián)Q熱性能的降低和能耗的增加，只有強化比高且阻力系數(shù)小的強化方式，才是最佳的強化方法。四、 實驗裝置與流程1 實驗流程圖及基本結構參數(shù)：如圖 2-2 所示，實驗裝置的主體是兩根平行的套管換熱器，內管為紫銅材質，外管為不銹鋼管，兩端用不銹鋼法蘭固定。實驗的蒸汽發(fā)生釜為電加熱釜，內有 2 根 2.5kW 螺旋形電加熱器，用 200 伏電壓加熱（可由固態(tài)調壓器調節(jié)）?？諝庥尚郎u氣泵吹出，由旁路調節(jié)閥調節(jié)，經(jīng)孔板流量計，由支路控制閥選擇不同的支路進入換熱器。管程蒸汽由加熱釜發(fā)生后自然上升，經(jīng)支路控制閥選擇逆流進入換熱器殼程，由另一端蒸汽出口自然噴出，達到逆流換熱的效果

9、。2021東圖 2-2 空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖（A 型）實驗裝置：1普通套管換熱器；2內插有螺旋線圈的強化套管換熱器；3蒸汽發(fā)生器；旋渦氣泵；5旁路調節(jié)閥；6孔板流量計；7、8、9空氣支路控制閥；10、11蒸汽支路控制閥；12、13蒸汽放空口；14傳熱系數(shù)分布實驗套盒（本實驗不使用）；15紫銅管；16加水口；17放水口；18液位計；19熱點偶溫度測量實驗測試點接口；20普通管測壓口；21強化管測壓口2 實驗的測量手段1) 空氣流量的測量空氣主管路由孔板與差壓變送器和二次儀表組成空氣流量計，孔板流量計為標準設計，其流量計的計算式為：DPr t 0式中： DP 孔板流量計兩端壓差，KP

10、a；t 0 流量計處溫度(本實驗裝置為空氣入口溫度)，；r t 0 t 0 溫度下的空氣密度，kg/m3；實驗裝置結構參數(shù)見下面說明：東東實驗內管內徑 d i (mm)第 套 16第 套 20實驗內管外徑 d 0第 套 17.92第 套 22實驗外管內徑 D i (mm)20實驗外管外徑 D 0 (mm)22總管長（紫銅內管）L(m)1.20測量段長度 l(m)1.20加熱釜操作電壓200 伏操作電流200 伏Vt 0 = 23.8 *由于被測管段內溫度的變化，還需對所測得體積流量進行進一步的校正：（2-8）273 + t032) 溫度的測量實驗中壁面溫度是用銅-康銅熱電偶測量的，溫度與熱電勢

11、的關系為：T()=1.2705+23.518E(mv) （2-9）冷流體進出口溫度是用 Cu50 熱電阻溫度計測量得到的。五、 注意事項1 由于采用熱電偶測溫，所以實驗前要檢查冰桶中是否有冰水混合物共存。檢查熱電偶的冷端，是否全部浸沒在冰水混合物中。2 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內。特別是每個實驗結束后，進行下一實驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應及時補給水量。3 必須保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路控制閥（見圖 2-2）之一必須全開。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉控制閥必須緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。4 必須保證空

12、氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，三個空氣支路控制閥之一和旁路調節(jié)閥（見圖 2-2 所示）必須全開。在轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉控制閥。5 調節(jié)流量后，應至少穩(wěn)定 510 分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。6 實驗中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、 實驗報告1 實驗一的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)結果表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準數(shù)以及重要的中間計算結果）、準數(shù)關聯(lián)式的回歸過程、結果與具體的回歸方差分析，并以其中一組數(shù)據(jù)的計算舉例。2 實驗二的原始數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)整理表（換熱量、傳熱系數(shù)、各準數(shù)、Nu0 和強化比，還包括重要的中間計算結果）、準數(shù)關聯(lián)式的回歸結果。

13、3 在同一雙對數(shù)坐標系中繪制實驗一、實驗二的 NuRe 的關系圖。4 在同一坐標系中繪制實驗一、實驗二的東PNu 的關系圖。5 對實驗結果進行分析與討論。Vi = Vt0 273 + tmVt0 冷流體進入換熱器時的體積流量，m / h；七、 實驗步驟傳熱實驗仿真主要設備介紹圖如下圖 2-3 所示：真仿傳熱實驗仿真設備介紹圖 真普通套管實驗操作： 檢查水槽液位計，若發(fā)現(xiàn)水量較少，打開注水閥 VA102，補充水量至 2/3 處； 打開連通閥 VA101，使水槽與蒸汽發(fā)生器相通； 打開普通套管蒸汽開關閥 VA104，確保蒸汽管路暢通； 打開電源總開關，啟動蒸汽發(fā)生器開關，加熱蒸氣； 等待若干秒，待

14、水蒸氣進入套管換熱器外管，當蒸氣排出口有恒量蒸汽排出時，標志實驗可以開始； 打開漩渦風機旁路閥 VA106 至最大； 打開普通套管空氣開關閥 VA107，確保空氣管路暢通； 啟動漩渦風機開關； 通過調節(jié)漩渦風機旁路閥 VA106 的開度，調節(jié)流量所需值，待數(shù)值穩(wěn)定后，到“實驗數(shù)據(jù)一”面板點擊“普通套管數(shù)據(jù)記錄”按鈕，記錄實驗數(shù)據(jù)至“實驗報表” 按照閥門 VA106 開度由大到小的順序，記錄 56 組實驗數(shù)據(jù)強化套管實驗操作： 關閉風機電源； 緩慢開啟強化管道蒸汽開關閥 VA105，再關閉普通套管蒸汽開關閥 VA104，使強化管路蒸圖 2-3汽暢通；待蒸氣排出口有恒量蒸汽排出，標志強化套管傳熱實

15、驗可以開始； 將漩渦風機旁通閥 VA106 開至最大，接通漩渦風機開關； 調節(jié)漩渦風機旁通閥 VA106 的開度，調節(jié)流量至所需值，帶數(shù)值穩(wěn)定后，倒“實驗數(shù)據(jù)二”面板點擊“強化套管數(shù)據(jù)記錄”按鈕，記錄實驗數(shù)據(jù)至“實驗報表” 按照閥門 VA106 開度由大到小的順序，記錄 56 組實驗數(shù)據(jù) 關閉蒸汽發(fā)生器加熱電源，待蒸氣放空口沒有蒸汽逸出，將漩渦風機旁通閥 VA106 至全開，并關閉漩渦氣泵開關，關閉總電源開關 實驗結束參數(shù)設置：到“參數(shù)設置”面板，改變強化套管、普通套管的半徑、長度、蒸汽溫度，重復以上步驟；八、 思考題1 下列屬于傳熱基本形式有:A. 間壁換熱B. 混合換熱C. 輻射答案：C2

16、 熱能總是:A. 由熱能高的物體傳向熱能低的物體B. 由溫度高的物體傳向溫度低的物體C. 由比熱大的物體傳向比熱小的物體答案：B3 間壁換熱時,壁溫總是:A. 接近溫度高的流體B. 接近溫度低的流體C. 接近傳熱系數(shù)大的流體答案：C4 在本實驗中的管壁溫度 Tw 應接近蒸汽溫度，還是空氣溫度？可能的原因是：A. 接近空氣溫度，這是因為空氣處于流動狀態(tài),即強制湍流狀態(tài)，a(空氣)B. 接近蒸汽溫度，這是因為蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)，a(蒸)a(空)。C. 不偏向任何一邊，因為蒸汽冷凝 a 和空氣溫度 a 均對壁溫有影響。答案：B5 以空氣為被加熱介質的傳熱實驗中，當空氣流量 Va 增大時，壁溫如何變化

17、？A. 空氣流量 Va 增大時，壁溫 Tw 升高。B. 空氣流量 Va 增大時，壁溫 Tw 降低。C. 空氣流量 Va 增大時，壁溫 Tw 不變。答案：B6 下列諸溫度中，哪個做為確定物性參數(shù)的定性溫度？A. 介質的入口溫度B. 介質的出口溫度C. 蒸汽溫度D. 介質入口和出口溫度的平均值E. 壁溫答案：D7 管內介質的流速對傳熱膜系數(shù) a 有何影響？A. 介質流速 u 增加，傳熱膜系數(shù) a 增加B. 介質流速 u 增加，傳熱膜系數(shù) a 降低C. 介質流速 u 增加，傳熱膜系數(shù) a 不變答案：A8 管內介質流速的改變，出口溫度如何變化？A. 介質流速 u 升高，出口溫度 t2 升高B. 介質流速 u 升高，出口溫度 t2 降低C. 介質流速 u 升高，出口溫度 t2 不變答案：B9 蒸汽壓強的變化，對 a 關聯(lián)式有無影響？A. 蒸汽壓強 P，a 值，對 a 關聯(lián)式