實驗四氣汽對流傳熱綜合實驗報告

1、化學(xué)實驗教學(xué)中心實驗報告化學(xué)測量與計算實驗U實驗名稱：氣-汽對流傳熱綜合實驗報告學(xué)生姓名：學(xué)號：院（系）:年級：級班指導(dǎo)教師：研究生助教：實驗日期：2017.05.26 交報告日期：2017.06.02一、實驗?zāi)康?. 掌握對流傳熱系數(shù)？?的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解；2. 應(yīng)用線性回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式 ?= ?04中常數(shù)A、m的值;3.通過對管程內(nèi)部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其強化 比？?？?o, 了解強化傳熱的基本理論和基本方式。、實驗原理本實驗采用套管換熱器，以環(huán)隙內(nèi)流動的飽和水蒸汽加熱管內(nèi)空氣，水蒸汽和空 氣間的傳熱過程由三個傳熱環(huán)節(jié)組成：

2、水蒸汽在管外壁的冷凝傳熱，管壁的熱傳導(dǎo)以 及管內(nèi)空氣對管內(nèi)壁的對流傳熱。本實驗裝置采用兩組套管換熱器，即光滑套管換熱 器及強化套管換熱器。（一）光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測定1.對流傳熱系數(shù)？?？的測定在該實驗中，空氣走內(nèi)管，蒸汽走外管。對流傳熱系數(shù)？?可以根據(jù)牛頓冷卻定律,用實驗測定?99?=?X ?（1）式中，？?？為管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)，？?（m?C）； ?為管內(nèi)傳熱速率，？；？?？管 內(nèi)換熱面積，m2 ； ?為內(nèi)壁面與流體間的溫差，C 。? 由 右 式 確 定(2)? = ?-?1+?22式中，？?1和？?2分別為冷流體的入口、出口溫度，C ； ?為壁面平均溫度，C 應(yīng)為換

3、熱器內(nèi)管為紫銅管，其導(dǎo)熱系數(shù)很大，且管壁很薄，故認(rèn)為內(nèi)壁溫度、外壁溫度和壁面溫度近似相等，用 ？?？來表示。(3)式中，？?？為內(nèi)管管內(nèi)徑，m； ?為傳熱管測量段的實際長度,由熱量衡算式：？?？ = ?(?2 - ?1)其中質(zhì)量流量由右式求得：？?？ =籍(5)? = n ?m。式中，？?？為冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，？?3? ； ?為冷流體的定壓比熱,kJ?(kg?C) ； ?為冷流體的密度，祠。?和?可根據(jù)定性溫度？?查得，？?？=?1；?2為冷流體進出口平均溫度。?1、?2、？?、?可采取一定的測量手段得到。?= ?2. 對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式的實驗確定流體在管內(nèi)做強制湍流，被加熱狀

4、態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為:(6)?CC?CC?cc?CC?CC其中，？= x，?= r?？，？=二?嚴(yán)物性數(shù)據(jù)？?、？?、？?、?可根據(jù)定性溫度？?？查得。經(jīng)計算可知，對于管內(nèi) 被加熱的空氣，普蘭特常數(shù)？?變化不大，可認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡化為:?= ?04(7) /這樣通過實驗確定不同流量下的?與？?？，然后用線性回歸方法確定A、m的值。（二）強化管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強化比的測定強化傳熱又被學(xué)術(shù)界稱為第二代傳熱技術(shù)，它能減小初設(shè)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

5、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(nèi)管插入螺旋線圈的方法來強化傳E-螺旋線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱的螺旋線圈的結(jié)構(gòu)圖如圖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(nèi)，即可構(gòu)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(zhuǎn)，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(xì)，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(nèi)徑d的比值技術(shù)參數(shù)，且長徑比是影響傳熱效果和阻力 系數(shù)的重要因素。科學(xué)家通過實驗研究總結(jié)了形式為? = B?的經(jīng)

6、驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同采用和光滑套管同樣的實驗方法確定不同流量下得Rei和?，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(zhǔn)則，它的形式是：？?，其中？?是強化管的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，？?o是普通管 的努塞爾準(zhǔn)數(shù)，顯然，強化比？?o 1，而且它的值越大，強化效果越好、實驗流程設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)1. 設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)見下表:表1實驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)實驗內(nèi)管內(nèi)徑di (mm20.00實驗內(nèi)管外徑do( mm22.0實驗外管內(nèi)徑D (mm50實驗外管外徑DO( mm57.0測量段(紫銅內(nèi)管)長度l( m1.00強化內(nèi)管內(nèi)插物(螺

7、旋線圈)尺寸絲徑h( mm1節(jié)距H( mm40加熱釜操作電壓 200 伏操作電流 10安2. 實驗的測量手段（1）空氣流量的測量空氣流量計由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計在20 C時標(biāo)定的流 量 和 壓 差 的 關(guān) 系 為： 血 22.694（ P）05（8）其中，V為20r下的體積流量，mVh ; ?為孔板兩端壓差，？?； ?1為空氣入口 溫度（及流量計處溫度），C。由于換熱器內(nèi)溫度的變化，傳熱管內(nèi)的體積流量需進行校正：?v 273+ ? = ?20 % 273+?1（9）（2）溫度的測量空氣進出口溫度采用Cu50銅電阻溫度計測得，由多路巡檢表以數(shù)值形式顯示（1- 普通管空氣進

8、口溫度，2-普通管空氣出口溫度；3-強化管空氣進口溫度，4-強化管空 氣出口溫度）。壁溫采用熱電偶溫度計測量，光滑管的壁溫由顯示表的上排數(shù)據(jù)讀出， 強化管的壁溫由顯示管的下排讀數(shù)讀出。（3）電加熱釜是產(chǎn)生水蒸汽的裝置，使用體積為7升（加水至液位計的上端紅線）,？內(nèi)裝有一支 2.5kw的螺旋形電熱器，當(dāng)水溫為30C時，用200伏電壓加熱，約25分鐘后水便沸騰，為 了安全和長久使用，建議最高加熱（使用）電壓不超過200伏（由固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)）。（4）氣源（鼓風(fēng)機）又稱旋渦氣泵，XGB-2型,由無錫市儀表二廠生產(chǎn),電機功率約0.75 KW（使用三相 電源）,在本實驗裝置上，產(chǎn)生的最大和最小空氣流量基本

9、滿足要求 ，使用過程中,?輸出 空氣的溫度呈上升趨勢。3. 實驗設(shè)備流程圖141012hr111518E 35i圖2空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置流程圖1-普通套管換熱器；2-內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器；3-蒸汽發(fā)生器;4-旋渦氣泵；5-旁路調(diào)節(jié)閥；6-孔板流量計；7-風(fēng)機出口溫度（冷流體入口溫度）測試點；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-蒸汽上升主管路；15-加水口； 16-放水口； 17-液位計；18-冷凝液回流口四、實驗方法及步驟1. 實驗前的準(zhǔn)備，檢查工作。（1）向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。（2）向冰水保溫瓶中加入適量的冰水，并將

10、冷端補償熱電偶插入其中。（3）檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。（4）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已打開。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（5）接通電源總閘，設(shè)定加熱電壓，啟動電加熱器開關(guān)，開始加熱。2. 實驗開始。(1) 關(guān)閉通向強化套管的閥門11,打開通向光滑套管的閥門10,當(dāng)光滑套管換 熱器的放空口 12有水蒸氣冒出時，可啟動風(fēng)機，此時要關(guān)閉閥門 8,打開閥門9。在 整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。(2) 啟動風(fēng)機后用放空閥5來調(diào)節(jié)流量，調(diào)好某一流量后穩(wěn)定 5-10分鐘后，分 別測量空氣的流量，空氣進、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測量下組數(shù)據(jù)。 一般從小流量到最大流量之間，

11、要測量 56組數(shù)據(jù)。(3) 做完光滑套管換熱器的數(shù)據(jù)后，要進行強化管換熱器實驗。先打開蒸汽支路閥11,全部打開空氣旁路閥5,關(guān)閉蒸汽支路閥10,打開空氣支路閥9,關(guān)閉空氣支路 閥8,進行強化管傳熱實驗。實驗方法同步驟(2)。3. 實驗結(jié)束后，依次關(guān)閉加熱電源、風(fēng)機和總電源。一切復(fù)原。五、注意事項(1) 檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內(nèi)。特別是每個實驗結(jié)束后，進行下 一實驗之前，如果發(fā)現(xiàn)水位過低，應(yīng)及時補給水量。(2) 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，兩蒸汽支路閥門 之一必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先開啟需要的支路閥，再關(guān)閉另一側(cè)，且開啟和關(guān)閉 閥門必須緩慢，防止管線截

12、斷或蒸汽壓力過大突然噴出。(3) 必須保證空氣管線的暢通。即在接通風(fēng)機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調(diào)節(jié)閥必須全開。在轉(zhuǎn)換支路時，應(yīng)先關(guān)閉風(fēng)機電源，然后開啟和關(guān)閉支路閥。（4）調(diào)節(jié)流量后，應(yīng)至少穩(wěn)定38分鐘后讀取實驗數(shù)據(jù)。（5）實驗中保持上升蒸汽量的穩(wěn)定，不應(yīng)改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理（一）光滑套管換熱器傳熱系數(shù)及其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的測定1.實驗數(shù)據(jù)記錄與整理表（計算過程在下面第 2步）表2光滑管換熱器原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)整理表傳熱管內(nèi)徑?： 0.020 m有效長度：1.00 m冷流體：空氣（管內(nèi)）流體：蒸汽（管外）組數(shù)1234孔板壓差？ P KPa0.2

13、21.202.233.20空氣入口溫度？?1C）30.931.531.932.4接上表空氣入口溫度？?2 CC)73.967.565.866.6壁面溫度？?？(C)99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度?(C)52.449.548.8549.5? (kg?m3)1.0851.0931.0971.093? ?(?)0.02850.02830.02820.0283?J?(kg?K)1005100510051005? ( ?)0.00001970.00001960.00001960.0000196空氣進出口溫差? (C)433633.934.2平均溫差?(C)47.3050.2050.8550

14、.2020 C時空氣流量?20 (m3?)10.6424.8633.8940.60管內(nèi)平均流量? (m3?)11.4026.3335.7742.87平均流速？?？(?)10.0823.2831.6337.90傳熱量Q W148.45289.22371.39447.36? ?（吊？ C）49.9491.68116.23141.81?11099.2625961.4835402.3042269.99?35.0564.7982.43100.22?0.6950.6960.6990.696?0-440.5574.9095.15115.852.實驗數(shù)據(jù)的計算過程(以第1列數(shù)據(jù)為例)孔板流量計壓差 ？= 0.

15、22KPa空氣入口溫度 =30.9C、空氣出口溫度 ？?2 = 739C、壁面溫度?= 99.7 C已知數(shù)據(jù)及有關(guān)常數(shù)：(1)傳熱管內(nèi)徑？?？(mm及流通截面積？?？ (m2)? = 20.0 (mi)0.0200 (m) ?= n ?2?/4 = 3.142 X02002/4= 0.0003142m2(2) 傳熱管有效長度L(m)及傳熱面積？?(&)L =1.00 (m)管內(nèi)換熱面積：？?？ = n ?= 3.142 X1.00 X0.0200 =Q06284 (n?)(3) 空氣平均物性常數(shù)的確定先算出空氣的定性溫度？?，？?？= ?1；?2= 52.4 C在此溫度下空氣的物性數(shù)據(jù)如下：平

16、均密度 ？?？= 1.085 kg?n?；平均比熱？?？= 1005 J?(kg?K);平均導(dǎo)熱系數(shù) ？?？ = 0.0285 ?(n?K);平均粘度? = 0.0000197 (?);(4) 空氣流過換熱器內(nèi)管時的平均體積流量？?？和平均流速？?？的計算在20r時標(biāo)定的孔板流量計體積流量：0022. 694 ( P)0.522. 694 (0.22)0.510.64 (?3?)因為流量計處的溫度不是20r，需進行校正，傳熱管內(nèi)的體積流量？?：?= ?20 X囂d 10.64 X；73：50.4= 11.40(?3?)平均流速？?？:11.39? = 3600 X ?= 3600 X0.000

17、3142= 10.08 (m/s)(5)壁面和冷熱流體間的平均溫度差 ?的計算:?1+ ?230.9+ 73.9? = ?-2= 99.7 - 一2= 47.3 C(6)傳熱速率? =? X?(8)傳熱準(zhǔn)數(shù)：？?？=?許?49.91 XD.0200 _ “ “0.0285- = 35-05雷諾準(zhǔn)數(shù)：? = ?10.07 X0.0200X1.0850.000019711099.26普蘭特常數(shù)：? = ?1005 X0.00001970.0285= 0.695其他組數(shù)據(jù)的處理方法同上，處理結(jié)果見上表2。(9)求關(guān)聯(lián)式?= ?04中的常數(shù)項以為?0.4縱坐標(biāo)，?為橫坐標(biāo)，在對數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪？?？?0

18、4關(guān)系，見圖3直線U。?11.39X1.085X1005 X(3.9- 30.9)3600?= 00? ?(?2 - ?1)= 3600= 148.45 (?)管內(nèi)傳熱系數(shù)148359 o473X006284 =49.94?(m?C )由圖得線性回歸方程如下：y = 0.0317X 07667 , R2 = 0.9956即？?？= 0.0317?卩7667?o.4（二）強化管換熱器傳熱系數(shù)、準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式及強化比的測定1.實驗數(shù)據(jù)記錄與整理表（計算過程在下面第2步）表3強化管換熱器原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)整理表傳熱管內(nèi)徑？?： 0.020 m 有效長度：1.00 m冷流體：空氣（管內(nèi)）流體：蒸汽（管外）組數(shù)

19、1234孔板壓差？ P KPa0.200.721.191.72空氣入口溫度？?iC）37.439.141.644.1空氣入口溫度？?2（C）91.787.785.183.9壁面溫度？?？（C）99.799.799.799.7管內(nèi)平均溫度?（C）64.5563.4063.3564.00? （kg?m）1.0441.0491.0491.045? ?（?）0.02930.02920.02920.0293接上表?J?（kg?K）1007100710071007?（ ?）0.00002030.00002020.00002020.0000203空氣進出口溫差? (C)54.348.643.539.8平均溫

20、差?(C)35.1536.3036.3535.7020 r時空氣流量?20 （m3?）10.1519.2624.7629.76管內(nèi)平均流量? (m3?)11.0420.7626.4731.63平均流速？?？(?)9.7618.3523.4027.96傳熱量Q (W175.01295.99337.84367.99? ?(m2? C)79.23129.76147.90164.03?10036.1719058.3324303.1628790.59?54.0888.88101.30111.97?0.6980.6970.6970.698?0462.46102.70117.06129.31?o32.115

21、2.4763.2272.03?01.681.691.601.552.實驗數(shù)據(jù)的計算過程(1) 重復(fù)光滑管數(shù)據(jù)計算過程中的(1) (8)步，并將數(shù)據(jù)結(jié)果填到表 3。(2) 求強化套管換熱器關(guān)聯(lián)式?= ?04中的常數(shù)項以？?？?4為縱坐標(biāo)，?為橫坐標(biāo)，在對數(shù)坐標(biāo)系上標(biāo)繪？?？?04 ?關(guān)系，見圖3直線I。由圖得線性回歸方程如下：y = 0.1032x 0.6967，R2 = 0.9938即？?？=0.1032?卩6967?04(3)強化比？?？?o的計算將強化套管換熱器求得的？?？數(shù)代入光滑套管換熱器所得的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中，可以得到?0 。如表 3 中第 1 組數(shù)據(jù)：?= 10036.17，?= 0.698, ? = 54.08?0 = 0.0317?分