对流传热

一、 实验目的 1、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； 2. 确定强制对流传热准数关联式中常数； 3. 通过对强化套管换热器的实验研究，了解强化传热的基本理论和基本方式。 二、 实验原理 本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数αi的测定方法，加深对其概m0.4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=ARePr中常数A、m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，测定其准m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。 本实验采用套管换热器, 以环隙内流动的饱和水蒸汽加热管内空气，水蒸汽和空气间的传热过程由三个传热环节组成：水蒸汽在管外壁的冷凝传热，管壁的热传导以及管内空气对管内壁的对流传热。本实验装置采用两组套管换热器，即光滑套管换热器及强化套管换热器。 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素。科学家通过实验研究总结了形式为NuBRem的经验公式，其中B和m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。 采用实验3-1中的实验方法确定不同流量下得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。 图1 螺旋线圈内部结构 三、设备主要技术数据：

1. 传热管参数:

表1 实验装置结构参数 实验内管内径di（mm） 实验内管外径do（mm） 实验外管内径Di（mm） 实验外管外径Do（mm） 测量段（紫铜内管）长度l（m） 强化内管内插物 （螺旋线圈）尺寸 加热釜 丝径h（mm） 节距H（mm） 操作电压 操作电流 20.00 22.0 50 57.0 1.00 1 40 ≤200伏 ≤10安 2. 空气流量的测定 由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。 由流量公式[1]计算

t1 ………………………………………………………………[1] 其中，c0-孔板流量计孔流系数，c0=0.65 A0-孔的面积 m2

d0-孔板孔径 ， d0 =0.017 m

Vt1Vt1c0A02P- 空气入口温度（及流量计处温度）下的体积流量，m3/h ；

P-孔板两端压差，Kpa

t1-空气入口温度（及流量计处温度）下密度，Kg/m3。

在实验条件下传热管内的空气流量V (m3/h)则需按[2]式计算:

VVt1273at…………………………………………………………[2]

273t1其中，V—实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h； at—管内平均温度，℃；

t1—传热内管空气进口（即流量计处）温度，℃。 3.温度测量

(1) 空气入传热管测量段前的温度t1 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(2) 空气出传热管测量段时的温度t2 ( ℃ )由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。

(3) 管外壁面平均温度Tw( ℃ )由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv,热电偶是由铜─康铜组成),再由 E 根据公式:Tw(℃)=8.5＋21.26×E(mv)计算得到。 4.电加热釜

是产生水蒸汽的装置,使用体积为7升(加水至液位计的上端红线),•内装有一支2.5kw的螺旋形电热器,当水温为30℃时,用200伏电压加热,约25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)。

5. 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0.75 KW(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。

6. 稳定时间

是指在外管内充满饱和蒸汽,并在不凝气排出口有适量的汽(气)•排出,空气流量调节好后,过15分钟,空气出口的温度t2 ( ℃ )可基本稳定。

四、实验装置 实验装置如图2所示，主要结构参数如表1所示。 说明：1、蒸汽发生器为电加热釜，使用容积为5升，内装有一支2.5kw的螺电热器，与一储水釜相连（实验过程中要保持储水釜中液位不要低于釜的二分之一，防止加热器干烧）；2、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。壁温采用热电偶温度计测量；3、旋涡气泵型号为XGB─2，由无锡市仪表二厂生产，电机功率约0.75 KW（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。 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-光滑套管蒸汽进口阀；7-光滑套管换热器；8-强化套管换热器；9-光滑套管蒸汽出口；10-强化套管蒸汽出口；11-光滑套管空气进口阀；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

五、实验方法及步骤 1.实验前的准备,检查工作. (1) 向电加热釜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,电压调节电位器是否旋至最左端(逆时针方向)。 (4) 检查普通管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。 (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. 实验开始. (1)一段时间后水沸腾,水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。 (2) 约加热十分钟后,可提前启动鼓风机,保证实验开始时空气入口温度t1(℃)比较稳定。 (3) 调节空气流量旁路阀的开度,使压差计的读数为所需的空气流量值(当旁路阀全开时,通过传热管的空气流量为所需的最小值,全关时为最大值)。 (4)稳定5-8分钟左右可转动各仪表选择开关读取t1,t2,E值。(注意：第1个数据点必须稳定足够的时间) (5) 重复(3)与(4)共做5～6个空气流量值。 (6) 最小,最大流量值一定要做。 (7) 整个实验过程中,加热电压可以保持(调节)不变,也可随空气流量的变化作适当的调节。 3．转换支路，重复步骤2的内容，进行强化套管换热器的实验。测定5～6组实验数据。 4． 实验结束. (1)关闭加热器开关。 (2) 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。 (3) 切段总电源 (4) 若需几天后再做实验,则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。 五. 使用本实验设备应注意的事项 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。 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，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。 5.电源线的相线,中线不能接错,实验桌铁架一定要接地(最起码也要接中线)。 6.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能\"开路\"。

1、光滑套管换热器传热系数的测定

数据记录与整理表

传热管内径di =0.020 m 有效长度Li =1.00 m 冷流体：空气（管内） 热流体：蒸汽（管外）

数据项目 孔板压差 空气入口温度 空气出口温度 壁面温度 管内平均温度 空气密度 空气导热系数 空气定压比热容 空气粘度 空气进出口温度差 平均温差 20℃时空气流量 管内平均流量 平均流速 传热量 对流传热系数 雷诺数 努赛尔准数 ΔP t1 t2 Tw tm ρm λm*100 Cpm μm*10000 Δt Δtm V20 V u Q αi Re Nu Nu/Pr0.4 kPa ℃ ℃ ℃ ℃ kg/ m3 W/ m·℃ kJ/ kg·℃ Pa·s ℃ ℃ m3/ h m3/ h m/s W W/m2·℃ 1 0.4 23.8 77.2 99.8 50.5 1.091 2.83 1.017 1.96 53.4 49.3 14.32 15.848 14.02 260.88 84.21 15610 59.59 68.52 2 0.9 24.5 7.2 99.8 47.4 1.102 2.81 1.015 1.94 45.7 52.45 21.531 23.1 20.83 334. 101.42 23659 72.26 83.27 3 1.4 25.1 70.3 99.9 47.7 1.101 2.81 1.016 1.94 45.2 52.2 4 5 1.9 2.4 25.5 26.1 69.9 70.1 99.8 99.8 47.7 48.1 1.101 1.1 2.81 2.81 1.016 1.016 1.94 1.95 44.4 44.0 52.1 51.7 26.8 31.284 35.160 29.393 34.242 38.533 26.00 412.82 125.85 29514 .67 103.29 30.29 34.09 472.82 526.34 144.29 162.01 34383 38458 102.81 115.23 118.43 132.55 2、强化套管换热器传热系数及强化比的测定

数据记录与整理表

传热管内径di =0.020 m 有效长度Li =1.00 m 冷流体：空气（管内） 热流体：蒸汽（管外） 数据项目 孔板压差 空气入口温度 空气出口温度 壁面温度 管内平均温度 空气密度 空气导热系数 空气定压比热容 空气粘度 空气进出口温度差 平均温差 20℃时空气流量 管内平均流量 平均流速 传热量 对流传热系数 雷诺数 努赛尔准数 强化比

ΔP t1 t2 Tw tm ρm λm*100 Cpm μm*10000 Δt Δtm V20 V u Q αi Re Nu Nu/Pr0.4 Nu0 Nu/Nu0 kPa ℃ ℃ ℃ ℃ kg/ m3 W/ m·℃ kJ/ kg·℃ Pa·s ℃ ℃ m3/ h m3/ h m/s W W/m2·℃ 1 0.20 28.2 82.7 99.8 55.4 1.075 2.86 1.017 2.01 45.6 42.6 16.048 18.081 15.99 246.13 92.00 1702 63.45 462.63 2 0.70 28.5 75.6 99.9 52.0 1.086 2.84 1.005 2.01 42.1 44.0 22.696 25.465 22.53 321.36 116.43 2407 80.30 585.49 65.41 1.23 3 1.20 29 72.2 99.9 55.6 1.092 2.83 1.005 2.01 41.2 44.1 27.704 31.070 27.49 383.88 138.61 2938 95.59 697.02 4 5 1.70 29.5 71.8 99.9 50.6 1.090 2.83 1.005 2.01 41.0 43.7 32.097 36.041 31.88 442.59 161.27 3404 111.22 810.98 .01 1.25 3、线性回归确定准数关联式

由𝑁𝑢=A 𝑅𝑒𝑚 𝑃𝑟0.4可得

𝑁𝑢

=𝐴 𝑅𝑒𝑚 0.4𝑃𝑟𝑁𝑢

lg(0.4)=𝑚 lg (Re)+lg𝐴 𝑃𝑟