1、化工傳熱綜合實驗裝置說明書天津大學化工基礎實驗中心2013.03 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，掌握對流傳熱系數的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。2.通過對管程內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， 掌握對流傳熱系數的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。3.學會并應用線性回歸分析方法，確定傳熱管關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m數值，強化管關聯式NuO=BRemPr0.4中B和m數值。4.根據計算出的Nu、Nu0求出強化比Nu/Nu0，比較強化傳熱的效果，加深理解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗內容：1.測定5-6組不同流

2、速下簡單套管換熱器的對流傳熱系數。2.測定5-6組不同流速下強化套管換熱器的對流傳熱系數。3.對的實驗數據進行線性回歸，確定關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的數值。4.通過關聯式Nu=ARemPr0.4計算出Nu、Nu0，并確定傳熱強化比Nu/Nu0。三、實驗原理：1.普通套管換熱器傳熱系數測定及準數關聯式的確定：（1）對流傳熱系數的測定：對流傳熱系數可以根據牛頓冷卻定律，通過實驗來測定。因為<< ,所以傳熱管內的對流傳熱系數K，K（W/m2·）為熱冷流體間的總傳熱系數，且 所以： （1）式中：管內流體對流傳熱系數，W/(m2)； Qi管內傳熱速率，W； Si管

3、內換熱面積，m2； 管內平均溫度差，。平均溫度差由下式確定： （2）式中：冷流體的入口、出口平均溫度，； 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，由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于熱流體的平均溫度。管內換熱面積： （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）其中質量流量由下式求得： （5）式中：Vi冷流體在套管內的平均體積流量，m3 / h； cpi冷流體的定壓比熱，kJ / (kg·)； i冷流體的密度，kg /m3。cpi和i可根據定性溫度t

4、m查得，為冷流體進出口平均溫度。ti1，ti2， tw， Vi可采取一定的測量手段得到。（2）對流傳熱系數準數關聯式的實驗確定：流體在管內作強制湍流，被加熱狀態，準數關聯式的形式為： . （6）其中： ， ， 物性數據i、cpi、i、i可根據定性溫度tm查得。經過計算可知，對于管內被加熱的空氣，普蘭特準數Pri變化不大，可以認為是常數，則關聯式的形式簡化為： （7）這樣通過實驗確定不同流量下的Rei與，然后用線性回歸方法確定A和m的值。2.強化套管換熱器傳熱系數、準數關聯式及強化比的測定：強化傳熱技術，可以使初設計的傳熱面積減小，從而減小換熱器的體積和重量，提高了現有換熱器的換熱能力，達到強化

5、傳熱的目的。同時換熱器能夠在較低溫差下工作，減少了換熱器工作阻力，以減少動力消耗，更合理有效地利用能源。強化傳熱的方法有多種，本實驗裝置采用了多種強化方式，具體見下表。圖一 螺旋線圈強化管內部結構其中螺旋線圈的結構圖如圖一所示，螺旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節距繞成。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。在近壁區域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發生旋轉，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，有利于節省能源。螺旋線圈是以線圈節距H與管內徑d的比值以及管壁粗糙度（）為主要技術參數，

6、且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數的重要因素。科學家通過實驗研究總結了形式為的經驗公式，其中A和m的值因強化方式不同而不同。在本實驗中，確定不同流量下的Rei與，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：，其中Nu是強化管的努塞爾準數，Nu0是普通管的努塞爾準數，顯然，強化比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濟效益，則必須考慮阻力因素，阻力系數隨著換熱系數的增加而增加，從而導致換熱性能的降低和能耗的增加，只有強化比較高，且阻力系數較小的強化方式，才是最佳的強化方法。四、實

7、驗裝置的基本情況：1.實驗裝置流程示意圖（如圖二所示）：圖二 傳熱綜合實驗裝置流程圖1-普通管空氣進口調節閥；2-普通管空氣進口溫度；3-普通管蒸汽出口；4-普通套管換熱器；5-普通管空氣出口溫度；6-強化管空氣進口調節閥；7-強化管空氣進口溫度；8-強化套管蒸汽出口；9-內插有螺旋線圈的強化套管換熱器；10-普通套管蒸汽進口閥；12-孔板流量計；13-強化套管蒸汽進口閥；14-空氣旁路調節閥；15-旋渦氣泵；16-儲水罐17-液位計；18-蒸汽發生器；19-排水閥；20-其中2，5，7，11，12為測試點2.實驗設備主要技術參數（如表一所示）：表一 實驗裝置結構參數實驗內管內徑di（mm）2

8、0.00實驗內管外徑do（mm）22.0實驗外管內徑Di（mm）50實驗外管外徑Do（mm）57.0測量段（紫銅內管）長度L（m）1.20強化內管內插物（螺旋線圈）尺寸絲徑h（mm）1節距H（mm）40孔板流量計孔流系數及孔徑c0=0.65、d0 =0.014 m旋渦氣泵XGB2型加熱釜操作電壓200伏 操作電流10安3.實驗裝置面板圖（如圖三所示）：圖三 傳熱過程綜合實驗面板圖五、實驗操作步驟：1.實驗前的準備，檢查工作：（1）向儲水罐中加水至液位計上端處。（2）檢查空氣流量旁路調節閥是否全開。（3）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。（4）接通電源總閘，設定加熱電壓

9、，啟動電加熱器開關，開始加熱。2. 實驗開始： （1）關閉通向強化套管的閥門5，打開通向光滑套管的閥門6，當光滑套管換熱器的放空口9有水蒸氣冒出時，可啟動風機，此時要關閉閥門12，打開閥門11。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）啟動風機后用放空閥14來調節流量，調好某一流量后穩定3-5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據。一般從小流量到最大流量之間，要測量56組數據。（3）做完光滑套管換熱器的數據后，要進行強化管換熱器實驗。先打開蒸汽支路閥5，全部打開空氣旁路閥14，關閉蒸汽支路閥6，打開空氣支路閥12,關閉空氣支路閥11，進行強化管傳熱實驗。實驗方法同步驟（2）。3.實驗結束后，依次關閉加熱電源、風機和總電源。一切復原。六、實驗注意事項：1.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，如果發現水位過低，應及時補給水量。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，且開啟和關閉閥門必須緩慢，防止管線截斷